穿越山谷破碎地层浅埋隧道施工技术

菅永明

(贵州紫望高速公路建设有限公司，贵州 安顺 560800)

我国交通基础设施迅猛发展，但交通隧道工程数量快速增加的同时，也遇到各种不良地质条件下的高施工难度和风险的挑战。隧道浅埋地段一般多出现在进出口段，但受山区连绵起伏的山地形貌及环境保护的限制，在隧道的设计中穿越地形较为平坦的山谷地带也并不鲜见[1]。由于山谷地带属于两侧山体坡脚的交会处，降雨沿两侧山坡流至山谷平缓地带而漫流，因而此地段的地层除了软弱破碎，而且还含水量较大。由于山谷浅埋段地层松软破碎，含水量大，因而围岩稳定性极差，在隧道施工过程中极易出现围岩失稳坍塌至地表。为保证施工安全，必须从洞内、洞外对软弱围岩进行加固，加强支护，采用合理工法进行施工。

1 工程概况

贵州省紫望高速紫云隧道位于安顺市紫云县境内，为双向四车道分离式隧道。紫云隧道左、右洞长分别为2 159 m和2 120 m，左、右洞最大埋深分别为262.1 m和255.2 m。紫云隧道工程区属溶蚀峰林谷地及低中山地貌，山体自然坡度30～65°，植被发育。

紫云隧道左洞山谷平地左洞ZK7+928—ZK7+976段落横向坡度较缓，平均埋深约16.8 m。该段隧道围岩为Ⅴ级，开挖跨度为12.86 m，开挖高度10.24 m(含预留变形量)，见图1。地层岩性主要为粉质黏土、全风化页岩、强风化页岩及强风化泥质灰岩夹燧石岩，含水量较大。强风化岩节理裂隙发育，围岩自稳能力差，拱部开挖时易坍塌至地表，侧壁易失稳。由于此段落地表为山间过水通道，地势较为平坦，集中降雨状态下隧道开挖后可能呈淋雨状出水。

图1 山谷浅埋段设计断面(单位：cm)

根据山谷段隧道埋深较浅、围岩破碎且含水量较大的特点，决定采用地表注浆方式对地层进行加固，以提高围岩稳定性。地表注浆与洞内施工平行作业，从而避免了洞内注浆对洞内隧道正常施工的干扰，对加快隧道施工进度有利。

2 地表注浆加固

2.1 加固范围的确定

地表注浆采用袖阀管渗透注浆方式加固地层。注浆加固地层是在一定注浆压力的作用下将浆液通过钢花管壁上的注浆孔压入渗透到地层，填充地层中的裂隙或孔洞并凝结硬化，与破碎围岩一起形成固体。所形成的固结体的力学性能比原地层力学性能有显著改善，从而有效提高地层的稳定性，促使隧道开挖后在围岩中形成稳定承载拱。

根据山谷浅埋破碎段围岩的特点，注浆加固范围为浅埋段隧道断面两侧轮廓外8 m、隧道拱顶以上10 m和仰拱以下2 m范围，地表以下6.5 m范围作为止浆段，如图2所示。

图2 注浆加固范围(单位：m)

2.2 注浆技术参数

依据所注浆加固技术的功能性、适用性、经济性和可实施性来制定地表注浆加固方案。紫云隧道山谷浅埋段围岩主要为强风化和全风化地层，节理裂隙发育，围岩破碎，因而地表钻孔直径90 mm，纵横间距为1.2 m×1.2 m，注浆孔梅花形布置，扩散半径0.75 m。左洞地表注浆钻孔位置如图3所示。

图3 地表注浆孔布置

浆液采用渗透性好、稳定性强、价格便宜的水泥基浆液。注浆范围周边孔的注浆浆液采用水泥浆-水玻璃双浆液，在加固范围外围形成约束，避免浆液扩散到地层加固区以外，内部孔采用单水泥浆。水泥采用P.O42.5普通硅酸盐，水玻璃模数不小于3.0，波美度不低于40 Be'，注浆时稀释成15～20 Be'。水泥浆水灰比1∶0.8～1∶1，水泥浆与水玻璃双浆液的体积比为1∶1，双浆液的浆液初凝时间为90～110 s。地层孔隙率0.35～0.45，孔隙填充率取0.6，则预估单孔注浆浆液量为8.2～11.8 m3。注浆压力控制在0.5～2.0 MPa。

