杨成忠,杨 鹏,王 威,王淑芳

(华东交通大学土木建筑学院,江西 南昌 330000)

软岩隧道洞口段常面临有浅埋、偏压、富水等不利于围岩稳定的因素,隧道施工过程中围岩会多次受到扰动,围岩及支护结构的力学行为变得复杂,这对隧道稳定特别是对红层软岩隧道高破碎程度围岩的稳定带来了不确定性风险,如果施工和设计处理不当,隧道围岩和衬砌会经常出现大变形和渗漏水问题。因此对于实际工程,采取有效的注浆和支护等措施来加固围岩、堵水和防渗,是保证隧道稳定和施工安全的关键。对于隧道的注浆加固,许多专家学者做了大量的研究,这些研究主要集中在注浆施工技术[1～3]和理论分析确定注浆的相关参数上[4～5],杨赛舟等[6]和华福才等[7]的研究主要侧重于理论分析和数值模拟,研究了注浆圈相关参数的改变对隧道涌水和内部水压力的影响。此外,一些学者针对注浆试验也展开了相关研究[8～9]。目前的研究很少通过有效的现场监测数据来评价注浆的效果[10～11]。张成平等[12]依据地质预报结果,分析确定了合理的注浆参数,通过监测数据评价了注浆效果。王迪等[13]依据理论公式确定了加固圈厚度,在考虑施工爆破的基础上,确定了最佳的注浆加固方案,此外通过现场揭露观察,对比了注浆前后掌子面和围岩情况,并对注浆的效果进行了评价。这些研究涉及到了通过现场数据来对注浆效果的评价,但对于具体的工程,研究并不完善。

本文针对江西某分离式隧道进口段复杂工程地质特性,在考虑施工条件、工程重难点和工程实际的基础上,确定以开挖前的小导管预注浆和开挖后的全断面径向注浆为主的注浆堵水加固方案,依据第四强度理论和经验公式确定了相关的注浆参数,通过采用现场观察法和地质雷达对比法,同时结合现场的监控量测数据对注浆的质量和效果进行综合的评判。研究结果可以为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

隧道为分离式隧道,隧道长度为445 m。进口段属浅埋偏压地段,地下水发育,自然坡角25°～35°,进口地质结构层0～1.20 m为软塑—硬塑状粉质黏土,1.20～6.00 m为全风化泥质砂岩,硬塑状,6.00～14.00 m为强风化砂岩,14.00 m以下为中风化砂岩。隧址区域的构造结构面为线性褶皱和断裂带,褶皱轴部走向东西,倾向南东,多以倒转形态呈现,倾角较陡；断裂为主,总体走向30°～50°,以压性为主,压扭性、张性次之,断裂倾向南东。隧道围岩体主要为青白口系泥质砂岩,风化裂隙发育,岩体破碎,岩性软,呈红褐色(图1)。隧道穿越段埋藏深度较大,岩体完整性差异较大,施工时围岩稳定性较差。隧址区雨量充沛,多年年平均降水量1 980.9 mm,最大年降水量2 898.2 mm,降雨量主要集中于3～8月份,约占全年雨量的74%,隧道施工时,正值6月,隧道受地下水影响大。

图1 隧道右线地质纵断面Fig.1 Geological profile of tunnel right line

2 方案设计

该隧道进口段的围岩强度低,在地下水的渗流作用下,洞口围岩在隧道开挖之后变形迅速,拱顶沉降和周边位移量比较大,钻探施工对隧道围岩和衬砌的稳定性非常不利,而对高破碎程度围岩的稳定更加不利。因此,采取注浆加固的措施来加固围岩、堵水和防渗。在考虑施工条件、工程重难点和工程实际的基础上,确定以开挖前的小导管预注浆和开挖后的全断面径向注浆为主的注浆堵水加固方案,并结合锚喷和钢筋网片加固围岩。

