富水黄土隧道注浆加固机制及效果评价

薛晓辉，张 军，宿钟鸣，孙志杰

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030006)



富水黄土隧道注浆加固机制及效果评价

薛晓辉，张 军，宿钟鸣，孙志杰

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030006)

为解决富水黄土隧道在施工过程中出现的各种病害，基于地下水平衡理念，利用佐藤邦明法及地下径流模数法建立关联函数，得出地下水平衡时所需的注浆体渗透系数，并结合乔原隧道的工程实际情况，利用二重管无收缩双液注浆加固技术对富水黄土地层进行注浆加固，并对注浆效果进行了详细评价。结果表明：掌子面土体含有大量浆脉，其分布层理清晰，掌子面土体未出现泌水现象，土体稳定性较好，未发生掉块、塌方、涌水、突泥等病害，且土体强度有大幅提升，渗透性有大幅降低，注浆体渗透系数满足地下水平衡的要求。

隧道工程；地下水平衡理念；富水黄土隧道；注浆加固机制；效果评价

随着中西部开发战略的逐步实施，黄土地区交通建设迅猛发展，黄土公路隧道越来越多。当隧道穿越富水黄土地层时，隧道开挖后成为地下水汇集廊道，隧道周围土体含水量不断增大，甚至逐步达到饱和状态，出现“泥化”现象，其强度与稳定性迅速下降。富水黄土隧道施工过程中极易出现衬砌裂缝、渗漏水、基底隆起、拱顶下沉、塌方等病害。传统防排水方法贯彻“防排结合，以排为主”的治理原则，即一方面加强隧道防排水系统，使得衬砌结构背后积水能够及时排走；另一方面采用“超前帷幕注浆堵水”措施，将隧道周围一定半径范围内的渗水通道进行封堵，减小地下水流失对生态环境的影响。然而，由于黄土颗粒组成以粉粒为主，同时含有砂粒和黏粒，其结构疏松，孔隙较发育，随着隧道衬砌背后积水的不断排泄，土体不断被“掏空”，从而形成空洞，威胁衬砌结构安全。“以排为主”的措施并不能从根本上解决隧道的各种水害，而且极易导致隧道施工影响范围内的地下水位下降、地表水涸竭、生态环境破坏，严重影响周围居民的生产和生活。“超前帷幕注浆堵水”虽在一定程度上减小了地下水流失，但其工程造价较大、工期较长。因此，在富水黄土隧道建设过程中，如何采取有效措施既能够保护地下水平衡，维持生态平衡，且工程造价低、工期短，是当前面临的一大技术难题[1-3]。

1 地下水平衡理念

对于富水黄土地层，在隧道开挖前，其地下水的补给量与排泄量基本相同，处于平衡状态；而隧道的开挖导致地下水排泄量增大，打破了其原有平衡状态。当隧道开挖引起的地下水渗水量(Qs)小于隧道施工影响范围内的地下水补给量(Qb)时，地下水流失造成的水环境破坏是暂时的，可恢复的；反之，地下水流失将会造成不可恢复的水环境破坏。

根据地下水平衡理念的要求，富水黄土隧道施工中应对地下水采用“有限排放，定量堵水”的原则：即不需采用传统方法将隧道影响范围内的地下水进行全面封堵，而是采用适当的注浆方式，通过控制围岩注浆体的渗透系数，将隧道施工影响范围内的渗水量控制在补给量以下，从而达到既能保护生态平衡，又能减少工程造价、缩短工期的目的。

2 注浆体渗透系数的拟定

2.1 隧道涌水量预测

隧道渗水量Qs在理论上等于其涌水量Qy，因此确定涌水量是利用地下水平衡理念进行分析的第一步。隧道涌水量具体指隧道开挖至二次衬砌施作之间时间的毛洞涌水量。由于该段时间一般较短，地下水尚未达到降深稳定的状态，仍处于非稳定状态。在众多的隧道涌水量计算方法中，佐藤邦明法是最适用于非稳定状态的[4-5]。根据该方法预测的隧道单位长度的最大涌水量q0、正常涌水量qs、自最大涌水量开始衰减至某时刻t的涌水量qt的具体关系如图1。