2.3 注浆方案实施

袖阀管注浆是在注浆压力作用下把浆液压入裂隙地层，利用注浆芯管上的阻塞器可以实现分层或分段注浆，可根据地层破碎特性或注浆实际需要来确定钻孔注浆区段或注浆范围，实现分段注浆。采用袖阀管分段注浆工艺，可以有效解决普通静压注浆工艺注浆加固范围难以控制的问题。

袖阀管主要由袖阀注浆管、管外套壳料和注浆内套管组成[2]。袖阀注浆管由钢质内管和钙塑聚丙烯塑质的塑料外管组成，外管内径68 mm、内管外径48 mm，内外管壁上均钻设直径8 mm的溢浆孔，如图4。在外管溢浆孔处外套耐橡胶套，注浆时，浆液在压力作用下通过出浆孔被压入地层，而围岩中的裂隙水或土颗粒不能进入注浆管中，也即溢浆孔具有单向阀的作用。钻孔管壁与袖阀管外管之间充满水泥-粘土浆液的套壳料。

图4 袖阀管构造

注浆顺序采用先注加固范围的周边孔，然后从外向内依次推进完成所有内部孔注浆。对每排注浆孔采用从两端到中间的顺序灌注，以尽量降低冒浆的可能性。为保证注浆加固效果，采用从下向上分段注浆方式，分段长度0.6 m。随着注浆的进行，浆液流量逐渐减小，而压力逐渐增大。当流量降低至6 L/min以下，压力也逐渐增大，当注浆压力稳定在2.0 MPa持续10 min后结束本段注浆。

2.4 钻孔取芯检查

为了搞清楚袖阀管注浆对浅埋段破碎围岩的加固效果，对注浆固结体取芯，检查裂隙围岩-浆液固结体的整体性，测试固结体强度。在隧道中线及开挖轮廓两侧共取芯3处。取芯检查结果表明，注浆孔周边围岩中的裂隙几乎全部被浆液填充。对固结体岩芯进行养生，测得其无侧限抗压强度6.7～12.2 MPa，平均值为10.2 MPa，满足规范中28 d抗压强度不低于5.8 MPa的要求。

3 地表注浆加固效果分析

为验证地表袖阀管注浆对地层的加固效果，采用FLAC3D软件建立三维数值模型对隧道施工过程中围岩的稳定性及支护结构的力学性态进行分析。

3.1 计算模型

将地层及注浆加固区均视为摩尔-库仑理想弹塑性材料，初期支护视为均匀的理想弹性材料，提高初期支护材料的弹模来间接考虑钢拱架的作用。超前小导管注浆加固效果等效为加固区来考虑。地层和初支均用六面体实体单元模拟，锚杆采用cable单元模拟。通过提高注浆加固区的力学参数来考虑地层注浆加固效果。数值计算模型如图5所示。

图5 三维数值计算模型

3.2 材料计算参数

地层的力学参数依据地质勘查资料确定，注浆加固区的力学参数依据经验值确定，支护结构力学参数根据规范确定，模型计算参数如表1所示。

表1 模型计算参数

3.3 计算结果分析

计算模拟台阶法施工，开挖进尺0.6 m，上下台阶开挖面错开4.2 m，上台阶开挖超18 m后开始施作仰拱，每次施作2.4 m。以模型中部截面为研究对象，分析隧道施工引起的变形及支护受力特点，判断注浆加固效果是否满足施工要求。

3.3.1 变形

图6为施工过程断面拱顶上方地表沉降、拱顶沉降及水平收敛曲线。可以看出，隧道拱顶沉降和水平收敛均是在开挖面到达时变化速率最大，随后随着开挖面离开监测断面距离的增大，变形逐渐趋于稳定，地表沉降变化较为缓和。隧道拱顶沉降和地表沉降最大值分别为14.9 mm和7.2 mm，水平收敛最大值为20.5 mm。围岩经过注浆加固后，有效控制了围岩变形。

图6 隧道施工过程中变形曲线

3.3.2 支护受力

图7为初支喷层的最大主应力和最小主应力云图。支护结构最大拉应力为1.42 MPa，小于C25喷混凝土的极限抗拉强度；最大压应力为4.8 MPa，远小于其抗压强度，因而支护受力是安全的。