2.1 注浆参数的确定

工程上确定注浆加固范围主要依靠规范和工程经验,注浆厚度的确定需要对围岩强度等级、隧址区的地质情况、地层承载力、工程实际、工期及成本等综合考虑。依据现场的相关情况,在结合经验公式的基础上确定超前小导管预注浆[14]和全断面径向注浆的厚度。

B=(2～3D)

(1)

B1=(B-D)/2

(2)

式中：B——小导管预注浆的范围/m；

B1——小导管预注浆的厚度/m；

D——隧道开挖直径/m。

径向注浆加固圈的厚度可依据第四强度理论计算确定,将隧道看成厚壁圆筒进行简化计算,理论公式为[15]：

(3)

式中：B2——径向注浆加固圈厚度/m；

σ——围岩加固体允许抗压强度/MPa；

PW——围岩最大静水压力/MPa。

依据地下水平衡理论和相关经验公式,确定地下水平衡时所需的注浆体渗透系数[16]：

(4)

式中：H——水位至隧道底部的高度；

r0——隧道的半径；

h——含水体部分的厚度；

W——隧址区的年平均降雨量；

H′——隧址区地表径流深度；

E——隧址区的年地表蒸发量；

F——隧址区的地表水流域面积；

k——安全系数,取2.5。

根据以上经验公式并结合工程资料和隧道施工情况,确定出设计注浆加固圈的相关系数,见表1。

表1 注浆参数Table 1 Grouting parameters

2.2 注浆材料的选择

隧道洞口工程段为不良的地质段,易发生围岩和支护大变形、渗涌水等情况。因此,注浆加固是防止出现工程问题的关键,而注浆材料的选择又是注浆工序的重点。工程上对注浆材料的选择主要考虑经济成本、浆液的可行程度、施工的难易程度等。结合以往工程注浆堵水经验、现场试验及上述理论分析的结果,确定此次注浆以水泥—水玻璃双浆液为主。隧道在注浆施工过程中,浆液的初凝时间需要长一点，而终凝时间短一点,这样有利于浆液的扩散和施工操作,同时较短的终凝时间不会造成浆液的浪费。依据实验室结果,当W∶C=0.8∶1、C∶S=1∶0.5时,水泥—水玻璃1 d的强度为4.5 MPa,28 d强度为8.9 MPa,同时它的初凝时间为19.4 s,终凝时间为36.8 s。该种材料的配比较合适工程实际,为此选择此种配比作为该隧道的注浆配比。

2.3 超前预注浆

超前小导管预注浆对进口段拱顶位置的破碎围岩起到稳定抗渗的作用,可以降低地下水渗流造成的围岩强度损失。小导管采用φ42,长度为7.5 m,轴向×环向为1.5 m×0.4 m,外插角为10°,水泥—水玻璃注浆液配比为W∶C=0.8∶1、C∶S=1∶0.5,注浆速度为8～15 L/min,注浆压力为1.5 MPa。小导管环向布置和轴向布置见图2,注浆参数见表2。

图2 小导管预注浆布置Fig.2 Small catheter pre-grouting arrangement

表2 小导管注浆参数Table 2 Small catheter grouting parameters

2.4 径向注浆

在钻孔和爆破施工过程中围岩扰动比较大,开挖区域周围的围岩产生较多裂隙。全断面的径向注浆对于修复裂隙、提高围岩强度、减小围岩松动圈的厚度、降低围岩和支护的收敛位移等非常有利。此次全断面径向注浆选用中空锚杆φ25,长度为4.5 m,环向×轴向为1.2 m×0.7 m。中空锚杆的布置方向垂直于隧道开挖轮廓线,水泥—水玻璃注浆液配比为W∶C=0.8∶1、C∶S=1∶0.5,注浆速度为10～30 L/min,注浆压力为3 MPa。径向注浆设计图见图3,注浆参数见表3。

