分阶段注浆围岩加固技术在炭质页岩隧道施工中的应用

任永强

(甘肃省远大路业集团有限公司,甘肃兰州 730000)

分阶段注浆围岩加固技术在炭质页岩隧道施工中的应用

任永强

(甘肃省远大路业集团有限公司,甘肃兰州 730000)

由于炭质页岩具有膨胀性、崩解性、风化性等物理特性,在这种地质条件下的隧道施工,极易出现衬砌混凝土开裂、衬砌侵限、钢架扭曲变形等情况。所以,有效控制炭质页岩地质条件下隧道围岩变形成了隧道施工过程中的一大难题,笔者将通过在该地质条件下从事隧道施工的一些体会,阐述在炭质页岩地质条件下,采用分阶段注浆对控制隧道围岩变形的重要作用,为今后相似地质条件下隧道施工提供依据。

分阶段注浆 炭质页岩 隧道 施工 应用 研究

目前，在炭质页岩地质条件下进行隧道施工时，通常采用充分预留变形量进行强支护和注浆加固围岩等施工方法。采古隧道是我们从事隧道施工以来，第一次遇见炭质页岩。在采古隧道施工过程中，我们结合隧道监控量测技术，利用监控量测数据确定各阶段注浆时间和注浆方案，取得了一定效果。现结合采古隧道施工现场实际情况，将炭质页岩地质条件下，如何采用分阶段注浆加固围岩的控制要点做一简要介绍。

1 工程概况

1.1 工程建设概况

采古隧道位于甘肃省甘南藏族自治州迭部县，省道313线(宕迭线)，腊子河下游东岸。进口位于迭部县洛大乡贡尖村，出口位于迭部县才古村，隧道里程桩号K56+904～K58+282，隧道长度1378m，隧道设计围岩为IV级、V级两种等级，其中IV级围岩600米，V级围岩778米，V级围岩占隧道总长的65%。

1.2 采古隧道炭质页岩段掌子面描述

掌子面为黑色微风化薄层炭质页岩夹炭质灰岩，并见少量页岩弱变质成的板岩，属于软—硬互层产出，软岩为主。围岩岩层倾向北偏东，走向基本与进口段轴向一致。地应力较大，开挖后左侧(北侧)拱腰处落块，围岩塑性变形极大，自稳能力很差。

1.3 采古隧道炭质页岩段变形情况

通过对K56+935断面进行监控量测分析，隧道左侧总变形量为750mm，右侧累计变形量小于左侧，为500mm。

2 炭质页岩变形机理

炭质页岩主要由固结较弱的粘土在地壳运动中经过挤压、脱水、重结晶和胶结作用形成。

2.1 炭质页岩膨胀性

炭质页岩的膨胀性以其自由膨胀率的大小来反映，其主要影响因素有含水量、环境湿度(初始含水量)、含水率、岩石的结构、岩石的干密度及孔隙率。

2.2 炭质页岩崩解性

炭质页岩的成分以粘土矿物为主，同时岩体内大多均含先存裂隙及微裂缝。在炭质页岩中，由于伊利石、高岭石等粘土矿物颗粒较小，亲水性很强，当水灌入岩石的孔隙、裂隙时，细小岩粒的吸附水膜便会增厚，引起岩石体积的膨胀，而不均匀的体积膨胀在岩石内部就产生不均匀应力，部分胶结物会被稀释、软化或溶解，从而导致岩石颗粒的碎裂解体，从而形成崩解。

图1 上台阶分阶段注浆示意图

2.3 炭质页岩层理结构与隧道稳定性分析

在炭质页岩中开挖隧道后，一方面开挖轮廓周边高挤密性的炭质页岩层理体具有恢复其原状的临空面，另一方面炭质页岩暴露于空气中崩解膨胀，从而释放出很大的地应力作用于支护结构，容易造成支护结构的开裂和大变形。

隧道开挖后，炭质页岩沿着倾斜层理方向膨胀，层理结构对稳定性影响与岩层倾向有关，采古隧道岩层由北(左)倾向东(右)，所以层理结构对隧道左侧边墙和拱腰的稳定性不利，而右侧和拱顶相对稳定。

