穿越松散堆积体围岩加固与隧道施工技术分析

邰冲文

(贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州 贵阳 550001)

1 获取松散堆积体力学参数的主要方式

1.1 松散堆积体土层情况分析

经过调查可知，从多个采集点中获得的松散堆积密度体土质情况为：土石混合体的粒径较大且均匀程度较差，最小的仅为0.1 mm、最大的能够达到100 mm。粒径级配不均匀系数Cu值在27～88.5之间、曲率系数Cc在0.23～1.17之间。经过深入探查后发现，在该区段的松散堆积体之间，粒径大小在0.080 mm之下的颗粒占总量的4%左右，粒径大小在1.0～2.0 mm之间的中等颗粒占总量的50%左右(探测精度还存在提升空间，50%占比为推测的最大值，实际情况可能不足，但不会少于35%)。粒径超过60 mm的颗粒最少为5%，最大甚至达到18%。综合来看，由于该区段松散堆积体中近7成的颗粒为卵石、块石以及粗砾石，故可以确认该区段地层的密实度极差、存在大量的缝隙。如果按照常规土层的标准进行开挖作业，必然导致掌子面坍塌。因此，需要进一步收集松散堆积体的力学参数，并制定针对性的方案，目的在于穿越至围岩段进行加固作业。只有如此，才能保证隧道开挖顺利进行。

1.2 松散堆积体力学参数确认方法

根据上文介绍的松散堆积体性状，模拟出土层结构，可以选用CPGM型号的膏状注浆材料，对土层样本进行加固处理，之后得出有关松散堆积体的实际力学参数。本文所用的CPGM膏状注浆材料性能参数如下：其比重大小为1.65；初始流动度为234 mm；3 h内的析水率达到3%；完成初步凝结的时间为37 min；24 h之内的抗压强度能够达到1.32 MPa。

其次，松散堆积体力学参数确认实验选用的主要设备为TAJ-2000型动静三轴剪切仪，松散堆积体试样土层的直径达到300 mm，高度不小于500 mm。在此前提下，用于实验的围岩参数定位300、600以及900 KPa，为了获取最佳效果，轴向压力的加载速度可以设定为每分钟1.5 mm。

再次，主要的实验步骤如下：第一，将松散堆积体试样土层放置于压力室内，并于底座处安装好橡皮膜、成型筒，可以分多层进行装样并进行振捣作业。第二，严格控制注浆量以及注浆液的配比。可以按照模拟松散堆积体试样总重量的10%左右注入浆液。第三，当每个分层都呈现出均匀的混合形态之后，将之静置7 d。第四，向压力室注入水，并不断提升围压，向试样土层施加轴向的荷载。

最后，最终结果如下：未经处理的松散堆积体土层的内聚力为57.8 KPa，摩擦角度为32°；经过加固处理后的加固土层内聚力达到了98.4 KPa，提升幅度超过了70%，摩擦角度为37°。

2 松散堆积体围岩加固后隧道稳定性的确认过程

松散堆积体土层的力学参数已经获悉，在进行实际开挖前，还应对松散堆积体围岩加固后隧道的稳定性进行测试。具体方式为：第一，本文选用施工案例的松散堆积体土层结构分为碎石土层与强风化玄武岩层。其中堆积体土层的总厚度超过了40 m，隧道预期埋深为25 m。根据工程方案，决定使用三台阶、预留核心土法混合施工的方式进行开挖作业。第二，经过仔细计算，开挖进度只需达到1 m，隧道掌子面前探达到4 m即可满足要求。第三，在隧道拱顶处环绕120°的范围内通过超前加固方式，注入加固浆液，暂定围岩加固区的厚度应该达到2 m。第四，对地层、二衬、加固圈(2 m厚度)等进行单元模拟后，得出的隧道稳定性参数如表1所示。经过超前加固注浆处理后，得出的隧道部位前后变形对比值为：拱顶处在超前加固前的变形值为-52.7 mm，加固后为-38.7 mm；左侧拱腰超前加固前的变形值为-33.8 mm，加固后为-24.9 mm；右侧拱腰加固前的变性质为-32.8 mm，加固后为-24.3 mm；隧道底部超前加固前的变形值为30.8 mm，加固后为28.7 mm；水平收敛超前加固前的变性质为35.7 mm，加固后的变性质为32.8 mm。由此可以判定，如果没有进行穿越松散堆积体的围岩加固处理，则隧道开挖过程中，拱顶处将会出现严重的沉降变形，隧道底部和水平收敛处将会出现凸起，从而严重影响工程安全。总体来看，采用超前加固注浆的方式，能够对沉降变形起到良好作用；对凸起变形能够产生微弱的影响，但幅度不大。

表1 隧道稳定性参数表

3 穿越松散堆积体围岩加固与隧道施工技术的优化过程

3.1 优化施工过程简述

在检测隧道稳定性实验时采用了“三台阶+预留核心土法”的施工方式，在穿越松散堆积体对围岩进行加固处理后，进行隧道开挖作业时，可以在此种方法的基础上进行优化，具体流程为：第一，进一步调整超前支护的方案。可以将支护范围调整至拱部环向120°，使用4.5 m的φ42 mm×4 mm的热轧无缝钢管，其打射范围即为拱部120°。此外，环向间的距离应该控制在30 cm，沿着纵向搭接的长度需要控制在1.5 m左右。打射上仰角的范围也应该予以注意，最大不能超过15°，最小不能低于5°。不仅如此，配比超前注浆材料时，应该严格控制浆液的水灰比。通常情况下应该保持在1∶1的比例。常见的添加剂可以选用减水剂或是高分子聚合物，当注浆压力达到2 MPa左右时，停止注浆。第二，在上台阶的弧形导坑处开挖，每次的进尺应该控制在1 m左右，但最低不能低于0.8 m。第三，在上台阶核心处进行开挖作业时，核心土的长度最低为0.5 m，最高为1.0 m。第四，在中台阶处开挖时，开挖进尺应该与上台阶弧形导坑处保持一致；下台阶处同样如此。第五，当初期支护完全闭合后，必须立刻开展仰拱、二次衬砌作业。需要注意的是，二次衬砌与掌子面之间的最大距离必须控制在50 m以下。

3.2 超前注浆加固的实际效果

对试验断面进行超前注浆加固作业时，得出的实际结果如下：

实验断面A的预期注浆值为7.6 m3，实际注浆值为12.8m3；预期的终止压力为2 MPa，实际终止压力为1.1 MPa，超前注浆与开挖工序的衔接时间为8 h。

实验断面B的预期注浆值为7.6 m3，实际注浆值为16.3m3；预期的终止压力为2 MPa，实际终止压力为0.6 MPa，超前注浆与开挖工序的衔接时间为9.7 h。

实验断面C的预期注浆值为13.5 m3，实际注浆值为13.9m3；预期的终止压力为2 MPa，实际终止压力为2 MPa，超前注浆与开挖工序的衔接时间为3.2 h。

实验断面D的预期注浆值为13.5 m3，实际注浆值为14.8m3；预期的终止压力为2 MPa，实际终止压力为1.9 MPa，超前注浆与开挖工序的衔接时间为3.5 h。

4 结 语

根据测算结果显示，采用优化后的超前注浆工艺对松散堆积体的围岩进行加固处理，如果能够将注浆加固圈的厚度取值保持在2 m左右，则松散堆积体自身较为劣质的土质特性将不会对隧道开挖过程造成影响。换言之，围岩加固圈一旦达到2 m(最低1.5 m)左右，说明穿越松散堆积体的围岩加固作业达到了效果。