隧道半断面帷幕注浆施工技术

管晓军

(兰新铁路甘青有限公司，兰州 730000)

隧道开挖过程中易碰到破碎带、涌突水等复杂地质条件，给隧道施工和结构的安全性带来较大的安全隐患。注浆加固作为一种灵活方便、对环境影响小的病害治理措施，在工程界中被广泛应用[1]。此外，随着社会与技术的进步，注浆工艺正逐步朝信息化和动态化方向转变[2-3]。

注浆施工主要应用于软弱地层[4-5]。王德明等[6]通过层次分析法建立了注浆加固效果的等级评价并应用于实际工程，使注浆效果的评价由经验性向科学化转变。

祝俊等[7]通过对帷幕注浆技术进行深入的分析并修改注浆参数，有效防止了突水突泥灾害的发生。

魏义山等[8]和张浩等[9]对袖阀管注浆效果进行研究，表明该方法能达到预期效果。杜学才等[10]对软硬互层地层的注浆技术进行研究，结果表明地表注浆技术能够起到良好的注浆效果。王晓蕾等[11]等对几种注浆方法进行了详细的分析，并对未来的评价方法提出了建议和展望。刘鹏飞等[12]通过超前地质预报和数值模拟手段对帷幕注浆技术在高含水率黄土隧道中的应用进行研究。李存禄等[13]通过钻孔和高压注浆试验，确定了合理的注浆参数，研究结果可为后续的参数研究提供借鉴。张志沛等[14]对注浆充填法在急倾斜厚煤层中的应用进行分析，表明该方法能有效解决煤层失稳的问题。此外，愈多学者将注浆效果的评价转变向理论分析层面[15-17]。

综上所述，目前学者对于注浆技术已有较多研究并取得一定成果。但是已有研究主要集中于理论分析和数值分析层面以验证注浆加固效果，鲜有涉及半断面帷幕注浆的设计说明及其效果验证。现以小南塬隧道为例，通过设计说明和现场试验对半断面帷幕注浆施工技术进行分析，有效解决不良地层条件存在的工程地质问题，保证施工安全，以期为小南塬隧道及类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概括

小南塬隧道的线路总长为7 067.2 m，其中的DK411+494～DK411+454里程段，主要地层条件为黏质老黄土，呈现为松软结构状态，该段的水量较大且主要赋存状态为第四系孔隙水及土石界面水，渗透系数为0.1 m/d，正常涌水量为793 m3/d，最大涌水量为1 586 m3/d。小南塬隧道环境图如图1所示。

图1 小南塬隧道环境图(1∶700)Fig.1 Tunnel environment of Xiaonanyuan (1∶700)

2 注浆方案设计

基于依托工程的岩体破碎的工程特性，现场采用上半断面帷幕注浆施工工艺对不良地质段进行注浆加固。

2.1 注浆概况

上半断面帷幕注浆的单次作业距离为25 m，设计注浆孔37个，其中25 m的设置26个，15 m补孔的断面设计11个。注浆孔布置如图2所示。

字母和数字表示注浆孔位置图2 注浆孔分布图Fig.2 Distribution of grouting hole

2.2 施工工艺及流程

(1)确定孔的位置和钻入外插角后，通过Φ130 mm钻头以较低的速度钻至1.2 m，再安放孔口管。

(2)通过直径Φ108 mm，管壁厚度δ=5 mm的无缝钢管对孔口管进行加工，管长1.2 m，通过钻机将孔口管打击安装到规定距离，用水泥基锚固剂锚固，以确保孔口管安放稳固不漏浆。

(3)孔口管安装完毕后开始钻孔。用Φ90 mm的钻头管将止浆墙钻穿后再退出。之后利用水钻钻Φ90 mm孔，钻孔至设计距离后，拆卸2 m钻杆，之后开始注浆，待注浆满足要求后再拆卸钻杆并再次注浆。依次循环，直至结束该孔注浆。

(4)注浆采取钻杆后退式分段注浆，每段长度2 m，其注浆施工工艺过程如图3所示。

2.3 注浆材料及参数

浆液的相关参数如表1和表2所示。注浆参数控制如下。

(1)浆液凝胶时间。在注浆的整个施工过程中，双液浆的凝胶时间不应超过3 min，否则很难保证浆液的扩散区域。

(2)单孔单段注浆量。计算公式为

Q=πR2Hnα(1+β)

(1)

