劈裂注浆改良倾斜基岩上第四系沉积地层注浆效果研究

刘雪冬

(中铁二十二局集团第一工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000)

1 引言

我国幅员辽阔，地质构造复杂，在隧道施工过程中，经常遭遇软弱破碎围岩地质条件等地质情况相对较差的地层，尤其是第四系与第三系岩层斜交地层，地质条件复杂，施工难度大，是近年来修建隧道过程中遇到的一个新的难题，给施工过程带来许多困难。地下工程预加固注浆主要由地表垂直注浆与洞内超前全断面注浆2种，根据不同的条件进行合理选择，综合成孔难度、注浆工艺操作性、注浆可靠性以及对洞内开挖的影响等因素看，地表注浆更加具有优势，推广的价值更高。

2 工程背景

依托东北高寒地区哈牡客专工程爱民隧道，位于黑龙江省牡丹江市，全长2940m，为双线隧道。隧道埋深较浅，暗挖最大埋深60m，最小覆土厚度8m。地表地质情况为表覆第四系松散沉积层，下伏第三系砂泥岩、玄武岩及燕山期花岗岩，接触关系复杂，黏性土具有弱～中等膨胀性，含水量较大，隧道穿行于土石界面中，地质条件复杂，围岩稳定性差，地表注浆段埋深8~20m。属于铁路总公司“地质条件复杂、浅埋、大跨、偏压、富水、高寒”的极高风险隧道。对该段实施地表劈裂注浆处理，提高围岩强度，降低围岩的透水性能，加强隧道成拱作用，确保隧道施工安全。

图1 地表注浆区地质纵断面图

3 注浆方案

3.1 作用机理

在注浆压力作用下，浆液克服了地层的初始应力和抗拉强度，使地层沿垂直于小主应力的平面上发生劈裂，浆液进入劈裂地层形成脉状浆液固结体。脉状浆液固结体、由于浆液与地层颗粒的化学作用以及因浆液脉状渗透的注浆压力而挤密的地层、未受注浆影响的原始地层一起组成一种复合地基，可共同承受外部荷载。劈裂注浆通过形成网状劈裂脉，使土体的力学性质及透水性得以改善，在层状软岩中则产生水平劈裂裂隙。

3.2 实施方案

3.2.1 加固范围

加固宽度为隧道两侧最大跨处向外6m，加固深度为自隧底下1m加固至拱顶上6m范围，加固总宽度为25.82m，钻孔最深为30.5m，单孔注浆加固长度为18.9m。如图所示。

图2 断面加固范围

3.2.2 孔位布置

现场选取50m作为试验段，采用地表径向大孔径深孔注浆工法，确定注浆的扩散半径1.5m，注浆孔间距2.0m，等边三角形布置，钻孔直径108mm，注浆管采用外径76mm、壁厚5mm，定向注浆管，采用气囊式止浆塞。接头采用φ89 mm、壁厚5mm外套管满焊连接，在注浆管底部加闷盖。

黏土孔隙率：黏土在勘探过程中，钻探口径及钻具规格符合现代国家标准的规定，成孔口径满足取样、测试以及钻进工艺的要求，勘察施工按照《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）执行；标贯试验采用Φ42mm钻杆作为触探杆，自由落锤，并按规范定试验。勘探结果数据为：标贯试验数据平均值N=4.4，孔隙比平均值e=0.74。孔隙率η=e/(1+e)=0.425。

注浆量计算过程：根据勘察报告及相关地质资料每米孔深注入水泥浆量公式按Q=1000vηβα。Q-每米注浆量（m3）；v-预加固土体积（m3）；η-土的孔隙率；β-浆液填充系数；α-浆液损耗系数一般取1.1～1.3。

通过计算Q=3.421×0.425×0.3×1.2=0.523m3/m。

3.2.3 注浆材料

隧道开挖轮廓线外两侧主要采用普通水泥-水玻璃双液浆形成挡墙，轮廓线内主要采用普通水泥浆单液浆。当内部地下水丰富，地下水活动较强，吸浆量大，注浆压力不上升的情况下内外均采用双液浆。并根据施工需要适当掺入外加剂调整浆液的流动性，最终确定使用P.O42.5水泥，水玻璃采用出厂浓度45Be‘，模数2.4～3.4水玻璃。

经现场试验，终配比为：外圈双液浆封孔采用水灰比为1:1，水泥浆与水玻璃体积比为1:1，水玻璃使用时根据现场情况调整到35Be‘，凝胶时间60s。套壳料配比（水:灰:膨润土）=1.6:1:1，注浆速率10～90L/min。

