浅埋大断面隧道黄土地层注浆预加固技术应用

朱丽刚

（中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 063030）

湿陷性黄土的渗水性和压缩性较强， 一旦遇水浸湿后， 土质围岩坚硬程度急剧减降低， 土体易出现变形、坍陷和渗漏等病害［1］。 在我国西北地区建设的公路或铁路隧道不可避免穿越黄土软弱围岩富水区域，当浅埋大断面隧道防渗水效果较差时， 如果大量的地表水和地下水通过隧道周边围岩缝隙和孔隙等通道流入或渗入隧道，会对隧道结构安全造成威胁。

为防止浅埋地段大断面黄土公路隧道地表沉降及围岩变形，施工中大多选择双侧壁导坑法、交叉中隔墙法、三台阶预留核心土工法等施工方法，并结合帷幕注浆、超前小导管注浆、隧道环向注浆等方法［2］抑制隧道围岩拱顶出现较大不规则沉降，防止隧道出现水平方向的较大位移，但这些方法不能有效规避地表沉降［3-5］。 目前研究人员大多选取软弱围岩中小断面隧道进行地表注浆分析，对长距离湿陷性黄土大断面浅埋隧道地表垂直预注浆加固技术研究较少。

本文以国道G309 线炸山嘴隧道工程为背景，采用MIDAS GTS 软件研究采用地表垂直预注浆加固技术前后湿陷性黄土大断面浅埋隧道的拱顶位移、 塑性区和地层渗流速度的变化， 以验证地表垂直预注浆加固技术的可靠性和安全性。

1 工程概况

国道G309 线固原至西吉公路炸山嘴隧道位于宁夏西吉县，海拔超过2 011 m。设计为双线公路隧道。左线隧道起止里程是ZK23+533.91—ZK24+817.29，总长约1 283.38 m； 右线隧道起止里程是YK23+052.11—YK24+801.12，总长约1 749.01 m。拱顶埋深较浅，局部拱顶埋深不超过15 m，最浅埋处仅为10 m。 围岩等级为Ⅴ级，开挖宽度为12.3 m，高度为9 m，断面面积约为120 m2。

隧道所在的六盘山山脉呈南北走向，东南方向地势较低缓，西北方向较陡峭，山脊高程为2 011～2 215 m。隧道两端出口区域的地势较低， 隧道中间区域地势较高。 勘测后发现隧道所处区域的地质岩土层大多为冲洪积岩土层、风积黄土层、泥岩层、细砂质泥土岩层、砂砾岩层及泥砂岩层，结构较松散，渗透性较强，孔隙率较大，软弱基岩中裂隙水、地表水和地下水的渗流作用明显。

每年1~5 月和10~12 月， 隧道进口左侧有部分地表水顺着围岩裂隙和孔隙渗透涌出， 涌水量约为3.1～5.2 m3/d，每年6~9 月地表水常在地表冲沟处汇集成季节性溪流。

2 隧道地表垂直预注浆加固范围及三维有限元模拟分析

2.1 预注浆加固区间范围

隧道Y23+091—121、Y23+272—309 和Y23+413—438 区间地质情况基本相同， 如图1 和图2 所示采用地表垂直预注浆加固技术，在隧道中轴线两侧各11 m覆盖范围内布设注浆区； 预注浆加固时与隧道掘进外轮廓线保持距离约为0.5 m； 在垂直于隧道中轴线的横向区域， 确保隧道边墙外侧预注浆加固范围与边墙最外侧轮廓线有0.5 m 的覆盖区域，确保仰拱底以下0.3 m、拱顶以上0.8 m 区域内注浆覆盖。

图1 预注浆加固横断面布置图

图2 地表垂直预注浆加固俯视图

2.2 模型构建及关键参数

采用MIDAS GTS 软件构建隧道Y23+413—438 区间的三维有限元模型（图3 和图4），按工程项目实际结构设计隧道区间断面（埋深10~15 m，长25 m，宽60 m）。模型顶部水平地表面为自由面， 垂直面为侧面约束方式，底部边界为固定约束方式。 根据炸山嘴隧道的地质勘测情况，围岩的关键参数见表1。

表1 围岩的关键参数

图3 注浆加固隧道三维有限元模型

图4 未注浆加固隧道三维有限元模型

2.3 数值计算结果分析

隧道内掘进作业时， 地表垂直预注浆加固前、后拱顶沉降云图如图5 和图6 所示。 由图5和图6 可知，在没有进行注浆加固的情况下，隧道拱顶最大沉降值是41.8 mm； 进行注浆加固以后，隧道拱顶最大沉降值为 22.5 mm。地表垂直预注浆加固对隧道开挖导致的变形得到明显控制。

图5 地表垂直预注浆加固前隧道拱顶沉降云图

图6 地表垂直预注浆加固后隧道拱顶沉降云图

2.4 地层中流速分析

采用MIDAS GTS 软件计算隧道地表垂直预注浆加固前、后的地层渗流速度如图7 和图8 所示。

图7 预注浆加固前地层渗流速度

图8 预注浆加固后地层渗流速度

由图7 和图8 可知： 预注加固前隧道周边的地表水和地下水的渗透水头逐渐减小， 预注浆加固后地表水和地下水的渗流速度明显减小， 有效抑制了大涌水现象的出现； 证明隧道地表垂直预注浆加固的止水作用效果较好。