图7 支护结构主应力云图(单位：Pa)

3.3.3 锚杆应力

图8为模拟施工完成后锚杆的轴力分布云图。两侧边墙处的锚杆中部应力最大，最大拉应力为44.8 MPa，远小于锚杆的抗拉强度。

图8 锚杆应力云图(单位：Pa)

3.3.4 围岩塑性区分布

从图9隧道周边围岩塑性区分布可以看出，由于注浆加固后地层稳定性明显提高，隧道开挖后围岩塑性区厚度较小。在超前支护保护下，拱部塑性区厚度小于两侧边墙处的厚度。锚杆也穿透了围岩塑性区，进入弹性区稳定地层。

图9 围岩塑性区分布

从以上对数值计算结果的分析可以看出，经过地表袖阀管注浆对地层进行加固，隧道围岩稳定性得到显著提升，可以保证施工安全，因而，此山谷浅埋段隧道可以采用工序简单的台阶法施工。

4 开挖及支护

4.1 超前加固

由于在地表对浅埋段隧道破碎围岩进行了袖阀管注浆加固，钻孔取芯结果表明围岩裂隙被浆液充满，凝固浆液与裂隙岩体形成了具有较好力学性能的固结体，围岩稳定性得到显著改善。因而，隧道超前支护可以采用刚度和强度相对较为适中的超前注浆小导管。

小导管布置在拱部120°范围，长4 m，直径42 mm，环向间距3根/m，外插角10～15°，每循环开挖2.4 m，前后相邻两个循环搭接1.5 m。注浆浆液采用0.8∶1～1∶1的水泥浆，必要时可采用水泥-水玻璃双浆液，注浆压力控制在0.5～1.0 MPa。超前小导管尾端固定在钢拱架上。

4.2 开挖工法及支护方案

原破碎围岩经过袖阀管注浆加固后，地层稳定性得到显著提升，因而选择施工工序较为简单的台阶法施工，必要时上台阶可以预留核心土支挡开挖面。用小炮配合机械开挖，掘进进尺为0.6 m。

隧道上台阶开挖之前先施作注浆小导管超前支护。每部开挖后及时挂∅6.5 mm钢筋网，分次喷射C25喷混凝土初期支护，喷层厚度26 cm，架设I20b钢拱架，间距0.6 m，相邻两榀钢架之间用间距1 m的∅22 mm螺纹钢连接。在拱架两侧底端各打设长3 m ∅42 mm的注浆锁脚锚管2根，并与钢架连接牢靠。打设上台阶系统锚杆，拱部锚杆采用长3.5 m的∅25 mm中空注浆锚杆，其它部位采用砂浆锚杆。锚杆间距0.6 m×1.2 m(环×纵)，梅花形布置。依次开挖支护下台阶及仰拱，实现仰拱封闭。在开挖过程中出现局部渗水滴水现象，但未发现有股状流水。

4.3 变形监测

在隧道施工过程中进行了拱顶沉降现场监测。监测断面拱顶沉降值分别为13.4 mm和12.0 mm，略小于模拟计算结果的14.9 mm。

5 结论

(1)基于紫云隧道山谷缓坡地段隧道埋深浅、围岩破碎、地下水丰富等不利地质条件导致隧道开挖后稳定性差的工程实际情况，采用地表袖阀管注浆技术对隧道周边围岩进行注浆加固，从而降低围岩渗透性，有效提升围岩稳定性，保证隧道施工安全。

(2)为检查地表袖阀管注浆对地层的加固效果，利用地质钻机对注浆加固范围内取芯并进行抗压强度试验，28 d无侧限抗压强度平均值达到10.2 MPa，满足规范要求。隧道开挖过程中虽然出现了局部渗水滴水的情况，但未发现股状流水。

(3)建立三维数值模型，对注浆加固后围岩在隧道施工过程中的力学性态进行分析。从地表沉降、隧道变形、初期支护喷层应力、锚杆应力和围岩塑性区特征来看，采用袖阀管注浆对地层进行加固后，围岩稳定性得到有效提升，能够保证隧道施工安全。数值计算结果和隧道施工中拱顶沉降位移现场实测结果表明了注浆加固效果的有效性。