于都一号隧道Ⅵ级围岩深孔固结地层关键技术

左季康

向莆铁路股份有限公司，福州 350000

在隧道设计及施工过程中经常会遇到软弱破碎围岩、岩溶发育、浅埋偏压现象显著等技术难题，处理不当则出现涌水突泥，地表塌陷、支护结构变形破坏甚至围岩硐室坍塌等事故［1-2］。上述类型的隧道工程中，围岩等级通常划定为Ⅴ级，围岩破碎且完整性较差。为保证施工安全及施工进度，须要提前采取预加固措施［3-6］。目前常用方法有超前小导管法、管棚注浆法、帷幕注浆法、水平旋喷注浆法以及预切槽和冻结施工等［7-8］。赖金星等［9］通过有限元手段模拟了围岩条件较差情况下采用水平旋喷桩和超前管棚组合加固，并重点分析了浅埋暗挖隧道中的管棚注浆法支护效果。秦长坤等［10］等以软弱围岩隧道为研究对象，通过有限差分软件模拟了超前小导管加固技术。研究了其加固承载机理和支护效果评价。郑青［11］以超细水泥为基料，研究了含有缓凝剂磷酸氢二钠、水玻璃等添加剂的双浆液在Ⅴ级富水软弱地层中的注浆止水效果。岳洪武等［12］等采用MIDAS/GTS 建立了管棚预注浆支护模型，研究了Ⅴ级围岩下超前支护对地表沉降的控制效果。

以往的研究表明国内关于施工超前注浆技术的研究主要集中在Ⅴ级围岩地层中，且多采用的是数值模拟及室内试验，实际的现场注浆效果及特殊环境下施工注浆技术体系鲜有介绍。随着国内铁路隧道工程中遇到的Ⅵ级围岩特殊地层工况越来越多，部分专家学者也展开了一定研究，但针对Ⅵ级围岩超前预加固技术的系统性实践成果仍较少。传统的隧道超前预加固技术如帷幕注浆法、水平旋喷桩法等洞内实施的工法具有施工程序复杂，预加固刚度和强度难以控制、进度慢、安全性差等问题。因此，本文以于都一号隧道Ⅵ级围岩段为研究对象，综合采用现场测试及数值模拟等手段，研究了深孔固结地层法在Ⅵ级围岩特殊地层中的应用，总结了Ⅵ级围岩条件下深孔固结法关键技术。同时，从不同角度开展了地层固结质量的现场验证，进一步分析深孔固结地层法在该类特殊地层实施过程中存在的问题和取得的效果，为类似隧道工程提供参考。

1 工程概况

于都一号隧道位于江西省赣州市兴国县和于都县交界处，全长6 285 m，为设计时速160 km/h 的单洞单线隧道，最大埋深约281 m。如1 所示，Ⅵ级围岩段长155 m（D1K30+975—D1K31+130），位于沟谷，隧道埋深39～58 m，采用台阶法施工。该段为区域性压扭大断裂，属于樟木构造，线位附近走向为N28°E，挤压现象明显，断层两侧片理化、糜棱岩化甚为发育，该断层倾向南东，倾角65°～85°。现场钻孔勘测查明，破碎带岩层为砂土夹碎块石，无胶结，结构松散。隧区地表水主要为季节性沟谷流水。受构造运动的影响，基岩中裂隙发育。特别是在节理密集带或断裂破碎带附近地下水富集。

图1 Ⅵ级围岩段平面布置

2 深孔固结地层加固设计及施工工艺

2.1 地表加固范围

在D1K30+975—D1K31+130（长度155 m）范围内地表采用刚性袖阀管注浆加固，横向加固范围为隧道中线左右两侧各9.475 m；径向加固范围为隧道开挖面及开挖轮廓线外5 m。地表注浆加固范围见图2。

图2 地表注浆加固范围（单位：cm）

2.2 注浆参数

地表注浆段埋深39～58 m，钻孔深度大于50 m，地质条件差，钻孔易塌孔，难度较大。故注浆固结区采用单向溢浆孔袖阀管，袖阀管与岩体固结形成微复合桩效应。固结区外采用无溢浆孔袖阀管；袖阀管标准节长度3 m/节（孔口处为非标准节），最底部加工成锥形封闭，每两节采用φ89 mm（壁厚5 mm），长50 cm外套管满焊连接。单向溢浆孔袖阀管每隔60 cm 设1 个溢浆孔断面，每个断面布置4 个φ8 mm 单向溢浆孔，溢浆孔上下各5 cm 部位安装φ10 mm 钢筋套环，防止袖阀管下管过程中橡胶套碰撞管壁受损。

施工材料中套壳料采用膨润土-水泥浆，周边注浆孔以普通水泥-水玻璃双液浆为主，全孔长注浆形成止水帷幕；中间孔注浆以普通水泥单液浆为主；普通水泥采用P·O 42.5 硅酸盐水泥，试验比配见如表1。浆液扩散半径为1.2 m；注浆速度10～70 L/min；注浆压力5～7 MPa。采用后退式分段注浆工艺。

