水平袖阀管束辅助高压注浆技术在大型突泥处治中的应用研究*

党 亮

(中交四公局第五工程有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

山区隧道的实施受诸多复杂地质问题影响，其中活断层等不良地质隧道中围岩的多变性、不均匀性对隧道建设的影响尤为严重，结晶灰岩、白云岩、全风化花岗岩等在断层作用下逐渐砂化，持续遇水影响使得砂化地层流变性显著增强，开挖过程易出现突泥、初支开裂甚至拱顶坍塌，提高对隧道泥化砂层遇水软化机理的认识非常重要。可见，研究泥化砂层隧道突泥处治及超前预加固技术尤为重要。为保证隧道的顺利开挖和结构稳定，相关人员做了大量研究。蒲小平等[1]在厦深铁路大南山隧道F2-1断层突泥涌水处治技术中提出掌子面全断面布孔的注浆堵水和加固处理技术；侯红军[2]在太中银铁路岗城隧道突泥塌方处理中提出大管棚+上半断面超前预注浆法施工处治突泥；林志平[3]在隧道突泥涌砂灾害处治措施的案例研究中提出，通过超前地质预报确定前方发生突泥涌砂灾害的可能性，进行判断后通过释能降压、注浆加固、超前支护等处置措施,有效地控制和延缓突泥涌砂灾害的发生,减弱灾害的破坏力；孔少波等[4]提出水平袖阀管深孔注浆具有广泛的适用性；吴亮等[5]在水平袖阀管注浆加固方案及效果分析中提出PVC管袖阀管注浆加固黄土、粉土等地层。相关研究为泥化砂层隧道突泥处治及超前预加固技术研究提供了思路和理论参考[6-8]。

基于此，以跑马山2号隧道施工时发生的大型突泥为工程依托，对隧道突泥处治、泥化砂层超前预加固关键技术进行研究。本文基于对跑马山2号隧道大型突泥的处治研究，采用25m水平袖阀管束，辅助8～14MPa的高压注浆，进行“先终后补、先外后内、先上后下、间隔跳孔、分段循环、靶向置换”的注浆方式加固围岩，使围岩与浆液形成了浆脉骨架，同时袖阀管束在围岩加固体中形成锚固桩作用，进一步提高了泥化砂层围岩和淤积体的稳定性。

本研究成功处治了泥化砂层围岩隧道的突泥灾害并通过突泥治理有效地稳定了周边围岩，表明泥化砂层围岩突泥灾害采用的处治技术和超前预注浆加固技术是成功的。

1 工程概况

项目位于康定市境内，地处两个一级大地构造单元附近，工程区位于鲜水河-滇东地震带内，地层岩性变化大。受F20上游断层及F21榆林压扭性活断层影响，围岩交替变化、岩性复杂、破碎富水、稳定性差，主要为沉积岩和变质岩地层。跑马山2号特长隧道起于康定市炉城南路，止于康定市驷马桥村，共长6.77km。主线纵坡坡度为2.70%，跑马山2号隧道出口为超长反坡排水施工。

2 工程地质与水文地质条件

2.1 工程地质条件

地质勘察表明，跑马山2号隧道最大埋深为1 100多m，穿越崩坡积层、断裂带、块石土、斜长花岗岩、闪长岩等，受构造影响严重发育有节理裂隙。隧道穿越3条断裂带，与线路交角较大，突泥处埋深370m，围岩性质为灰岩夹杂白云岩全风化花岗岩。

2.2 水文地质条件

隧址区地表水分布广泛，主要为降雨和融雪水补给。地下水类型主要有孔隙水、裂隙溶洞水、基岩裂隙水三类。隧道突泥段的地下水主要为分布广泛的基岩裂隙水、分布不一的碳酸盐岩、碎屑岩互层裂隙溶洞水，含水层主要为石英砂岩、炭质板岩、结晶灰岩、灰色千枚岩、泥质白云岩。受断层作用影响，地下水补给与地表联系密切。隧道出洞口上方引水渠为常年流水，水量受季节性变化影响较大。

3 突泥灾害的特征及机理分析

3.1 隧道突泥特征

隧道大型突泥发生3次，共计突泥约30 000m3，突泥物质为含泥砂水的黄色混合物夹杂块石，如图1所示。

图1 隧道突泥物质

基于突泥现场调查和视频分析，隧道突泥灾害总体表现为“能量大、速度快、集拱顶、泥砂化”形式。3次大型突泥发生时间无规律可循，但突泥发生前偶有打雷般响声，突泥从管棚缝隙的薄弱部位突出，主要集中在拱顶部位，突泥发生时速度快、突泥体中携带大小不等的岩石颗粒，最大粒径约50cm，冲击性大、破坏性强，拱顶管棚及超前支护在突泥发生后均有破坏。