图1 q-t关系曲线

从图1可以看出，初期涌水阶段的涌水量q0是整个涌水过程中的最大值，因此在注浆加固设计过程中应取其值作为代表值，即：

(1)

式中：K为渗透系数，m/d；H为静止水位至隧道基底的高度，m；r0为隧道横截面等价圆半径，m；h为含水体的厚度，m。

2.2 地下水补给量计算

地下径流模数法的基本原理是地表水循环平衡，即在一定范围内，地表水的整个循环过程保持平衡状态[6]，其水循环平衡公式为：

W=H′+h′+E

(2)

由此得出地下水年补给量Qb为：

Qb=1 000(W-H′-E)F

(3)

式中：W为该地区的年平均降雨量，mm；H′为地表径流深度，mm；h为年地下径流深度，mm；F为地表水流域面积，km2；E为该地区的年地表蒸发量，mm，其值的计算可参考Turk经验公式，即：

(4)

式中：T为该地区年平均气温，℃。

2.3 注浆体渗透系数的确定

隧道施工后实际渗水量Qs的计算过程中，应考虑其安全系数，即：

(5)

式中：k为安全系数，可取2～3。

由式(5)可推出注浆体渗透系数K为：

(6)

3 工程背景

3.1 工程概况

吉(县)河(津)高速乔原隧道为左右分离式隧道，两洞中轴线最大间距32m，设计速度80km/h。隧道建筑限界净宽10.25m，行车道为2×3.75m，限高5m，左右洞长度分别为1 572，1 626m，洞体最大埋深114.98m，采用“新奥法”原理进行施工。

3.2 隧道病害情况

2013年8月，隧道右洞掌子面施工至K9+847，二衬施工至K9+783。在未施作二衬的初支表面渗水情况严重，具体表现形式为隧道开挖掌子面时，没有明显的滴水状，但在超前支护和立架施工中，掌子面有泌水现象。在初支施作完成3～10d过程中，初支表面上逐渐有明显的渗水。在初支施作完成10d后，渗水覆盖整个初支表面层，局部呈连续线状滴水，并伴有白色结晶体出现。在已施作仰拱的隧道段存在多处裂缝，大部分裂缝位于仰拱中部，走向为沿隧道轴线方向，裂缝最大宽度达1.25cm。二衬边墙部位出现多处裂缝，主要为纵向裂缝，宽度为0.2～3.0mm。其具体情况如图2、图3。

图2 初支渗水情况

图3 仰拱、二衬开裂

4 注浆实施方案

由于乔原隧道穿越富水黄土地层，部分隧道段不仅在开挖过程中极易发生掉块、塌方，而且在初期支护施工完成后，由于渗漏水量较大，初支背后土体出现“泥化”现象，土体承载力降低，从而引起初支开裂、基底不均匀沉降、仰拱开裂等病害。为确保施工及后期运营安全，决定采用二重管无收缩双液注浆技术进行注浆加固[7]，以提高土体强度，降低土体渗透系数，力争使地下水达到平衡状态。

4.1 注浆材料

对于富水黄土地层，注浆材料应具有不易溶解、凝结时间可控、渗透距离可控、注浆体渗透系数可达指定标准等特性。其中重点控制指标为注浆体渗透系数，根据本项目的具体情况，选取典型隧道段100 m作为重点研究对象，安全系数k取值2.5，并结合其水文地质条件确定其余各参数，将其代入式(6)中，得出注浆体渗透系数K=7.55×10-6cm/s。

通过一系列的对比试验，最终采用的A、B注浆材料配比如下：

A液：42.5R水泥(kg)∶水(L)∶缓凝剂(L)=1∶1∶0.2；

B液：水玻璃(L)∶水(L)=1∶1.5。

在注浆过程中，A，B两种浆液按体积比1∶1注入，其中42.5R水泥为超细颗粒，其比表面积可达480 m2/kg，在注浆施工过程中可有效提高浆液的渗透效果。浆液的凝结时间应控制在40～50 s之间，可有效提高施工进度。