3.2.4 注浆次序及压力控制

注浆顺序选择应从外围达到“围、堵、截”的目的，在内部应达到“填、压、挤”的目的。劈裂注浆过程是重复注浆的过程，随着注浆次数的增加，首先将大的地层空隙充填，逐渐压密，最后劈裂，注浆压力也会随着次数的增多而增大。单管注浆压力控制顺序：注浆采用单孔分段定量控制→提升注浆管（维持终压稳压5～10min）→单管单次注浆结束→洗孔→复注，直至升压至终压为止，为保证挤密～劈裂效果，终压定为4～6MPa。

4 注浆效果分析

现场实测分析如下。

4.1 掌子面开挖揭示对比

通过观察掌子面开挖后的揭示，注浆前掌子面渗水，胶结较差，含水率较低，承载力低，开挖扰动后拱顶多发生坍塌现象，变形严重；注浆后掌子面浆脉明显，压密~劈裂的效果非常明显，直立稳定性明显增加。

图3 注浆前掌子面土体剥落初支开裂变形

图5 注浆后钻芯取样

4.2 取芯情况

采用取芯钻机在地表向下取芯，夹杂碎石的黏土地层注浆后取芯呈圆柱形态，通过观察，可见浆液扩散厚度和填充情况，证明开挖后能够保证掌子面的稳定，围岩密实程度增加。

4.3 注浆填充率

注浆周边孔在注浆过程以注浆量进行控制，表现为先序孔填充地层空隙，在达到设计注浆量后，压力不上升，调整浆液凝胶时间，以达到设计注浆压力。内部孔注浆过程中以注浆压力主控，对地层剩余空隙进行填充，压力上升较快。

通过发散-约束型注浆，对注浆过程控制标准进一步加强，在地层空隙被填充后，经内部注浆孔补充填充并形成劈裂注浆，进一步提升了地层的承载力，符合地层加固规律，达到设计注浆目的和效果。分析所有地表注浆段落注浆量情况，得知平均单孔延米注浆量0.87m³/m，浆液填充率达到15%～33%，局部段落的填充率达到惊人的46%，主要由地层松散导致注浆压力上升十分缓慢引起。

4.4 变形监测

在隧道拱顶布置拱顶沉降观测点，在各台阶底脚上部30～50cm布置收敛变形点进行观测。掌子面施工至DK293+195.6里程处，对DK293+195.6～212里程段的累计变形数值进行统计。

监测发现，该类黏土地层虽然分布在倾斜基岩上，但侧向收敛变形并不大，变形主要由沉降变形引起，由于开挖临空段落不长，仰拱、二衬跟进及时，应力能够快速平衡，确保整个隧道结构的长久稳定。

各个关键部位注浆后的位移值和增大速率明显小于注浆之前。注浆前的拱顶、拱腰和边墙的最大位移值分别为48cm、35cm、20cm，注浆后的拱顶、拱腰和边墙的最大位移值分别为10cm、7cm、13cm，虽然得出的结果较现场实践偏小，分析原因是现场施工增加了诸多不稳定性因素，但从结果对比可以看出，全断面注浆改善了围岩性质，可以有效减小围岩变形。

5 结语

（1）针对倾斜基岩面上的第四系沉积地层的注浆效果分析十分有限，效果分析应该以地质情况、工艺过程情况、解决方案、实际监测数据综合分析对比进行，辅以理论预测核对。

（2）不同地层的物理力学参数差异较大，该种地段，应尽量缩小注浆区域，保证注浆效果均匀，注浆过程中要采用单孔分段定量控制→提升注浆管→单管单次注浆结束→洗孔→复注，直至升压至终压为止。出现压力持续不上升的情况下，应及时调整浆液凝胶时间，达到定向控域的效果。

（3）重视过程分析及效果验证，随着注浆的结束，土体发生压缩和变形，致使土颗粒间产生互相“楔紧”的作用，在一定范围土层中产生“拱效应”，使密贴在围岩下的初期支护承载应力降低，隧道变形得到有效抑制，最大围岩变形由50cm降低至10cm，隧道关键部位的围岩位移值减小了50%以上，围岩层间裂隙水被有效排出，空隙被浆液填充，对改善围岩性质有很好的效果。

（4）注浆参数对于地层力学结构改变有较大的差异，由于注浆的成本较高，既要达到现场施工安全可控又要达到经济合理，需要不断实践总结。