水下隧道破碎带地层注浆参数确定方法研究

李 敏 郑清君

0 引言

随着经济和社会的发展，我国水下隧道工程越来越多，破碎带地层、地质复杂是钻爆法隧道施工技术发展的方向，而施工中注浆技术关系到整个工程的成败，特别是在水下破碎地层中钻爆法隧道施工，给予了我们更严峻的挑战。

关于水下隧道复杂地质条件下注浆技术，文献[1］～[4］进行了分析研究，本文针对水下隧道破碎带地层主要注浆参数确定方法进行了研究。

1 注浆主要参数

注浆主要参数包括注浆加固范围、注浆压力、浆液扩散半径、注浆孔终孔间距、注浆量和注浆速度。

2 注浆加固范围

确定注浆加固范围主要考虑两方面:注浆后加固圈的承载力和抗渗性要求。若加固范围过小，承载力或抗渗性达不到设计要求或预期效果，一般都会影响开挖施工，并造成渗漏水，严重时危及施工及环境安全;若加固范围过大，又浪费材料、增加投资、延长工期，故合理确定隧道注浆加固范围十分重要，其确定方法主要通过计算并结合有关经验来确定，一般而言要求注浆后围岩的承载力达到200 kPa以上，渗透系数小于10-4cm/s。

注浆加固圈厚度的确定方法主要有以下4类。

2.1 工程类比法

据我国水电部门的资料统计，加固注浆厚度一般为0.5倍～2.0倍隧洞半径;我国煤炭部门巷道注浆加固厚度为2m～3m。前苏联在巷道注浆加固带的厚度取3m～5m。

根据山岭隧道和海底、水下隧道的施工经验，假设隧道直径为D，在一般富水的节理、裂隙地层，注浆加固范围为隧道开挖轮廓线外(0.5～1.0)D;在高压富水地区和岩溶特别发育地区，注浆加固范围为隧道开挖轮廓线外(1.0～2.0)D;日本青函隧道注浆时考虑到海底涌水的危险及地层的不良原因，注浆加固范围设计为隧道开挖轮廓线外(0.5～1.0)D，厦门翔安海底隧道主洞注浆加固范围设计为隧道开挖轮廓线外(0.6～0.8)D。

随着注浆新材料的不断开发及性能的改进，注浆技术不断取得进步，注浆质量也不断提高，现在超前预注浆和径向注浆加固范围都有缩小的趋势，考虑到水底隧道地质条件、施工难度及工程成本，侧重于安全考虑，水下隧道超前预注浆加固范围取开挖轮廓线外(0.5 ～1.0)D。

2.2 通过围岩松动圈大小确定

对裂隙岩体中的圆形横断面隧道，注浆加固圈厚度根据围岩松动圈厚度确定。围岩松动圈的厚度通过多点位移计测得，也可用声波测试仪测得;若无以上两种资料，可按修正的芬纳式进行计算。

其中，Rp为塑性区半径;a为隧洞半径;c，φ分别为围岩的粘聚力和内摩擦角;p为围岩应力;pb为支护抗力。

在松动圈内注浆会形成一个外壳支护层而具有较大的承载能力，支护层—岩体共同作用，改变加固圈的半径可使加固岩石环的承载力不小于作用于外壳上的压力，见式(1)。

其中，RG为注浆加固边界的半径;a为隧洞半径;σG为注浆加固岩石的强度;qG为加固岩石环的承载力。

2.3 通过力学分析确定

采用厚壁圆桶的弹性力学析解方法进行检算，将隧道看成厚墙圆桶，其外部作用有水压力P1和土压力P2，隧道半径为r0，注浆加固圈半径为r1，水压力和土压力均匀作用于注浆加固圈周围，忽略重力影响，按厚壁圆桶的弹性力学轴对称问题进行分析，距离隧道圆心某一距离处的r处的应力表达式如下:

其中，P为外荷载;r0为隧道半径;r1为注浆加固圈半径;σr为径向应力;σφ为切向应力;τrφ为剪应力。

假定注浆加固圈半径，计算出 σr，σφ，σrφ，通过室内和现场试验，测试出注浆加固体的物理和力学指标，再通过强度理论或变形理论检验注浆加固体厚度是否满足要求。

2.4 通过隧道允许的渗水量估算

估算隧道注浆后的渗漏水量采用式(5)。

其中，Q为隧道每秒的渗漏水量，m3/s，m;Ki为注浆圈的渗透系数，m/s;K为注浆区外岩体的渗透系数，m/s;h为水头高度或隧道埋深，m;R为隧道半径，m;t为注浆圈厚度，m;ζ为与隧道周边压力降有关的表面系数，从-4～9变化，一般取2～7。

3 注浆压力

注浆压力充当浆液在地层裂隙中扩散、充填、压实脱水的动能，是注浆设计和施工中主要注浆参数之一，对提高注浆质量和保证注浆效果起较大的影响作用。

若选择的注浆压力过小，则浆液不能充满地层缝隙和进行有效扩散，达不到加固岩层和阻断地下水的效果，轻则会造成开挖后渗漏水，达不到限制排放和封堵的标准，增加后期处理费用;重则会危及施工安全，酿成施工事故。

若选择的注浆压力过大，则容易导致地层缝隙扩大或增加，增大浆液扩散范围，造成材料浪费，同时还可能因注浆击穿水底覆盖岩而造成新的危害。因此水下隧道注浆压力选择研究的主要目的是保证浆液有效扩散堵水和加固地层，同时防止注浆击穿海底覆盖层而造成新的危害。

注浆压力主要和隧道埋深、水压力及地层岩性、结构和构造、注浆材料等因素有关，一般根据经验和室内试验选用，并经过现场试验确定。对于可注性差、水压力高、节理裂隙不发育、空隙率小的地层，注浆压力应选大值，扩散半径应选小值;对于可注性好、水压力小、节理裂隙发育、空隙率大的地层，注浆压力应选小值，扩散半径应选大值。

目前隧道与地下工程注浆施工中，注浆压力的选择通常有现场试验、工程类比法、经验公式法和数值模拟法等，采用经验公式确定注浆压力的方法主要有以下几种:

1)以静水压力为依据，一般情况注浆终压为静水压力的3倍或略大于3倍，而日本青函海底隧道按公式p=(2～4)MPa+p0计算注浆终压，其中，p0为静水压力，MPa。

2)以静力平衡条件确定，常用于地面预注浆和大坝基岩注浆中压力的确定，经验公式如下:

其中，p为注浆压力，105Pa;γ为岩石密度，g/cm3;D为注浆段止浆岩盘厚度，m;K为系数，一般为1～5。

4 浆液扩散半径

根据现有理论公式，对于牛顿流体和宾汉姆流体型的两种浆液，在设计注浆压力为3mPa～4mPa、注浆孔半径为5cm和注浆时间为1 800 s～3 600 s时，浆液的扩散半径为2m～3m。

根据注浆压力在裂隙内衰减数值分析表明，在注浆压力3mPa～4mPa下，浆液可扩散至3m～4m的距离，而在多裂隙条件下，可扩散至2m～3m的距离。

对多个隧道进行试验表明，浆液的扩散距离和钻孔所揭穿的裂隙开度、裂隙稠密度、裂隙迂曲度等有关，当裂隙发育时，浆液扩散距离较远，基本上都能达到2m，个别孔浆液甚至能扩散到3m～4m的地方。

通过以上分析可以确定，在设计压力下，根据地质情况，浆液扩散半径可取2m～3m。

第三、银器“收惊”习俗。收惊，属于道教仪式之一，儒教、斋教或佛教亦有相近仪式。90年代左右，收惊仍散见于闽东乡村之中，已成为民间传统疗法之一，民间还流传着《收惊文》、《收惊咒》等。明中后期以来，闽东白银矿区左近部分收惊需借助于银器。主要作法如下：第一、小孩收惊之法。夜晚，用清水煮熟鲜鸡蛋，刨成两块，将蛋黄挖出，然后将一枚银戒子置于蛋黄处绑于受惊孩子肚脐眼处，可以起到“收惊”之效。第二、大人收惊之法。到市场上买一个猪心，洗净；选择7口井，每口井取水若干，称为“七星井水”；把银镯子套在猪心之上，用“七星井水”炖吃，可起到收惊之效。如果用“秽银”的戒子和镯子则收惊的效果更佳。

