隧道穿越不良地質段注漿處治方案對比研究

摘要：田林至西林（滇桂界高速公路）央達隧道右洞進口端洞身段在開挖過程中頻繁出現掌子面坍塌及突泥涌水現象且地面發生塌陷，文章通過對比洞內注漿結合地表注漿加固方案與洞內帷幕注漿加固方案，綜合分析兩種方案的實施性、經濟性、工期、設備資源，最終選取洞內注漿結合地表注漿處治方案。工程實踐表明：注漿效果滿足隧道開挖要求，達到了加固地層的目的，開挖安全性獲得了較大提升，按時完成了隧道貫通，相關處治措施可為同類隧道穿越不良地質段提供參考。

關鍵詞：隧道；不良地質；注漿加固；方案對比

中文分類號：U457+.2A581925

0引言

隧道施工過程中往往會穿越不良地質段，易引起地質災害，嚴重危害隧道內施工人員安全。在我國現行相關規范的基礎上［1-4］，李紹聰等［5］結合數值模擬手段對3種不同隧道加固方案從多角度進行對比分析；原振軍［6］以某淺埋大斷面隧道工程穿越不良地質段為例，采取了相應的注漿加固處理技術，有效提高了隧道工程圍巖結構的穩定及安全；李建合等［7］基于鋼管柱注漿地表方法，成功處治隧道溶洞軟弱夾層段，取得了良好的社會效益和經濟效益；陳慶志等［8］以廣西岑溪至水汶高速公路山心隧道為依托工程，采用水力學計算及有限元分析兩種方法，參照超前地質預測結果，提出了掌子面全斷面進行帷幕注漿的加固方法，可有效保證隧道開挖掘進施工。

本文以現場隧道施工案例，通過對兩種處治方案進行對比研究，從施工工藝、人員設備及經濟性分析等多個角度進行對比，選取洞內帷幕注漿結合地表注漿加固方案作為施工方案，最終安全成功地度過隧道不良地質段，可為后續工程提供借鑒。

1工程概況

擬建田林至西林（滇桂界）高速公路ZK142+037/YK142+035央達隧道位于廣西西林縣央達村，設計為分離式隧道，進出口均為端墻式，設計長度為325 m/290 m，最大埋深約70 m。央達隧道位于剝蝕低丘地段，地形起伏差異較明顯，受區域地質作用影響，巖層產狀、節理和裂隙變化較大，以風化裂隙占據較多，巖體較破碎，隧道揭露有裂隙帶，且灰巖區發育巖溶。

2隧道涌水突泥情況介紹

央達隧道掌子面開挖至樁號ZK141+965和YK141+970時，圍巖為強風化灰巖夾頁巖并有泥沙質填充，巖體自穩能力極差，經現場核實后，參建單位決定加強襯砌形式，保證初期支護施工安全。央達隧道掌子面開挖至YK141+960時，監控量測數據顯示拱頂沉降較大，現場暫停掌子面作業，并對已支護段采用I20a工字鋼施作臨時護拱（型鋼拱架間距為1 m，22 mm鋼筋間距為1 m連接，噴射混凝土穩固支撐）。掌子面開挖至YK141+970時，沉降繼續變大，護拱開始變形，立即停止掌子面施工并對護拱進行掛網補噴增厚并持續觀測。

掌子面塌方至上一模二襯端頭，對掌子面回填石渣、清除部分淤泥時，發生大量突泥涌水現象，導致現場陷入停滯狀態。對完成注漿固結的掌子面開挖初支過程中，掌子面受擾動再次出現擠壓涌泥現象。此段洞內坍塌范圍樁號為YK55+246.5～YK55+291，共44.5 m，塌方體積約4 000 m3，地表塌坑約240 m3，預估此段坍塌范圍上方有約3 800 m3的空腔。

3原因分析

（1）央達隧道進口端洞身段圍巖主要為強風化灰巖夾頁巖，巖質較軟-較硬，巖體破碎，主要呈鑲嵌碎裂結構，節理裂隙發育多由黏土質及方解石石脈充填，基巖裂隙水稍發育，巖體完整性及穩定性差。

