超前导管高压注浆技术在隧道不良地质段塌方处理中的应用

张国荣 古军

（1.西安市太平河渠道管理中心 陕西 西安 710007；2.西安市防汛机动抢险队 陕西 西安 710007）

某大型隧道轴线通过不良地质区域，多次发生不同规模的坍塌，经过仔细分析，最终形成了系统、行之有效的施工措施。现将超前导管高压注浆技术对不良地质缺陷的处理工序要点总结，与同行共享。

1 工程地质概况

1.1 地层岩性

该工程隧道址区出露地层主要为第四系全新统坡积物、滑坡堆积物，崩积物、千枚岩、片岩夹灰岩。

（1）第四系全新统坡积物

分布于隧址区梁顶斜坡位置，为褐黄色～灰色含碎石亚粘土，干燥，硬塑，碎石成份为千枚岩、灰岩，成棱角状，顶部含有草根、树根等。该层主要见于地表，呈不连续的透镜体状，揭露厚度约0～40.1m。

（2）第四系全新统滑坡堆积物

主要分布在隧道出口附近冲沟两侧，以含碎石亚粘土为主，土质不均，碎石成分为千枚岩，棱角状，干燥，硬塑，厚度在10m以上。

（3）第四系崩积物

主要分布于隧道进口端深切沟谷西侧。崩积物为块石、碎石，偶见巨石，成分以石灰岩为主，棱角状，混少量亚粘土。干燥，松散，混杂堆积，厚度10m～20m。

（4）泥盆系片岩千枚岩、灰岩

区内广泛分布，为隧址区主要围岩。主要为浅绿色片岩夹千枚岩、灰岩，呈互层状，鳞片变晶结构。千枚岩～块状构造，表层极易风化，强风化厚度2.3m～40m，风化后呈砂状、碎石状，浅部节理裂隙发育，深部岩石致密坚硬。

（5）志留系千枚岩夹灰岩

区内广泛分布，为隧址区主要围岩。主要为灰绿色千枚岩夹灰岩，呈互层状，倾向以南东为主，局部南西，倾角35°～67°，鳞片变晶结构，千枚状～块状构造，表层极易风化，全～强风化厚度30m左右，风化后呈砂状、碎石状，浅部节理裂隙发育，深部岩石致密坚硬。上与西岔河组千枚岩呈断层接触，下部接触关系不详，总厚度大于3000m。

1.2 区域地质构造

隧址区位于华北地块与扬子地块碰撞挤压区内的褶皱带。区域地质构造主要为白石河—冷水河复式向斜和南羊山区域大断层。白石河—冷水河复式向斜总体呈北西西向展布，其内部发育一系列次级褶皱，隧址区即在南羊山向斜内。南羊山断层在遂址区内向北部呈北西西—南东东向展布，倾向 10°～35°，倾角 70°～80°，隧址区位于南羊山断层下盘。由于受区域构造影响隧址区有一系列断层。

隧洞进口附近南北向、近东西向两组节理较为发育，洞口围岩稳定性较差，对隧道有影响。出口（西）北南两侧有两个滑坡体且规模较大。滑坡距隧道较远，对隧道影响较小。

图1 大管棚注浆示意图

图2 小导管注浆示意图

图3 小导管制作大样

1.3 水文条件

隧道进口为一常年流水的冲沟，地表水位标高360m左右，对隧道地下水起排泄作用。

地下水类型主要为风化基岩裂隙孔隙潜水。实际分析时分别采用了大气降水入渗法、地下径流模数法、泉水流量法三种方法计算，最终取单洞1500m3/d的涌水量考虑，对隧道开挖有一定影响。此外，还应充分考虑进口段灰岩存在的岩溶水及局部沿断层破碎带产生集中涌水的可能。