4.2 注浆孔布设

为避免施工过程中掌子面出现渗水、掉块、塌方等病害，采用水平注浆法对掌子面前方10 m范围内土体进行加固，全部钻孔采用φ46 mm二重管钻孔[8]。在开挖轮廓线内侧0.5 m范围内注浆孔呈梅花形双层布设，孔距0.4 m，孔深10 m，扩散半径0.5～2.0 m；在掌子面其他部位，注浆孔呈梅花形布设，孔距1.5 m，孔深12 m，扩散半径1.0～3.0 m，具体情况如图4。

图4 水平注浆孔布设

为在隧道开挖轮廓线外形成注浆止水圈，采用辐射注浆孔法进行注浆[9]。辐射注浆孔以开挖轮廓线内侧水平注浆孔为基准，每个水平注浆孔内布设5个辐射注浆孔(n1，n2，…,n5)，其基本参数如表1，位置布设情况如图5。

表1 辐射注浆孔基本参数

图5 辐射注浆孔布设

4.3 注浆工艺要求

为使注浆体渗透系数能够满足地下水平衡的要求，在注浆施工过程中，应严格控制注浆压力及注浆量。当注浆压力突然变化或浆液从钻孔、地表溢出时应立即停止施工，查明原因，及时调整注浆参数[10]。二重管无收缩双液注浆的具体精度要求如表2。

表2 二重管无收缩双液注浆精度要求

5 注浆效果评价

5.1 水平注浆效果

对于利用水平注浆孔加固后的土体，在下一循环的掌子面开挖过程中即可揭露出来，通过现场观察便可初步判断其注浆效果，具体现场观察照片如图6。

图6 水平注浆现场观察

从图6中可以看出，通过水平注浆后，隧道开挖范围内的掌子面土体含有大量浆脉，其分布层理清晰。在施工过程中，掌子面土体未出现泌水现象，土体稳定性较好，未发生掉块、塌方等病害，且土体强度较注浆前有大幅提升。由此可初步判断，采用二重管无收缩双液注浆法在水平注浆方面取得了良好的效果。

5.2 辐射注浆效果

对于利用辐射孔进行注浆的效果评价，主要在于测定其注浆止水圈的渗透系数，判断其是否满足地下水平衡理念的要求。首先利用环刀(内径61.8 mm，高40.0 mm)对注浆体进行取样，其次利用变水头渗透试验对试样的渗透系数进行测定。每个试样应进行多次测定，在所测结果中取3～4个允许差值(F≤2×10-n)符合规定的测值，再求平均值，作为该试样的最终渗透系数[11]。

笔者选取两个典型断面进行渗透系数测定，对每个断面的拱顶、左侧墙、右侧墙、基底位置分别取样，断面1的取样点编号依次为1-1, 1-2,1-3,1- 4，断面2的取样点编号依次为2-1, 2-2,2-3,2- 4。各取样点注浆前后的渗透系数的具体情况如图7。

图7 试样渗透系数对比曲线

由图7可以看出，注浆后土体的渗透系数较注浆前土体渗透系数有较大幅度的下降，其中断面1的土体渗透系数由0.91×10-2～1.53×10-2cm/s降为3.54×10-6～1.56×10-5cm/s；断面2的土体渗透系数由0.87×10-2～2.30×10-2cm/s降为5.57×10-6～1.14×10-5cm/s。可见，利用二重管无收缩双液注浆加固技术进行辐射注浆极大的降低了富水黄土隧道土体的渗透性，注浆处理后的土体形成了止水圈。

结合实际情况，选取安全系数为2.5，同时结合水文地质条件确定其余参数，利用式(6)可计算出地下水平衡条件要求的注浆体渗透系数为7.55×10-6cm/s；而根据变水头渗透试验结果可知，断面1、断面2的土体经过注浆后其渗透系数为3.54×10-6～1.56×10-5,5.57×10-6～1.14×10-5cm/s。由此可见，本项目利用二重管无收缩双液注浆技术进行加固处理后，其土体实际渗透系数与理论计算要求的渗透系数基本吻合，满足地下水平衡的要求。

