富水粉细砂隧道围岩加固技术研究

陆 兴

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459)

1 工程概况

新建玉磨铁路的太达村隧道位于宁洱与普洱之间，地处哀牢山西侧与永平-思茅槽地的东南部地质构造复杂.隧道全长5 815 m，隧道最大埋深约180 m.太达村隧道为双线铁路隧道，设置一个辅助坑道，隧道平面布置如图1所示.太达村隧道存在下第三系弱胶结砂岩，主要分布在DK240+900～DK241+784之间，且该区段地下水丰富，附近构造发育.开挖揭示成粉砂状，饱水时自稳性极差，饱水遇临空面时呈流沙状.受到不良地质的影响，太达村隧道斜井工区的掌子面施工到DK241+784时，掌子面发生坍塌，作业台车被推后5 m，坍塌物堆满掌子面，造成了掌子面开挖停工，严重影响了施工进度.因此选择合适的加固方式来保障隧道施工的正常推进，是本工程的一个重点问题.

图1 隧道平面布置图

2 原设计情况

2.1 基本情况

太达村隧道属地中山地貌，洞身分布下第三系渐新至始新统(E2-3)砾岩、砂岩夹泥岩(进口至斜井段约4 000 m)，白垩系下统曼岗组中段(K1)泥岩夹砂岩(斜井至出口段约1 800 m)等.洞身发育普洱断裂西支和蛮帕山断层.施工图设计Ⅳ级围岩3 690 m，占63%；Ⅴ级围岩2 125 m，占37%.目前剩余工程DK240+900～DK241+784中Ⅳ级围岩589 m，Ⅴ级围岩295m.

2.2 主要岩层特性及水文特性

根据现场调绘和钻探揭示，(E[2-3])地层以砾岩、砂岩夹泥岩为主.砾岩为紫红、棕红色，钙泥质胶结，风化不均；砂岩为浅灰、紫红色，中～细粒结构，钙泥质胶结，质硬；泥岩为紫红色，泥质结构，泥质胶结，岩质较软，易风化剥落，具遇水软化崩解、失水收缩开裂等特性.

该区域主要为基岩裂隙水，主要赋存于基岩风化裂隙和构造裂隙之中.

3 超前地质预报

为了探明掌子面前方的地下水及构造情况，本工程采用了多种超前预报方法，并进行了补充勘察.

3.1 地震波反射法(TSP)

DK241+780～DK241+764区段推测整体围岩为弱风化砂岩夹泥岩，节理裂隙发育，岩体破碎，地下水较发育，围岩自稳能力差；其中DK241+770、DK241+765、DK241+760里程附近存在多条负反射构造界面，推测该里程附近围岩裂隙密集发育，地下水较发育.

3.2 地质雷达法

子面从右至左7～9.5 m，前方1～3 m段波形反射较强，围岩较破碎，节理裂隙较发育；前方7～23 m段波形反射明显，高幅低频，推测可能为软弱夹层或泥砂、富水填充；掌子面从右至左0～7 m前方7～23 m波形反射较强，推测可能有软弱夹层或富水.拱顶测线从左至右7 m，拱顶上方1～5 m段围岩较破碎，其余段围岩较完整，稳定性一般.拱顶斜前方测线掌子面从左至右2～3 m，前方1～6 m波形反射较明显，推测围岩较破碎；前方7～20 m波形反射明显，推测可能含有软弱夹层或者含水.

3.3 红外探水法

根据红外探测资料分析，掌子面红外辐射场场强值差值均大于安全值10 μw/cm2；同时根据洞身段红外辐射场强探测结果显示红外场强曲线发生畸变；推测DK241+784～DK241+754该段围岩岩层饱含水.

3.4 地表地质补充钻探

为了更好的探明隧道的地质情况，布置了14个深孔和3个浅孔钻探，里程范围为DK241+095～DK241+719段.根据补勘结果，下第三系渐新至始新统(E2-3)砂岩地层分布在DK241+504～+594、DK241+694～+784.该段砂岩为弱胶结状，黏粒含量低，胶结物质差，取样本做浸泡水试验，38分钟后呈散砂状.

4 预加固方案

4.1 洞内超前帷幕注浆

采用全断面帷幕注浆对掌子面进行超前加固，注浆设计方案如图2及图3所示.

图2 掌子面注浆开口布置图 图3 注浆孔终孔示意图

4.1.1 注浆参数

注浆范围为隧道开挖轮廓线外5 m，单孔的有效扩散半径为2.0 m，终孔间距不大于3.0 m，钻孔的孔径为φ108 mm.注浆终压为1.5～2 MPa，在注浆前进行压水实验，从而对注浆参数进行修正.

在DK241+784～786的上断面施作2 m厚的C25混凝土止浆墙，止浆墙嵌入围岩大于50 cm.

4.1.2 注浆材料

注浆材料使用水泥浆液，水泥采用425号普通硅酸盐水泥，水泥浆的水灰比为0.5～0.8:1.

4.1.3 施工情况及效果验证

为了验证帷幕注浆的效果，现场先对DK241+786～+756段进行了全断面超前帷幕注浆施工，一个断面共计182个注浆孔，注浆长度25 m，开挖20 m，保留5 m长作为止浆岩盘.

由于掌子面前方的岩质软弱，成孔困难，掌子面拱部的注浆采用前进式注浆，其余部位采用后退式注浆.为了验证帷幕注浆的效果，该试验段设置了6个验证孔以验证注浆效果.其中取芯5孔，孔内成像1孔.

根据取芯的结果，可以发现注浆浆液在地层中形成结石体，将土石粘结起来形成了承载力较好的混合体，施工效果明显.