3.2 隧道突泥的机理分析

20世纪50年代以前，岩体的渗流问题基本上是采用多孔介质理论研究，岩体作为介质体是多向且不连续的，同时它将各种地质作用下产生不同大小、不同方向、不同性质的裂隙，形成复杂的网络结构。突涌水的形式正是完整岩体裂隙演化构成了突水通道导致，即：在不考虑外力干扰影响时，受岩石类材料本身裂纹演化的影响发生裂隙演化，岩体中的不连续裂隙易在高水头作用下发生扩展，形成贯通裂缝后逐渐扩张，最后导致水力劈裂。

突泥段处在断层带，地下水系活动复杂，围岩由结晶灰岩、白云岩、全风化花岗岩组成，由于地质作用影响，形成了多个不规则的相对隔水层，无外力扰动时处于稳定状态。从突泥后的监测数据分析，初支基本稳定。

数据整理分析如表1所示，突泥点位于断层上下盘接触带处，该断层为榆林压扭性断层中的唯一逆冲走滑断层，断层面倾向东，倾向约78°，倾角约75°。该断层具有以下特征。

表1 围岩纵断分布特性统计

1)破碎带 宽度约191m，由糜棱岩、断层泥、构造角砾岩及碎裂岩、构造透镜体组成。糜棱岩呈粉末状，遇水迅速软化成泥，亦称断层泥，极软弱，易崩解，为相对隔水层。构造角砾岩位于断层泥、糜棱岩和碎裂岩之间，充填泥质，岩性软弱，为相对弱透水层，由于是压扭性断层，构造角砾岩厚度不大。碎裂岩岩体极破碎、为非均质散体结构，可能局部有泥化夹层和大小规模不一的硬岩透镜体，为相对含水层。

2)上盘影响带 宽度约220m，岩性主要为花岗闪长岩，节理裂隙极发育，属极破碎硬质岩，有利于地下水赋存，为相对含水层。

3)下盘影响带 宽度约84m，岩性主要为绿泥石片岩、铝土质泥岩等软质岩石，构造变形特征主要是牵引褶皱发育，岩体极破碎，遇水易软化，系易产生塑性变形的软岩，为相对隔水层。

进一步结合地勘及现场情况分析，该段围岩受断层构造作用影响，下盘断层附近二迭系P变质岩地层形成了1层以糜棱岩、断层泥为主的相对隔水层，上盘花岗岩断层位置岩体破碎，岩体间裂隙为地下水的赋存提供了良好的地质条件，形成了1段相对富水的地质单元，隧道的开挖扰动打破原有环境，为地下水排泄提供了较好的通道，使得上盘富水单元地下水沿纵向裂隙向隧道内排泄，继而带动沿途破碎软弱的糜棱岩，从而形成突泥。

基于此，从地质角度分析隧道发生突泥涌砂的机理，主要原因为隧道顶部的泥化砂层受到上覆岩层孔隙水的软化以及施工扰动,强度显著降低，难以形成承载拱效应支撑上覆土层压力，导致拱顶部位泥化砂层坍塌后砂层涌出，突泥后水流具有一定的泥滑感。

4 隧道突泥的处治

突泥发生在受断层作用影响的泥化砂层围岩中，泥化砂层主要由结晶灰岩和白云岩以及全风化花岗岩构成，岩体呈松散致密的泥化砂状，经地下水长期浸泡软化后形成软弱富水状散体结构。泥化砂层具有一定的保水性，突泥物质均为泥砂水混合物，静置一段时间后有部分水析出，抽水长时间静置后具有一定承载力，站人时发生轻微下陷。

根据突泥发生的特性，突泥的处治主要从掌子面稳固和超前加固及预支护两个方面进行，遵循“安全清淤、残泥稳固、管束稳定、高压注浆、超前管棚、参数强化”等原则。

4.1 隧道突泥掌子面稳固

突泥体堆积厚、长度约400m，分布于隧道全断面中，稳定性较差。基于以上勘察监测分析，掌子面难以直接进行清淤加固，在监测和观察突泥体稳定后，沿隧道一侧采用片石回填挤淤铺筑1条宽约5m通道至掌子面附近后分步清淤，视现场清淤高度及淤泥稳定监测情况设置顶宽1m的C20混凝土拦泥坝，底部嵌入稳定基础，保证清淤时掌子面的稳定。