为了让先注入的浆液对后注入的浆液起到约束挤压作用,施工采用的方法是先从拱脚处注浆,而后往上注浆。

图3 径向注浆设计图Fig.3 Radial grouting design

表3 径向注浆参数Table 3 Radial grouting parameters

3 效果评价

采用现场观察法和地质雷达对比法,同时结合现场的监控量测数据对注浆的质量和效果进行综合评判。

3.1 揭露面观察法

在隧道开挖前实施超前的小导管预注浆后,掌子面开挖过程中渗流水状况明显减弱,由流线状变为偶尔的滴冒水,部分区域仅表现为潮湿,掌子面上方的岩石掉块现象基本没有。开挖后的现场情况表明,预注浆提高了加固区的围岩强度,限制了围岩变形和遇水的强度损失,同时减小了围岩的渗透系数,阻碍了地下水的渗透流动。

在隧道开挖后,对已开挖区实施全断面的径向注浆,经现场察看,部分区域的围岩裂隙有浆液扩散,在充分注浆的前提下,表明浆液对裂隙进行了充分的填充；隧道边墙较为干燥,拱顶、拱肩等位置由注浆前的滴漏水变为潮湿或者干燥,隧道开挖后的围岩整体没有出现较大变形,这表明全断面的径向注浆在衬砌外部形成了较为稳定的注浆圈,承担了部分外荷载提高了围岩的强度,同时减小了围岩的渗透系数,起到了很好的防水堵水作用。

3.2 地质雷达法

地质雷达具有精度高和效率好的特点，且不会对围岩产生破坏和扰动,因此工程上经常使用地质雷达对注浆质量进行检测。地质雷达是通过发射天线对物体发射一种窄频脉冲电磁波,利用电磁波在不同地下介质的传播特性来探察不同介质分界面的结构、电性和空间位置。结合现场实际和工程经验,数据的采集选用MALA/GPR第三代数字式主机(ProEx)系统和500 MHz天线频率。

地质雷达对全断面径向注浆的探测范围为距离洞口30～48 m,共18 m,现场探测位置见图4,在两边墙和拱顶位置各布置1条测线。注浆前后的探测结果如图5所示。

图4 现场监测断面Fig.4 Field monitoring section

从图5a可以看出,左边墙在径向注浆前有地下水发育、部分围岩松动范围较大等特征,0～0.9 m和15～18 m内径向围岩较为破碎且含水比较多,在0～3 m内围岩地下水较其他位置明显更多。

从图5b可以看出,0～0.9 m和15～18 m内径向围岩在注浆后围岩完整性明显较好,含水量也较低,在0～3 m内围岩的结构面和裂隙被浆液很好地填充。整体上,注浆后围岩松动圈得到限制、地下水含量降低,表明注浆的效果良好。

从图5c可以看出,右边墙在径向注浆前有地下水发育、部分围岩松动范围较大等特征,0～1.6 m径向和15～18 m轴向围岩较为破碎且含水比较多,在0～3 m内围岩地下水较其他位置明显更多。

从图5d可以看出,0～1.6 m和0～3 m内径向围岩在注浆后围岩完整性明显较好,含水量也较低,15～18 m内轴向围岩的地下水反射信号较少,表明含水量降低了,同时破碎围岩也得到加固。注浆前后的雷达图像变化,反映出在整体上,右边墙得到很好的加固,在局部薄弱位置围岩变形稳定,加固圈的作用明显。

从图5e可以看出,拱顶在径向注浆前0～0.8 m和0～3 m内径向围岩都比较破碎且含水量较高,在20～22 m内轴向围岩明显比其他位置区域的完整性差,这表明对该位置的注浆加固非常有必要。

从图5f可以看出,0～0.8 m和0～3 m径向围岩在注浆后围岩的含水量下降了，但仍然比较多,围岩的结构面和裂隙填充度不高,围岩完整性提高的较少,该区域的围岩强度有待加强,相比下在20～22 m内轴向围岩得到了很好的加固,围岩完整性好。