3 地表垂直预注浆加固施工工艺

隧道地表垂直预注浆加固施工流程如图9 所示。

图9 隧道地表垂直预注浆加固施工流程

1）孔位测放。施工现场完成“三通一平”作业后，依据施工方案和设计要求， 技术人员标注需要预注浆加固的孔位。 预注浆加固孔纵横间距为2 m，采用梅花形布置形式。

2）钻孔。 根据标注的预注浆加固孔位，选取地质钻机垂直对准地面上的预注浆加固孔位钻孔，要求钻孔垂直度误差小于1/150，钻孔孔位水平误差小于50 mm。

3）安装注浆管和止浆阀。钻孔结束后，将钻杆垂直退出，朝下放置外直径为90 mm 的无缝钢管，一直到钻孔底部位置， 再放置外直径为50 mm、 壁厚为2.8 mm 的PVC 注浆花管，PVC 注浆花管尾部的预留止浆段长2 m，PVC 注浆花管上设置的注浆孔间距为0.25 m，注浆孔的直径为6 mm。

4） 注浆。采用地表定向大口径深孔注浆技术［6］，注浆工序如图10 所示。 注浆作业时，遵循先外部注浆后内部注浆、间隔跳孔注浆的要求逐步施作，在施工区外部区域完成注浆孔注浆，完成外部约束圈后，再从外向内、不连续地跳孔注浆施工。

图10 地表定向大口径深孔注浆工序

5） 结束注浆标准。当单孔单段注浆压力满足设计终压4~6 MPa，且可维持5~10 min 时，停止对此孔注浆，若实际注浆量为原设计注浆量的1.5 倍，注浆压力不符合设计的最终压力，应马上调节浆液凝结时间。如果注浆压力满足最终压力，结束注浆操作。如果所有注浆孔都符合单孔注浆要求，且未出现漏注，则完成全部注浆作业。

4 注浆效果分析

4.1 地表沉降

注浆后， 在施工现场依据工程测量规范（GB/T5026—2007）、 公路隧道施工监控量测技术规程（DB13/T 5153—2019），采用南方DL-201 电子水准仪进行沉降监测。施测方法为：对监测点和基点展开水准联测，从而得出测量时刻监测点与基点之间高差，对比两相检测周期的高差就能够知晓地表进行垂直预注浆前后工况一致、隧道不同断面的地表不均匀沉降情况，具体沉降的变化曲线如图11 和图12 所示。

图12 地表垂直预注浆加固后隧道不同断面的地表沉降曲线

由图11 和12 可知：采用地表垂直预注浆加固前，在隧道掘进时，地表沉降较大，经4 d 监测，隧道中线位置的地表累计沉降为108 mm， 距隧道中线8 m，地表累计沉降为59 mm；继续掘进作业，地表沉降继续增大，第19 d 地表基本不再沉降，距隧道中线8 m，地表位置累计沉降为133 mm， 隧道中线的地表累计沉降为206 mm。 要求隧道掘进后的地表沉降一般为100 ~200 mm， 未注浆的隧道地表沉降超出了规范要求，须采取注浆等措施严格控制隧道上方的地表沉降， 避免地表产生较大裂缝或塌陷等灾害。地表垂直预注浆后，隧道上部的地表沉降显著减小，第16 d 地表基本不再沉降，隧道中线的地表累计沉降为101 mm，满足要求。

4.4 围岩物理力学参数变化

对注浆前后地表垂直预注浆加固区域内的隧道相邻断面围岩取样，进行室内土工试验，得到隧道地表垂直预注浆前、 后相邻断面周边围岩物理力学参数的变化，如表2 所示。

表2 隧道地表注浆前、后相邻断面围岩力学参数的变化

由表2 可知：通过地表垂直预注浆加固后，隧道周围岩石的平均含水率由18.1%降至15.9%，平均密度、压缩模量、黏聚力和内摩擦角等略有增加；证明采用地表垂直预注浆加固技术可以提高围岩自身的密实度，围岩整体完整性增大， 提高了隧道围岩的阻水性和稳定性。

5 结束语

以炸山嘴隧道工程为背景， 针对浅埋湿陷性大断面黄土隧道在穿越富水区域施工过程中不易控制地表沉降、隧道稳定性差、不易成拱、渗水严重等施工难题，采用Midas GTS 软件建模并进行数值分析和施工现场沉降监测。研究结果表明，浅埋湿陷性大断面黄土隧道地表采取垂直预注浆加固工艺后， 可以在一定程度上抑制地表沉降，避免出现地表裂缝、坍陷、涌水和塌方等风险和病害。隧道围岩物理力学参数显著趋好，提高了围岩自身的密实度和坚硬程度， 极大提升了隧道结构的阻水性与整体稳定性，确保了隧道掘进安全。

抑制浅埋地段大断面黄土隧道地表沉降及防止围岩变形的技术工序较繁琐， 下一步研究可优化施工工序，进行理论分析和试验论证，在确保施工质量和作业安全的前提下，提高施工效率和经济效益。