4.2 地表深孔注浆

由于剩余工程预测存在180 m富水弱胶结粉细砂地层和100 m泥岩夹炭质泥岩，如果仅依靠掌子面超前帷幕注浆作为超前加固的手段，存在安全风险较大和施工工期紧的问题，因此必须采取地表深孔注浆方案超前改良地质和止水.由于该区段隧道埋深达160 m以上，目前国内暂无埋深100 m以上的深孔注浆成功案例，因此将选取试验段开展地表深孔注浆试验.

4.2.1 地表深孔注浆方案

注浆试验段位于DK241+755～+731段，长度约24 m.加固范围为隧道中心线左右各12 m、拱顶开挖轮廓线上8 m、仰拱开挖轮廓线形成的区域(高：20.8 m×宽：24 m).如图4和图5所示.

图4 地表深孔注浆平面布置示意图 图5 地表深孔注浆横断面示意图

(1)地表注浆试验采用刚性袖阀管注浆方案，注浆孔按3 m×3 m梅花形布置.钻孔直径Φ160mm，钻孔深度165～180 m，钻孔垂直度偏差不应大于1.5%；采用套管跟管成孔.

(2)注浆范围安装φ76袖阀管，其余范围安装φ76无缝钢管；节段长暂定3 m,采用丝扣连接.

(3)管壁四周采用套壳料注浆填充密实，套壳料采用水泥:膨润土：水=1:1.6:2；通过注浆芯管、水囊注浆塞、袖阀管等后退式分段注浆；注浆材料：水泥—水玻璃双浆液(W:C=0.8:1～1：1,C:S=1:1)；注浆终压不低于5 MPa.

4.2.2 地表深孔注浆工艺

地表深孔注浆工艺主要可以分为6步，如图6所示：①钻孔；②套管成孔；③袖阀管安装、灌注套壳料、拔套管；④开始注浆；⑤施作第一段注浆；⑥施作第二段注浆.

图6 地表深孔注浆示意图

钻孔的深度达到180 m，孔径φ160，地质以黏土、泥岩、炭质泥岩、弱胶结砂岩、富水弱胶结粉细砂岩为主，钻孔、成孔难度大，施工工效低，加之套管跟进后灌注套壳料后拔出，工艺复杂；正常需要36 h才能完成1孔，施工成本高.且深度大、地质条件复杂，存在套管被埋的风险.

注浆段的刚性袖阀管采用φ76、壁厚6.0 mm无缝钢管加工制作.注浆段设置φ8溢浆孔，每断面均匀布置8个注浆孔，注浆孔断面间距为100 cm，底端15 cm加工成尖锥状.为保证止浆塞顺利安装至孔底，所以钢管采用丝扣连接，底端采用配套锥型堵头封闭.

为了避免安装过程中袖阀管的阀套移动或脱落，在阀套两端焊接钢筋箍，并在管外壁安装4根通长φ10钢筋，防止安管过程碰撞阀套.

袖阀管的管壁四周采用套壳料注浆填充密实，套壳料采用425水泥:膨润土:水=1:1.6:2.

在套壳料灌注完成后，采用地质钻机抽拔钻孔套管.

袖阀管注浆的时间应严格控制在套壳料灌注后3～7 d.注浆顺序原则上为“由下而上、隔孔跳注、先外后内、先下游后上游孔”.

注浆材料以水泥-水玻璃双液浆为主，浆液通过注浆孔，撑开阀套，击穿套壳料，挤密和劈裂不良地质，改良地层和止水.通过注浆芯管连接水囊式止浆塞，采用后退式注浆工艺，通过下入注浆芯管(直径20 mm)和止浆塞实现后退式分层注浆.止浆塞通过手压泵加压至5～6 MPa时，开始注浆，当注浆指标达到技术要求时，停止注浆后退一段，进行下一阶段注浆.同时，刚注过浆的阀套会收缩，紧紧抱住套管防止刚注过的浆液回流到袖阀管中，若注浆效果不好需要重新补注浆时，可在套管的适当位置重新下入注浆塞，进行重注.

按照每段间距1 m分段定位注浆.当孔隙较大，注浆量超过设计注浆量，且压力未满足设计要求时，可采用间歇注浆或调整浆液浓度等措施.注浆终压不低于5 MPa.

4.2.3 注浆效果检查及评定

注浆完成后，通过注浆分析法、P-Q-t曲线法、洞内开挖验证等方法，进行注浆效果评定.本段富水弱胶结粉细砂地层地表注浆加固后，开挖过程中进行局部补强注浆，可以满足开挖要求.

随着掌子面的推进，掌子面里程到达地表注浆试验段时，可以看到岩土体中的浆脉和结石体.浆液通过劈裂和挤密作用提高了粉细砂地层的承载力，同时也把地层中的水隔离开，使得掌子面可以在渗水量较小的情况下开挖.

5 结束语

在玉磨铁路太达村隧道穿越富水粉细砂地层的施工中，通过多种预报手段探明掌子面前方的地质情况.基于探明的地质情况，制定了洞内帷幕注浆试验方案和地表深孔注浆试验方案.克服了埋深大、地质情况复杂等问题，在国内首次完成了深度为180 m的地表注浆.之后通过验证，确定洞内帷幕注浆和地表深孔注浆的加固效果.针对富水粉细砂地层，太达村隧道的超前加固方案能有效地固结松散岩体，降低围岩渗透系数，达到较好的止水堵水效果.并且该方案中的地表深孔注浆能提前组织实施，不影响洞内施工进度，提高了施工进度.