区域内地表水和地下水对混凝土均无腐蚀性。

2 施工中遭遇的塌方过程

钻爆施工时围岩情况发生突变，褶皱发育、裂隙密布，岩石十分松软，破碎强度极低。出碴完毕（钻爆施工完成约3小时）后在进行危石清理时，进洞方向右侧拱部部分岩石发生失稳，开始剥落，围岩坍塌情况加剧，大量破碎岩块自右侧拱部坠落，（钻爆施工完成约3.5小时）出现大规模沙石齐涌的罕见的严重干流沙灾害，持续0.5小时（钻爆施工完成约4小时）方开始稳定，此时涌落物已将掌子面和塌穴全部堆满，流沙体堆积体体积超过600m3。根据过程观测和流沙体体积换算，初步判断塌穴尺寸为环向约10m，纵向约8m，深度约7m。流沙体揭示为：深灰色强风化小颗粒状和粉末状千枚岩岩屑和碎石土，局部夹杂强风化块状千枚岩，表面质感光滑，质地松脆，强度极低，极易破碎，判断为V～VI级围岩。

3 塌方处理

分析认为：围岩塌方主要是由于岩体失稳所引发，从治本的角度考虑，应加强围岩的自稳能力。通常所采用的方法有：①锚杆法，即利钻机在围岩壁上钻孔安设锚杆对围岩实施加固。②注浆法。将某些水泥或水泥-水玻璃混合液配置成浆液，用压送设备将其灌入土层或岩层中，使浆液在高压作用下沿缝隙扩散，最终实现胶凝固化。③小导管注浆支护。掌子面小导管注浆是沿隧道外轮廓线以一定仰角向掌子面前方打入泄浆孔的小导管，通过注浆来充分填充土体空隙形成一定厚度的结合体。该方法不仅可以达到超前加固围岩和止水的目的，还能起到超前管棚预支护的作用。④大管棚法，即沿开挖轮廓周线钻设与隧道轴线平行的钻孔，而后插入不同直径的钢管（钢管之间留有一定间距）形成钢管棚架的一种支护方法。

管棚超前导管高压注浆是近年发展起来的一种在软弱围岩中进行隧道掘进的新技术。其最早作为隧道施工的一种辅助方法，在软岩隧道施工中穿越破碎带、松散带、软弱地层，涌水、涌砂层发挥了重要作用，具有施工快、安全性高、工期短的优点，被认为是隧道施工中解决冒项的最有效最合理的施工方法。本次隧道塌方处理最后定采用的该技术。在软弱土层中沿着开挖轮廓线和加固轮廓线，按照一定的入射角度，打设一定数量的小导管，用注浆设备把配置好的注浆材料，通过小导管注入到软弱地层里，使注浆材料在软弱地层里向四周迅速扩散和固结，并使小导管和土体固结在一起，起到棚护和加固地层的作用。

（1）施作30mφ89大管棚穿越塌体。管棚分两环施作，搭接长度3m，对塌体进行固结注浆，管棚钢管间距40cm，数量每环31根，浆液采用水泥浆液，配比为水：水泥=1：1，注浆压力2.0MPa，同时喷射砼封闭掌子面。

（2）管棚施工完毕后，在未塌方段立4榀钢拱架作为未塌方段和塌方段的过渡加强段，同时等待掌子面喷射砼上升强度。钢拱采用I16钢拱架，间距0.75m/榀，拱部每榀钢拱架拱脚设8根Φ50锁脚小钢管，角度-45°，钢管长3m内部充填水泥砂浆以增加刚度。系统锚杆采用φ22早强砂浆锚杆，L=400cm，@=100×75cm，拱墙布设；全断面布设φ8mm×20mm×20mm钢筋网，喷射混凝土厚22cm。

（3）初期支护穿越塌方段后，在塌方部位施作2根7mΦ200混凝土输送管，穿越本部初期支护进入塌腔，泵送C25混凝土回填塌穴空腔。

（4）因陷穴部位堆积流砂体松软自承力低，为避免隧道施工后收敛过大，留下质量隐患，因此对隧道全断面围岩进行固结注浆处理，增强围岩自承力。注浆钢管采用5.0mΦ50钢管，环向间距60cm，径向间距60cm。注浆液采用水泥浆液，配比采用水：水泥 =0.4：1。

（5）将原设计III变更为V级围岩进行施工，衬砌采用重新设计，同时调整部分支护参数。

4 结论

隧道塌方的原因复杂，形式多样，处理方法也各异，实际处理中，应根据塌方的位置、大小、施工复杂程序与难度具体对待。本次隧道工程通过不良地质区段时启动超前导管高压注浆技术施工工序，使岩层提前固结从而形成整体强度，有效地减少了经济损失，保证施工安全，达到了预期的施工效果。陕西水利