对于残余淤积体采用C20混凝土喷射封闭掌子面，采用6～9m长的2排φ42×4钢花管注浆固结。封闭掌子面同时预埋仰斜式直径10cm PVC管泄水孔，同时在前方设置集水坑，及时抽排洞内积水，如图2所示。

图2 清淤拦泥坝及加固排水

4.2 突泥及掌子面前方围岩预加固

在清淤至掌子面约6～10m时设置2m厚C25混凝土止浆墙，墙体使用φ12@200双层钢筋网加强和小导管注浆锚固。周边预埋1m长φ42导管，管口紧贴初支面，通过导管进行注浆对止浆墙与初支间的裂隙进行封堵，形成封闭体系。

止浆墙上设置导向孔，孔口管为2m长φ108×4钢管，孔口管上缠绕麻丝且采用锚固剂密封管墙间隙，孔口管前端设置高压闸阀，通过高压闸阀先裸孔前进式注浆3～5m，以防止高压注浆时向掌子面后方围岩返浆。

4.2.1水平袖阀管束高压注浆加固地层

现场查看突泥物质为泥砂夹杂块石和部分碎石，基于实际情况，列举出水平袖阀管束高压注浆、水平旋喷桩、管幕注浆、冷冻法等方案，如图3所示。

图3 隧道突泥处治方案横断面对比

由于突泥及其围岩中夹杂块石，水平旋喷桩和管幕注浆钻孔施工难度较大，且每循环为15m,循环次数多，无法保证施工效果；冷冻法施工费用高(45万元/延米)、工期长，且在山岭隧道中极少使用；水平袖阀管束注浆相对更适合在软弱富水围岩中施工，且采用前进式循环注浆能有效避免成孔困难等问题，相对费用较低，工艺简单。经综合分析比较，选择水平袖阀管束辅助高压注浆工艺。

基于突泥淤积体稳定及隧道拱效应分析，突泥点位于隧道拱部偏右，隧道初期支护在未成环的情况下，难以形成有效的承载拱效应，随着隧道开挖临空面增加，拱部承受压力逐渐增大，由于拱部右侧围岩较左侧围岩软弱富水，为突泥的形成提供了直接条件。经设计计算及以往处治经验得知，隧道周边围岩5m范围形成有效的承载拱，与双层初期支护合体后满足围岩的而抗压要求(见图4)。

图4 隧道上半断面承载拱加固

结合围岩性质和开挖工艺，淤积体加固地层为掌子面前方纵向25m、开挖轮廓外6m，如图5所示。注浆压力为8～14MPa，采用普通水泥单浆液(W∶S=0.6∶1)、普通水泥-水玻璃双浆液(W∶S=0.8∶1，体积比1∶1)、普通硫铝酸盐水泥单浆液(W∶S=0.8∶1)注浆。施工按照先终断面孔、后补孔，先外后内、先上后下、间隔跳孔的原则。帷幕注浆加固采用前进式分段循环注浆(3～5m/段)，每循环注浆长度25m，搭接5m。帷幕注浆过程中出现涌砂时采用水平袖阀管束辅助高压进行靶向注浆置换加固薄弱地层。

图5 隧道突泥上半段面帷幕注浆

水平袖阀管束采用φ42×4钢管，间距为50cm梅花形布设，孔口采用防水胶布密封，如图6所示。长度一般为7，12，15，20，25m，3根不同长度的小导管组合成一束，搭接部位不开孔。

图6 水平袖阀管束设计

受岩层砂化及地下水影响，8，13，17，23m处塌孔严重、出水量较大、排渣不畅、无法进尺时采取水平袖阀管束注浆。袖阀管采用人工配合钻机安装，在主孔边钻孔至塌孔部位后进行水平袖阀管束辅助高压注浆。注浆先稀后浓，水量较小时以单液浆为主、丰富时以双液浆为主，并辅助稀浆洗孔交替进行。

4.2.2超前中管棚预支护拱顶围岩

在帷幕及水平袖阀管束辅助高压注浆完成后，拱部120°范围施作φ89×5环向间距30cm的超前中管棚进行预支护。

中管棚采用φ89×5热匝无缝钢管加工，每节长6～9m，前端加工成锥形尖端并封闭便于管棚安设。管壁沿两条垂直直径布设4排φ8溢浆孔，溢浆孔呈梅花形布设，孔间距30cm，每根管棚末端一节不布设溢浆孔，如图7所示。

图7 中管棚钢管设计

中管棚采取φ110钻孔一次成孔，引孔完成后采用清水洗孔排渣后退出钻杆插入管棚，管棚应错缝连接，注浆采用全孔一次性注浆方式，浆液同袖阀管注浆。

4.2.3局部密布钢花管注浆补强加固

袖阀管辅助帷幕注浆主要是高压挤密砂层后的劈裂注浆，注浆对泥化砂层进行了一定程度的挤密，与浆液及袖阀管束形成了浆脉骨架，由于砂层的致密性，高压注浆存在一定的不均匀性和薄弱部位。