式(1)中：Q为单孔单段注浆量，m3；R为浆液扩散半径，m；H为注浆分段长度，m；n为地层空隙率(裂隙度)；α为地层空隙或裂隙填充率；β为浆液损失率。

图3 注浆工艺流程图Fig.3 Grouting process flow chart

本次注浆设计单孔/米注浆量为

Q=πR2Hnα(1+β)=

3.14×22×2×0.22×0.9×(1+0.1)/2=

2.74 m3/m

(2)

(3)注浆分段长度。本次循环采取钻杆后退式注浆工艺，分段的距离为2 m。

(4)注浆终压。本循环为含水率较高黄土地层注浆施工，可注性好，注浆压力取值4～6 MPa。

表1 浆液配比参数表Table 1 Slurry ratio parameters table

表2 注浆设计参数表Table 2 Grouting design parameters table

2.4 注浆顺序

在正式注浆施工开始前先通过注浆孔对止浆墙前方5 m范围内进行前进式注浆，并对止浆墙和初支之间的裂缝封堵。半断面注浆结合发散-约束型注浆原则，由外向内、由下到上、间隔跳孔注浆施工作业。

(1)跳孔注浆原则：采用分序跳孔注浆不仅能在一定程度是保证完成约束注浆，同时也有利于浆液的扩散进而保证其密实性。此外，分序跳孔注浆可以对前序孔的注浆效果进行判断和评价，有利于施工质量的控制。

(2)由下层到上层原则：宜采用由下层到上层方法进行注浆施工，依次施作钻孔、检查孔。这是因为受自身重力的作用，浆液会向下部堆积从而影响下方的注浆质量。

(3)由外侧到内侧原则：外圈的孔完成注浆后可以先将需要注浆的区域进行围住，这样能更加有效地保证内圈注浆效果，达到挤密和压实的目的。

(4)约束-发散原则：注浆工程在前期回填注浆施工结束后，按约束-发散原则先进行外圈孔注浆施工，再进行内圈孔施工。

(5)定量-定压相结合原则：在注浆工艺中，由于注浆扩散半径是一个经验参考值，它不能表示浆液在地层中最大的扩散区间，不仅浪费了注浆时间和材料，且起不了注浆作用。即注浆应该对先序孔和后续孔分别采取定量和定压注浆。

2.5 注浆结束标准

(1)单孔注浆结束标准：注浆过程的主要压力和流量特征表现为压力的增大和流量的减小。当压力达到4 MPa并且保持稳定在10 min后即可以停止注浆。

(2)全段结束标准：所有的注浆孔都结束后，按总注浆孔的5%比例对孔洞进行检查，如果均满足规定要求则可停止注浆。

2.6 注浆效果检查及评定

如果注浆不满足要求则需要进行补孔注浆。

(1)当地层中的裂隙填充率达到了80%则表明达到开挖要求。

(2)经过注浆后，检查孔应成孔完整，不能有涌砂、涌泥等灾变现象。检查孔静置1 h后，也不能产生以上迹象，否则，注浆很难满足注浆效果，应补充注浆。

(3)通过摄像对地层的诚恐和注浆效果进行评价。

3 注浆效果分析

注浆自2017年7月6日开始，7月27日结束，共计施作37孔。至2017年7月28日完成全部注浆孔37个、检查孔3个，共计注浆量水泥-水玻璃双液浆1 234.43 m3。现对注浆效果进行分析。

3.1 分析法

3.1.1 注浆量分析

现场注浆量结果分布如图4所示，注浆单孔注浆量所占的比例如表3所示。本循环注浆量共计1 234.43 m3。本段周边注浆加固体积V=4 892.15 m3。

图4 终孔断面注浆量分布图Fig.4 Grouting quantity distributiondiagram of final hole section

表3 单孔注浆量Table 3 Single hole grouting amount

按照22%孔隙率，浆液损耗率10%，浆液地层流失系数10%来计算，浆液填充率计算如式(3)所示，结果表明浆液的填充率达94.8%，符合要求。

α=Q/1.1Vn(1+β)=

1 234.43/1.1×4 892.15×0.22×1.1=

94.8%

(3)

3.1.2P-Q-T曲线分析

现场的注浆压力和注浆量随时间变化的趋势主要表现为图5的3种形式。

P为注浆压力；Q为注浆量；T为时间图5 P-Q-T曲线Fig.5 P-Q-T curve

图5(a)为注浆初期的注浆孔施工时的P-Q-T曲线。如A3、C5等，注浆孔注浆过程中，期初压力小，注浆流量一般在75～85 L/min范围。由图5(a)可知，初期的注浆压力基本保持不变，当疏松的岩体被浆液逐步充填并挤压、密实后，压力压力表现为突然迅速增大甚至超过规定压力。