图5 不同部位雷达探测图像Fig.5 Radar image of different parts

通过对拱顶注浆前后雷达图像的对比分析,发现拱顶的注浆效果较左边墙明显降低,在整体上拱顶围岩得到了加固,但部分区域位置的注浆效果不理想。考虑到各个注浆位置的施工方法一致,问题产生的可能原因是：拱顶在注浆过程中,工人需要从下往上进行注浆,这样易出现注浆位置上的偏差导致跑浆和裂隙填充度较低；径向注浆的注浆压力并没有适当的提高,由于重力的作用,造成渗透路径短,从而导致裂隙填充度低。

依据地质雷达探测的结果,进口段30～48 m内的围岩整体注浆效果较好,围岩结构面和裂隙得到很好的填充,注浆提高了围岩完整性,降低了地下水的含量。同时探测发现,右边墙一侧的围岩破碎程度和松动圈范围较左边墙的大,易出现变形和开挖时的岩体掉块,因此需要及时采取加固和支护。此外,拱顶局部区域的注浆效果不理想,建议在开挖过后,应尽快喷锚支护形成封闭圈抑制拱顶围岩松动圈发展和拱顶沉降。

3.3 现场监测

现场监测可以了解围岩和衬砌在开挖后内力和变形随时间的变化情况,有利于掌握围岩和衬砌的受力特征和变形的内在规律。依据现场实际情况,选取的监测项目为拱顶沉降和洞周水平收敛,监测断面见图4,图6为左洞不同部位监测结果曲线。

由图6可以看出,在开挖后10 d以内左洞拱顶沉降呈线性的增加,在20 d左右,沉降位移趋于收敛,三段的沉降速率在前20 d有降有升,但整体的趋势是下降的，并在20 d后趋于0。A断面最终的收敛位移为50 mm左右,而B和C断面的收敛位移分别为40 mm和38 mm,这说明三段的注浆效果存在一点差异,但整体上注浆保证了拱顶的围岩稳定。

由图6还可以看出,左洞水平位移同拱顶类似,收敛位移在20 d后收敛稳定,收敛速度也在20 d后趋于0,同时A断面的水平位移最终为45 mm,B和C断面分别为30 mm和32 mm。进一步分析得出,注浆开挖后左洞围岩在10 d以内变形增长迅速,变形速率的变化呈振荡减小,在20 d以后围岩变形收敛稳定,说明左洞的注浆效果较好,浆液加固了围岩,限制了围岩松动圈的发展。

由图7可以看出,右洞的拱顶位移和周边收敛随时间变化情况同左洞的类似,都在前10 d呈线性增加,20 d左右趋于收敛,右洞A段拱顶沉降和周边收敛位移最终分别为38 mm和26 mm,这比左洞的A段相比减少了24%和42.2%,B段的拱顶和洞周最终收敛位移分别为34 mm和28 mm,相比左洞B段减少15%和6.67%,C段情况和B段类似，相应减少7.9%和6.25%。整体上注浆对左、右洞的围岩变形都起到了很好的限制作用,左洞的变形位移比右洞大,建议施工加强对左洞围岩的支护和监测并及时施加二衬。

图6 左洞不同部位位移监测情况Fig.6 Displacement monitoring of different parts of the left tunnel

图7 右洞不同部位位移监测情况Fig.7 Horizontal displacement monitoring of different parts of the right tunnel

4 结论

(1)注浆在衬砌外部形成了较为稳定的注浆圈,降低了围岩的遇水软化程度，提高了围岩的强度,同时减小了围岩的渗透系数,起到了很好的防水堵水作用。

(2)高破碎围岩注浆后地下水的反射信号较少,局部薄弱位置围岩完整性得到提高,注浆效果良好,但在拱顶的部分位置注浆效果欠佳,建议适当提高该位置的注浆压力,改善注浆工艺。

(3)隧道注浆开挖后围岩变形一开始增长迅速,变形速率的变化呈振荡减小,最终围岩变形收敛稳定,注浆效果较好,限制了围岩松动圈的发展。

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