图1 注浆孔布置方式图

5 注浆孔终孔间距及布置

5.1 按行排列布置

当采用按行排列方式时，为满足要求，至少使A1=2A2，A1为矩形ABCD的面积，A2为矩形ABCD内各注浆孔的注浆扩散面积，见图1，有，R为每一注浆孔的扩散半径，其大小与岩体的破碎程度、渗透系数、浆液的粘度、可注性和注浆压力等因素有关。

根据模拟和试验，R=2m～4m。设孔间距为d，则A1=2Rd，故有，此时

5.2 按等边三角形布置

5.3 注浆孔终孔间距

据注浆加固交圈理论，注浆后应能形成严密的注浆帷幕。在注浆终孔断面上，根据注浆扩散半径进行注浆设计时，不应有注浆盲区存在，同时注浆孔尽量均匀布置，并且有利于钻孔，这样，在进行注浆设计时，多排孔的情况下，一般按梅花形布孔，以获得较佳的注浆加固体厚度，减少注浆盲区。

根据计算，注浆孔按排方式时，注浆孔间距为2.36m～4.71m;注浆孔按等边三角形布置时，注浆间距为3.54m～5.31m，实际应用时可根据地层情况，进行分区布置，提高针对性。由于扩散半径仅是作为注浆设计时的概念参数，对于裂隙岩体注浆，设计时可按扩散半径设置终孔位置，而施工可按探水注浆模式实施，即在压注过程中，如果一环的钻孔完成后，按照注浆标准不需要压注的孔(涌水量在0.2 L/min/m以下)连续出现，则其间的奇数孔(偶数孔)可以省略，不需钻孔。

6 注浆量及注浆速度

6.1 破碎带核心部位

破碎带核心部位以挤密和劈裂注浆为主，主要包括挤密注浆量和劈裂注浆量，在劈裂注浆过程中，将长度、宽度、高度相近的浆脉称为同一级浆脉，单孔单段的注浆量计算公式如下:

其中，Q为单孔单段注浆量，m3;r1为注浆孔扩大后半径，m;L为注浆段，m;β为浆液损失率，一般取0.1～0.2;α为浆液填充率，与挤密区形状有关，一般取0.8～1.0;n，m分别为一级浆脉、二级浆脉的条数;Bi，Bj分别为一级、二级浆脉的宽度;Hi，Hj分别为一级、二级浆脉的高度;Li，Lj分别为一级、二级浆脉的长度;δi，ξj分别为一级、二级浆脉的形状系数，一般取0.9～1.1。

6.2 裂隙发育段

裂隙发育段注浆以渗透填充注浆为主，注浆量主要与岩层的空隙率有关，其单孔单段注浆量如下:

其中，Q为单孔单段注浆量，m3;R为浆液扩散半径，m;L为浆液填充的注浆段长，m;n为地层裂隙度或空隙率;α为浆液填充率，一般取0.8 ～1.0;β 为浆液损失率，一般取0.1 ～0.2。

裂隙发育段的注浆速度，前期注浆速度应控制在30 L/min～50 L/min，后期注浆速度应控制在5 L/min～30 L/min，注浆结束时，注浆速度应小于5 L/min。

7 实施效果

在多项大断面公路隧道穿越水下破碎带地层施工中，根据以上注浆参数确定方法得出针对性的注浆参数，满足施工各项要求。

[1]王 乾.青岛胶州湾海底隧道围岩注浆加固技术[J］.岩石力学与工程学报，2011(4):790-802.

[2]黄明利.大断面海底隧道软弱地层施工方法研究[J］.中国工程科学，2009(7):35-38.

[3]游 旭.厦门翔安海底隧道中风化槽地段施工工法[J］.中国市政工程，2009(3):81-83，94.

[4]孟维孝.厦门海底隧道穿越F3风化深槽施工技术[J］.现代隧道技术，2009(3):71-80.