3 采古隧道炭质页岩段施工方案

从围岩变形情况可见，此类围岩变形大，需预留的变形量左侧为750mm，右侧为500mm。且施做二衬前初期支护变形未稳定，在这种情况下施做二衬，隧道施工质量和运营安全很难保证，对此，我们通过对变形规律的分析和总结，制定出了此类围岩的支护方案。

3.1 洞身开挖

为减小施工周期和总变形量，每循环进尺不易太小，确定为1.5米(3榀拱架)。

3.2 初期支护

此类围岩开挖后通常形成约5米松动圈，所以在初期支护完成后交错梅花状布设4米和5米长的Φ42注浆小导管，间距为50cm*50cm，前两阶段采用4米长导管，最后一阶段用5米长导管。垂直衬砌打入，分阶段进行导管注浆。

3.3 分阶段注浆

对完成初期支护的断面进行量测，以量测数据为依据，把围岩变形分成若干阶段，在每个阶段进行注浆。在第一阶段注浆时，只是某些结构层间出现裂隙，浆液只能在出现裂隙的结构层中渗透。完成注浆后其余结构层还会出现裂隙，导致围岩继续变形，所以要反复进行注浆，直到围岩变形稳定为止，这样可使浆液更充分的渗入围岩，在围岩松动圈内形成一个大约5米厚的壳体，以增强对围岩的支护能力。当累计变形量达到10厘米时，进行I阶段导管注浆；当累计变形量达到15厘米时，进行II阶段导管注浆；累计变形达到20厘米时，进行III阶段注浆。采古隧道炭质页岩段当进行三阶段注浆后，围岩变形基本稳定。每阶段具体注浆导管顺序见图1。

(1)注浆参数。1)水泥浆水灰比1：1；2)水玻璃掺量为水泥用量的5%(质量)，水玻璃深度35玻美度，模数2.4；3)注浆压力控制在0.5～1.0MPa。

(2)注浆工艺要求。1)注浆顺序为从拱脚到拱顶顺序进行。2)注浆结束后钢花管尾部出露部分应采取切割方式处理并敷以砂浆，以防刺破防水板。3)钢花管注浆过程中应隔孔进行，以提高浆液的扩散性和凝固性。

3.4 仰拱施工

对完成上述三个阶段注浆的段落，及时进行下台阶和仰拱施工，仰拱必须全幅浇注，每循环长度不能大于5米。

3.5 二衬施工

通过监控量测，初衬变形速率趋于稳定后，进行二衬砼浇注。二衬距掌子面距离控制在50米之内。

4 采古隧道分阶段注浆段施工总结

通过对分阶段注浆段K57+080断面进行量测发现，左侧最终累计变形500mm(较以前变形量750mm减少了250mm)，拱顶与右侧累计变形为350mm(较以前变形量500mm减少了150mm)，且二衬施做前围岩变形已趋于稳定，进行分阶段注浆，注浆更充分，效果更明显，累计变形量小，二衬施工前变形趋于稳定，证明此方案是成功的。在实际应用中为提高注浆效果，还要注意以下几个方面的问题。

(1)监控量测为分阶段注浆提供数据支持，所以采取本方案施工时，要严格制定监控量测方案，确保量测数据准确；(2)采用分阶段注浆的方法加固围岩，要掌握最佳的注浆时机，确定两个注浆阶段间科学合理的时间间隔。间隔太短，注浆量很难保证，注浆周期太长，影响施工效率。间隔太长，围岩结构层间空隙太大，注浆加固效果不明显；(3)浆液水灰比的控制也是分阶段注浆的成功与否的关键。由于炭质页岩具有遇水膨胀的特性，所以如果水灰比过大，浆液中的自由水也就增多，影响围岩稳定，水灰比太大，浆液不易在围岩中扩散。

5 结语

通过对采古隧道监控量测数据的分析，对炭质页岩隧道变形规律有了一定的认识。在施工过程中，我们通过对多种围岩加固方案的对比，发现进行分阶段注浆方法是一种对炭质页岩隧道行之有效的施工方案，通过此方法的应用，使隧道变形得到了有效控制，不但加快了工程进度，保证了工程质量，而且也取得了良好的经济效益。

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