表1 浆液配比

2.3 注浆工艺流程

2.3.1 孔位布设

钻孔间距为1.75 m × 1.75 m，呈等边三角形布置。钻机就位于整平稳固的地基之上，以确保钻孔平稳。在避免互相影响的情况下，采用多台钻机同时施工。就位时使钻机准确对位于已测量的点位之上，孔位水平偏差控制在±5 cm范围内。

2.3.2 钻孔和清孔

钻孔顺序按“由上至下、先周边后中间、分段分片、跳孔施钻”的原则进行，主要防止砂石地层钻孔过程中高压风影响临近孔套壳料的施工。钻孔过程同步检查钻孔的垂直度，并及时纠偏。钻孔孔深根据前期钻孔沉渣检测情况，在设计基础上加深30 cm，以确保袖阀管孔底标高满足设计要求。检查孔深、垂直度符合要求后，采用高压风从孔底向孔口清理钻渣，清渣完成后先退内部钻杆，利用钻机臂安装完袖阀管后，再退外部套管，防止安装袖阀管前出现塌孔。

2.3.3 袖阀管安装

袖阀管由钢筋加工厂集中加工，在钻孔、清孔完成后钻机外套管取出前安装。分节下放φ76 mm 刚性袖阀管至孔底，袖阀管采用φ89 mm 外套管接头满焊连接，安装过程必须进行垂直度测量，确保袖阀管垂直度偏差不大于1/150，袖阀管深度下至孔底后，孔口部位外露不小于50 cm。安装完成后确保袖阀管位于孔位正中，做好袖阀管孔口临时堵塞，防止异物不慎掉入袖阀管，影响注浆。

2.3.4 套壳料填隙

袖阀管安装完成后，在袖阀管与孔壁间隙利用φ22 mm 高压软管，采用反孔灌浆的方式将袖阀管与孔壁间隙充填密实，防止注浆过程浆液上窜。套壳料填满全孔孔隙后方可退出钻机外部跟管，套壳料达到强度后进行注浆作业。

2.3.5 注浆

注浆顺序如图3 所示，注浆顺序按“分段分片、先周边后中间、隔孔跳注”原则推进。周边孔按先上游后两侧再下游进行注浆；中间孔按红色连线孔→紫色连线孔→蓝色连线孔的顺序，先上游（线左）后下游（线右）进行注浆。

图3 分段注浆步序

周边帷幕孔注浆方法：待双液止浆塞给压定位完成后，先接通水泥浆液管路进行注浆冲压。当水泥浆液冲破袖阀管外皮后，再接通水玻璃管路，然后2根管路同时注浆，当注浆压力达到试验终压，注浆流量小于10 L/min 并维持10 min 以上时，先暂停水玻璃管路的输送，水泥浆管路继续送浆3 min，避免管路堵塞。结束该段注浆，释放止浆塞内压力，使止浆塞膨胀恢复，后退止浆塞一个注浆步距至第二段注浆。

中间孔注浆方法：将止浆塞与注浆管配套下入袖阀管中，并进行止浆塞初始定位；利用止浆塞给压装置向止浆塞内注水，使其膨胀密贴管壁（试验所得膨胀压力7～8 MPa）；接通管路进行注浆施工，注浆压力达到试验终压，注浆流量小于10 L/min，并维持10 min 以上，可结束该段注浆；释放止浆塞内压力，使止浆塞膨胀恢复，后退止浆塞一个注浆步距至第二段注浆。按以上顺序循环，直至将所有注浆孔注浆完成。

3 数值模拟

3.1 数值模型及参数

结合工程现场注浆及施工方法，为简化计算，将地面深孔固结注浆影响区定为开挖轮廓线外5 m 范围。为消除边界效应的影响，左右两侧取3 ～5倍的洞泾，埋深定为50 m。整个模型长为90 m，高为105 m，纵向取10 m。模型底部进行全约束，四周采用法向约束。初始应力场仅考虑重力场。岩土体采用摩尔库伦本构模型，初期支护采用线弹性本构模型。模型参数根据岩土体现场实测及室内试验取值，见表2。

表2 模型参数取值

3.2 模拟结果分析

3.2.1 应力变化规律

注浆加固前后围岩应力分布具有较大差异，见图4。开挖后注浆前最小主应力在0.25 ～4.16 MPa。注浆后砂土地层黏聚力和整体性显著增加，通过黏结周边碎块石，进一步完善了岩土体孔隙结构，完整性和强度均显著提高。围岩应力增幅约20%～25%。洞周附近最大剪应力由1.17 MPa 增加到1.66 MPa。表明注浆加固后的岩体承担更多开挖引起的岩体塌落荷载及变形。