（2）隧道突水量因多日持續大雨驟增，對塌陷區土體浸泡沖刷，造成塌陷區土體失穩再次擠壓造成二次涌出。

（3）該段落超前地質預報結論根據破碎狀況分布圖和阻抗系數分析，顯示該區段巖體反射信號較強，局部強烈，存在巖溶及溶蝕水發育現象，多處溶蝕裂隙發育有泥質夾層，溶蝕裂隙水較發育。掌子面前方左側存在巖土交界面，發育不整合面，有軟弱破碎夾層，層間結合差，施工過程中易出現巖體失穩坍塌及淋雨狀出水現象。

4注漿加固方案對比

根據現場情況及工程問題特性，結合相關規范，經參建單位多次現場踏勘及專家會共同商定后，初步擬定以下兩種注漿方案作處治比選，確保隧道開挖安全通過。

4.1方案一：洞內帷幕注漿+地表注漿加固方案

4.1.1方案概述

洞內修建止漿墻，洞內施工1個循環，加固長度為27 m，加固圈為8 m，終止里程在仰拱端頭。地表同步施工，隧道33 m段落內施作地表剛性袖閥管注漿，與洞內帷幕注漿段搭接2 m。

4.1.2止漿墻及鉆機操作平臺

鉆機操作平臺使用C25混凝土材料，厚度為20 cm。施工止漿墻時，現澆C30混凝土，高度為7.5 m，錨固鋼筋環向的間距是1.5 m，單根長度為2.0 m，隧道襯砌及止漿墻各插入1.0 m。如圖1所示。

4.1.3帷幕注漿方案

縱向加固范圍為27 m，徑向加固開挖面與隧道開挖輪廓線外8 m，底部加固至仰拱填充面。注漿孔漿液擴散半徑為2 m，最終孔間距＜3.1 m。共設置注漿孔58個，其中終孔段設1個長度27 m的注漿孔，補充段設1個長度16 m的注漿孔。現場注漿過程中，出現較大涌水或其他情況時，應及時采用周邊孔充填設計，作為補充注漿和效果評定。注漿材料為雙液漿（水玻璃+水泥）及摻入HPC外加劑的普通水泥漿液，終注壓力范圍為4～6 MPa。如圖2～5所示。

4.1.4地表注漿方案

（1）地表注漿加固范圍為33 m。隧道加固范圍為拱頂上8 m至仰拱底部，與洞內帷幕注漿段搭接2 m處加固至仰拱填充面，兩側加固至隧道兩側最寬處向外6 m。該段范圍隧道平均設計埋深40 m，地表鉆孔的深度約50.9 m，注漿等邊三角形2 m×2 m間距設置。使用剛性袖閥管作為注漿材料，后退式注漿工藝操作。如圖6～9所示。

（2）鉆孔：根據地層特性，鉆孔套管跟進鉆孔工藝，孔徑為150 mm。采用干鉆法，嚴禁采用水鉆工藝。

（3）剛性袖閥管：外徑為76 m、壁厚3.5 mm，其加工示意圖如下頁圖10所示。

（4）注漿材料同上，終注壓力范圍為4～6 MPa。

4.2方案二：洞內帷幕注漿+管棚加固方案

4.2.1方案概述

采用洞內帷幕注漿+大管棚綜合處理方案。計劃施工3個循環，大管棚在第2、第3循環帷幕注漿中施作。第1循環加固長度為27 m，開挖22 m；第2循環注漿加固長度為25 m，開挖長度20 m；第3循環注漿加固長度暫定為20 m，根據探孔情況調整加固長度。

4.2.2止漿墻及鉆機操作平臺

第1循環止漿墻采用C30混凝土現澆，高7.5 m、厚2 m，鉆機操作平臺頂面距拱頂6.0 m。第2、第3循環止漿墻厚度為2.0 m，高度為6.5 m，鉆機操作平臺頂面距拱頂6.0 m，其他措施同方案一。