基于现场施工及查勘分析，薄弱部位多集中于上台阶的拱脚部位，渗水后呈缓慢流砂状态。采用预埋6m长φ76×4钢花管排水，管口采用透水土工布包裹、管身采用麻丝缠绕等排水滤砂措施。薄弱处打设4m长φ42×4小导管密布注浆加固，小导管前端1.5m设置梅花形溢浆孔，注浆压力控制在1～2MPa。

4.3 注浆预加固效果评价

效果评价采用注浆量分析法、注浆P-Q-T曲线分析法以及孔内成像验证等。在验证满足要求后进行开挖。

4.3.1注浆量分析法

基于注浆记录表，对补孔和终孔上半断面各孔单孔注浆量平面分布图进行分析，如图8所示。图中各孔位单孔注浆量按颜色由深到浅依次为：>50m3,40～50m3,10～40m3,<103m。经综合分析计算，填充率满足注浆加固及挤密砂层要求。

图8 隧道上半段面注浆量分析

4.3.2P-Q-T曲线分析法

根据循环钻孔注浆施工过程，注浆量和注浆压力随注浆时间变化情况绘制P-Q-T曲线，如图9所示。

图9 典型P-Q-T曲线

通过P-Q-T曲线分析注浆过程，压力和流量在一定范围内呈跳跃状，没有明显上升，主要是因为地层吸浆量大，浆液以充填孔隙为主，主要表现为挤密-劈裂注浆机理。

通过后序孔和补孔注浆过程分析先序孔注浆结束后，地层孔隙得到有效填充，地层密实度得到提高，地层吸浆量小，初始注浆压力在3～4MPa，注浆流量在50～60L/min，注浆一段时间后压力快速上升，达到设计压力。

基于以上分析，随着注浆进行，地层被浆液充填密实，压力达到设计注浆压力，加固效果良好。

4.3.3孔内成像检测及水量检测

根据注浆情况分析，在薄弱部位布孔检测，共设检查孔3个，沿拱部下方1m处呈外弧形布置，薄弱部位加设监测孔，成孔及出水情况如表2所示。

表2 检查孔情况

通过检查孔成像分析，检查成孔性好、孔壁较为光滑、无坍孔、有少量流泥；综合分析，注浆效果基本达到预期效果。

4.4 隧道塌腔整治及支护参数修正

受断层覆盖范围及突泥影响，考虑隧道施工、运营等因素，突泥及后续施工段落支护参数调整为加强型支护参数，以满足后期运营、维修要求。

1)支护参数 采用Ta型支护参数，即隧道断面扩大40cm，初支采用间距为50cm的I22b,I18双层钢拱架衬砌，超前支护为4.5m长φ42×4注浆小导管。

2)开挖工法 采用预留核心土环形掏槽开挖。掌子面开挖掘进25m后，根据超前钻孔及超前地质预报，再行调整支护参数。

3)塌腔回填 对拱顶塌腔处打设φ108跟进管进行塌腔回填，回填材料根据钻孔情况选择C20早强混凝土或M30水泥砂浆。

4)泄水孔(管) 在拱部及拱腰处增加泄水孔，突泥段环向盲管加密至2m/道。

5 结语

1)结晶灰岩、白云岩、全风化花岗岩受断层及地下水作用，形成泥化砂岩，具有一定的隔水性。泥化砂层具有丰富的保水性，富水后流动性增强，静置后大部分水量析出，砂层具有一定自稳承载能力。

2)受地下水系活动影响的断层带附近，形成多个不规则、不同倾角的相对隔水层，无外力扰动时处于稳定状态，为突泥的发生提供了条件。

3)泥化砂层围岩富水密实、可注性较差，采用袖阀管束辅助高压挤密注浆后，泥化砂层中形成了浆脉骨架。饱水泥化砂层被挤密后与袖阀管束形成骨架约束，通过袖阀管束的锚固桩作用与浆脉骨架共同形成泥化砂层超前稳固，改善砂层自稳能力。

4)拱脚处吸浆量明显少于拱顶及拱腰处，采用水平袖阀管束注浆能够精细化靶向注浆，对帷幕注浆过程中局部涌砂地层实现了补充加固。

5)水平袖阀管束辅助高压注浆压力2～3MPa时注浆流量为80～90L/min，注浆过程压力和流量在一定范围内呈跳跃波浪线状时，表现为挤密-劈裂注浆机理。