图5(b)为注浆中期注浆过程体现出来的P-Q-T曲线。由于初期充填注浆已有部分浆液渗透过来充填孔隙，如B3、B7等，注浆孔初始注浆时有比较小的压力对底层进行挤密，初期地层的吸浆量较大，流量在70～80 L/min。随着孔隙的充填，地层逐步密实，当注浆压力到达规定值时，即停止注浆。

图5(c)为注浆后期加压注浆过程的注浆孔施工过程体现出来的P-Q-T曲线。基于之前两阶段的注浆，如C4、C6、C8等，此时地层已经较为密实，整体的吸浆能力明显削弱，体现为初始注浆时已有1.5～2.0 MPa压力，但此时地层还具备一定的压缩空间，注浆量随着注浆的压力的升高表现为快速减小。

3.2 检查孔法

现场检查采用孔内成像仪将摄像探头深入检查孔内进行检查并保存。根据注浆量及后续开挖要求，检查孔共安设3个，孔位布置如图6所示,检查孔孔内摄像截图如图7所示。检查孔的钻孔地质情况如表4所示。检查孔钻孔完成后推入竹竿检查成孔状态，在检查孔施工完成2 h后，均无塌孔情况出现，检查孔成孔后均无水。

J1～J3为检查孔位置图6 检查孔布置图Fig.6 Inspection hole layout

图7 检查孔孔内摄像图(1∶50)Fig.7 Photographof the inspection hole(1∶50)

表4 检查孔地质情况Table 4 Geological conditions of inspection holes

4 帷幕注浆效果验证

施工现场自稳能力差，常发生掌子面跨塌、溜泥等现象，现场掌子面揭示如图8所示。现通过数值分析对帷幕注浆效果进行验证。

图8 开挖揭示掌子面图Fig.8 Excavation reveals the face map of the palm

4.1 计算模型和参数

D为隧道洞径图9 计算模型图Fig.9 Calculation model diagram

计算模型的左右及下边界取四倍洞径，隧道埋深按实际埋深，采用弹塑性模型和 Mohr-Coulomb 屈服准则。模型四周约束水平位移，底部约束竖向位移。隧道计算模型如图9所示。根据室内模型试验和工程设计资料确定围岩和支护结构的力学参数如表 5所示。根据规范，取无支护时应力释放率为30%，初期支护承担70%的围岩应力释放。注浆后弹性模量提高 30%，密度提高 10%，摩擦角提高30%，黏聚力提高 50%，其他参数不变。格栅钢架和喷射混凝土在计算模型中采用等效刚度进行计算，具体计算公式为

(4)

式(4)中：E为喷射混凝土折算后的弹性模量；E0为原混凝土的弹性模量；Sg为格栅钢架的钢筋截面积；Eg为格栅钢架的弹性模量；Sc为喷射混凝土截面积。

表5 数值计算参数Table 5 Numerical calculation parameters

4.2 计算结果分析

隧道上半断面注浆与否的拱顶沉降、掌子面挤出、仰拱隆起和水平收敛的数值分析计算结果对比如图10所示。

图10 帷幕注浆效果对比图Fig.10 Comparison diagram of curtain grouting effect

由图10可知，上半断面帷幕注浆对掌子面挤出位移的影响较大，对仰拱隆起值影响较小。在隧道上半断面进行注浆后，拱顶的最大沉降值由23.86 mm降低至20.60 mm，降低13.66%。掌子面挤出值由28.57 mm减小至16.52 mm，减小42.18%。仰拱隆起值由33.94 mm减小至32.93 mm，减小2.98%。水平收敛值由22.23 mm减小至18.19 mm，减小18.17%。

5 结论

针对小南塬隧道围岩破碎不堪及涌水量大等工程特性，采用上半段面帷幕注浆加固设计方法对不良地层进行加固，并基于现场试验结果对帷幕注浆的加固效果进行评价和提出施工建议。

(1)现场钻孔得到的地质情况与注浆量分布较为平整，P-Q-T曲线图表明后期注浆量明显降低，注浆压力则有较大升高，地层的吸浆能力明显削弱，表明地层基本被加固密实。

(2)检查孔钻孔和孔内成像结果表明孔内成孔效果良好，水泥浆液脉络清晰可见，无塌孔迹象，循环注浆加固效果良好。

(3)现场建议采用三台阶法施工，开挖时除止浆墙弱爆破外，其余段落开挖均需采用机械配合人工开挖。此外，在隧道的开挖过程中尽量配合小导管施工，以形成系统的超前支护体系。

(4)数值分析结果发现上半断面帷幕注浆可以有效减小围岩的变形，其中对掌子面挤出变形的减小值达到42.18%。