4.2.3帷幕注漿方案

（1）第1循環同方案一。

（2）第2循環縱向注漿加固長度為25 m，開挖長度為20 m，搭接5 m，第3循環縱向注漿加固長度暫定為20 m，根據探孔情況確定加固的深度。注漿加固范圍：徑向加固拱墻開挖面和隧道開挖輪廓線外8 m，底部伸至仰拱底。注漿孔漿液擴散半徑為2.0 m，終孔間距＜3.2 m。共設置82個注漿孔。施工時根據實際注漿情況對薄弱位置進行補充。

（3）注漿材料及終止壓力同剛性袖閥管。如圖11～13所示。

4.2.4管棚方案

管棚在第2、第3循環帷幕注漿施作。帷幕注漿完成后在隧道拱頂120°范圍內施加管棚支護，環向間距為33 cm，外插角為5°，每一循環加固的長度即為管棚設置長度，一個循環共41根。管棚材料為89 mm、壁厚5 mm，單節長度3 m，管棚焊接材料使用40 cm長、76 mm、壁厚4.5 mm的鋼管兩頭焊接，管棚前段呈錐形，管壁之間每50 cm設置兩處溢漿孔（10 mm）。管棚注漿材料和配比同帷幕注漿要求，注漿壓力＜3 MPa范圍內，如圖14所示。管棚施工完成后視施工情況確定是否打設泄水孔。

4.3注漿工藝及評定標準

4.3.1帷幕注漿工藝

如圖15～16所示，結合前進式分段注漿及鉆桿后退式分段注漿施工工法，通過對剛性袖閥管加工，可先鉆孔達到終孔深度，隨后孔內插入2～3根25 mm的水平袖閥管，可有效保證分層注漿的效果。注漿之前可對隧道掌子面前方巖層進行取樣判定，數量控制在3～5個注漿孔。

4.3.2地表注漿工藝

采用地表定向大口徑深孔注漿工藝（DDD工法），地表注漿工序如圖17所示。

4.3.3注漿材料

注漿材料為雙液漿（水玻璃+水泥）及摻入HPC外加劑的普通水泥漿液，普通水泥使用標號P.O42.5硅酸鹽水泥。

4.3.4注漿結束標準

（1）單孔注漿結束標準：注漿壓力表上數據達到設計值時，并保持該數據一定時間，即可驗收，確保順利完成注漿。

（2）全斷面結束標準：現場布設的注漿孔均能夠滿足設計終孔條件，過程中無漏漿現象發生；記錄注漿數據，對注漿效果較差孔重新布設檢查孔，觀察后續情況，個數控制在總注漿孔的5%范圍內。

4.3.5注漿效果檢查

注漿效果評定是決策路基施工方案的依據［9-10］。

（1）分析法：注漿采用P-Q-t曲線和漿液填充率分析，漿液填充率在80%以上視為注漿合格。

（2）鉆孔檢查法：取總注漿孔數量的3%作為檢查孔，遵循均勻布置原則；鉆檢查孔時沒有空腔現象即為合格，注漿孔可以兼作檢查孔。

（3）孔內成像：洞內帷幕注漿檢查孔可采用孔內成像的儀器研究注漿分布和成孔情況。

（4）取芯觀察。

5注漿方案實施性對比

通過對央達隧道塌方段兩種注漿加固處治方案介紹，從工藝成熟性、人員設備、施工組織、經濟效益及工期多個方面進行比較，見下頁表1。

經方案實施性、經濟性、工期、設備資源對比，方案一費用較方案二略高，但工期較方案二明顯縮短，同時洞內開挖人員窩工較少，隱性費用較低，因此采用更符合現場需要的方案一。

6結語

隧道施工過程中，往往會穿越各種復雜地質，對現場施工技術要求嚴格。本文以田林至西林（滇桂界高速公路）央達隧道為依托，討論了該隧道塌方段兩種處治方案的工序及多個因素對比，并重點探討了注漿施工的工藝及評定問題。央達隧道處治措施方案一的成功處治經驗可為同類工程的施工提供技術資料和經驗借鑒。

參考文獻：

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作者簡介：吳紹忠（1978—），工程師，主要從事隧道與橋梁專業工作。