图4 围岩-支护结构应力变化（单位：Pa）

在未注浆条件下，衬砌拱顶及拱底的竖向应力均较大，最大达到0.35 MPa。边墙和拱腰处较小。注浆后，衬砌顶部和拱底竖向应力降低50% ～70%。这表明深孔固结地层加固可有效减小围岩对支护结构产生的外部荷载。

3.2.2 位移变化规律

施工后由于进行了及时支护，在未注浆条件下隧道开挖引起的拱顶下沉和地表隆起量分别约为8 mm和6.5 mm（见图5）。在注浆加固下，竖向变形量降低了约35% ～50%。水平位移结果显示，开挖引起了明显的洞周收敛。其中未注浆条件下变形收缩量平均约5.7 mm。注浆加固后水平位移仅2.68 mm。施工前进行地层固结注浆能有效降低开挖对围岩稳定性和变形的影响。

图5 围岩变形及塑性区分布（单位：m）

3.2.3 围岩塑性区变化规律

围岩的力学性状能通过塑性区的大小和分布特点来反映，开挖引起的塑性区主要分布在拱顶及两侧边墙处。对比常规开挖和地层固结后开挖两种条件可以看出，注浆加固后再开挖两侧塑性区减少了约1.5 m，表明围岩注浆加固后其稳定性得到了显著提升。

4 地表预加固效果检验

4.1 压力P-流量Q-时间t曲线

根据地质特征、注浆设备性能、注浆参数等对P‐Q‐t曲线（见图6）进行分析，从而对注浆效果进行评判。当注浆施工中P‐t曲线呈上升趋势，Q‐t曲线呈下降趋势，注浆结束时，注浆压力达到设计终压，注浆速度达到设计速度（常取5～10 L/min）则满足效果检查要求。随着注浆的进行，流量由大变小，压力由小变大，过程中地层被浆液充填密实，注浆压力上升，注浆流量减小，符合填充、劈裂加固的机理，地层取得较好的改良效果。

图6 P‐Q‐t曲线

4.2 取芯验证

为对比注浆初固效果，在注浆区域按注浆孔数的3%进行取芯［13］。取芯点位选择在注浆孔扩散薄弱部位（即注浆孔三角中心）。现场在同区域，采用相同取芯工艺，通过注浆前后的芯样对比进行注浆效果分析，如图7所示。注浆前芯样所处区域地下水富集，芯样完整性较差，基本不成型；在经过周边孔帷幕注浆止水和中间孔固结注浆后，在芯样中能明显看到水泥浆液与泥浆的混合凝结块，侧面反映了该段通过注浆加固地层得到较大改良，从而为洞内施工创造了良好条件。

图7 注浆前后的钻孔芯样

4.3 施工揭露观察

4.3.1 超前钻孔

洞内掌子面掘进至D1K31+131 部位（距加固段1 m），现场利用高清孔内成像技术，通过超前水平探孔进行了洞内掌子面前方地层加固的孔内成像，见图8。孔内有较多的水泥与岩体胶结迹象，反映了地表注浆对岩体固结效果较明显。

图8 洞内探孔内成像

4.3.2 洞内涌水测量

D1K31+110 —D1K31+130 试验段于 5 月 20 日开展地表注浆工作，7 月28 日注浆完成。随着注浆的逐步推进，掌子面前方抽排水量由注浆前的432 m3/d 减至144 m3/d，印证了地表注浆对孔隙的封堵有较为明显的效果。

4.3.3 掌子面围岩

从出口掘进至加固区域后，掌子面可见明显水泥浆液胶结，无裂隙水，自稳性较好（图9）。岩性为弱风化砂泥岩，节理裂隙较发育，地下水不发育，泥浆充填，岩体完整性较好。

图9 掌子面开挖情况

5 结论

1）对于Ⅵ级围岩隧道开挖而言，可采用深孔固结地层法进行预加固，其中套壳料施工质量是袖阀管注浆成功与否的关键，要防止封孔套壳料被水稀释。

2）“由上至下、先周边后中间”的钻孔注浆原则是为了形成隔水帷幕，防止周边水系对固结区干扰并确保加固区浆液的充填性。“分段分片、跳孔施钻”主要是根据钻孔对地层的影响范围，合理调整片区分布和钻孔间距。注浆施工时可通过间歇式注浆控制扩散范围或通过灌注水泥-水玻璃双液浆控制浆液凝结时间，从而有效加固地层。

3）模拟结果表明，对于Ⅵ级围岩地层进行深孔固结后可有效减少开挖对围岩稳定性的影响，改善围岩应力分布并有效控制围岩塑性区的发展，同时也降低支护结构承受的外部荷载。

4）对隧道Ⅵ级围岩进行超前预加固，采用地表超深孔袖阀管注浆，一次将隧道周围5 m 范围地层进行固结。实践证明，注浆后地层较为致密，注浆加固效果达到了于都一号隧道Ⅵ级围岩段洞内安全开挖目的，同时也进一步提高了整体固结质量，降低了后期运营质量隐患。