5.3 对比分析

目前，国内普遍采用超前帷幕注浆进行富水隧道的堵水、加固处理。超前帷幕注浆法多采用在修建止浆墙的情况下，利用钻机进行钻孔，用普通水泥浆进行分段式注浆。超前帷幕注浆法在防止突泥、涌水方面效果较好，然而，由于超前帷幕注浆法具有作业半径较小、钻孔灵活性差、功效低、耗时长等缺点，一直是隧道施工技术发展的瓶颈；而且超前帷幕注浆法一般适用于含水砂层、破碎带等不良富水复杂地质带，其在富水黄土隧道中应用效果并不理想。

因此，采用二重管无收缩双液注浆技术(WSS工法)进行加固处理。WSS工法是近年来隧道施工中较为先进的一种注浆方法，其采用二重管、双浆液进行后退式注浆，可实现瞬结性一次喷射和浸透性二次喷射，并通过调节两次喷射的复合比率可有效控制注浆体渗透系数，同时采用特殊的端点监控器，使得注浆操作控制性较好。尤其在富水黄土隧道中，WSS工法可有效改良原土体的物理性质，降低其渗透系数，实现地下水平衡，且其系统设备简单、可操作性强，具有较好的可靠性、经济性。

6 结 论

1)对于富水黄土隧道，“防排结合，以排为主”的传统防排水方法极易引起衬砌背后空洞，威胁衬砌结构安全，且长期、大量排水与当前生态环境保护精神背道而驰。因此，从保护地下水环境、降低工程造价的角度出发，基于地下水平衡理念，采用“有限排放，定量堵水”的原则，不失为一种解决富水黄土隧道防排水问题的思路。

2)隧道毛洞涌水量计算过程中，由于地下水尚未达到降深稳定的状态，仍处于非稳定状态，采用佐藤邦明法最为恰当。利用地下径流模数法计算地下水补给量，从而利用地下水平衡理念建立涌水量与补给量的关系式，拟定出注浆体渗透系数。

3)采用二重管无收缩双液注浆加固技术进行水平注浆后，掌子面土体含有大量浆脉，其分布层理清晰。在施工过程中，掌子面土体未出现泌水现象，土体稳定性较好，未发生掉块、塌方等病害，且土体强度较注浆前有大幅提升。由此可初步判断，采用二重管无收缩双液注浆法在水平注浆方面取得了良好的效果。

4)采用二重管无收缩双液注浆加固技术进行辐射注浆后，富水黄土隧道土体的渗透性有较大幅度降低，注浆处理后的土体形成了止水圈，其渗透系数满足地下水平衡的要求。

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Grouting Pre-reinforcement Mechanism and Effect Evaluationin Water-Rich Loess Tunnel

Xue Xiaohui, Zhang Jun, Su Zhongming, Sun Zhijie

(Key Laboratory of Highway Construction & Maintenance Technology in Loess Region,Shanxi Provincial Research Institute of Communications, Taiyuan 030006, Shanxi, China)

In order to solve the problem of water-rich loess tunnel in construction process, based on the idea of underground water environmental balance, the Kuniaki Sato empirical formula and underground runoff modulus was used to build correlation function and get the permeability coefficient. Combining the engineering practice condition of the Qiaoyuan tunnel, the duplex pipe grouting was used to reinforce the water-rich loess tunnel, and its grouting effect was also evaluated in detail. Results show that there are a lot of obvious grouting veins on tunnel face, and the bedding is clear. There is not bleeding phenomenon on tunnel face. The surrounding rock is stable, no such phenomena occur as collapse, instability, gushing water or mud, etc. The soil strength increases dramatically, and the permeability reduces significantly. The permeability coefficient of grouting soil meets the requirements of underground water environmental balance.

tunnel engineering; idea of underground water environmental balance; water-rich loess tunnel; grouting pre-reinforcement mechanism; effect evaluation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.06

2014-05-21；

2014-10-13

山西省交通运输厅科研项目(2013-1-3，2015-1-18)；交通运输部应用基础研究项目(2014319771190)

薛晓辉(1986—)，男，山西芮城人，工程师，硕士，主要从事隧道及地下工程方面的科研工作。E-mail:582991719@qq.com。

U457+.2

A

1674-0696(2015)04-034-05