穿越松散堆積體圍巖加固與隧道施工技術分析

邰沖文

(貴州橋梁建設集團有限責任公司，貴州 貴陽 550001)

1 獲取松散堆積體力學參數的主要方式

1.1 松散堆積體土層情況分析

經過調查可知，從多個采集點中獲得的松散堆積密度體土質情況為：土石混合體的粒徑較大且均勻程度較差，最小的僅為0.1 mm、最大的能夠達到100 mm。粒徑級配不均勻系數Cu值在27～88.5之間、曲率系數Cc在0.23～1.17之間。經過深入探查后發(fā)現，在該區(qū)段的松散堆積體之間，粒徑大小在0.080 mm之下的顆粒占總量的4%左右，粒徑大小在1.0～2.0 mm之間的中等顆粒占總量的50%左右(探測精度還存在提升空間，50%占比為推測的最大值，實際情況可能不足，但不會少于35%)。粒徑超過60 mm的顆粒最少為5%，最大甚至達到18%。綜合來看，由于該區(qū)段松散堆積體中近7成的顆粒為卵石、塊石以及粗礫石，故可以確認該區(qū)段地層的密實度極差、存在大量的縫隙。如果按照常規(guī)土層的標準進行開挖作業(yè)，必然導致掌子面坍塌。因此，需要進一步收集松散堆積體的力學參數，并制定針對性的方案，目的在于穿越至圍巖段進行加固作業(yè)。只有如此，才能保證隧道開挖順利進行。

1.2 松散堆積體力學參數確認方法

根據上文介紹的松散堆積體性狀，模擬出土層結構，可以選用CPGM型號的膏狀注漿材料，對土層樣本進行加固處理，之后得出有關松散堆積體的實際力學參數。本文所用的CPGM膏狀注漿材料性能參數如下：其比重大小為1.65；初始流動度為234 mm；3 h內的析水率達到3%；完成初步凝結的時間為37 min；24 h之內的抗壓強度能夠達到1.32 MPa。

其次，松散堆積體力學參數確認實驗選用的主要設備為TAJ-2000型動靜三軸剪切儀，松散堆積體試樣土層的直徑達到300 mm，高度不小于500 mm。在此前提下，用于實驗的圍巖參數定位300、600以及900 KPa，為了獲取最佳效果，軸向壓力的加載速度可以設定為每分鐘1.5 mm。

再次，主要的實驗步驟如下：第一，將松散堆積體試樣土層放置于壓力室內，并于底座處安裝好橡皮膜、成型筒，可以分多層進行裝樣并進行振搗作業(yè)。第二，嚴格控制注漿量以及注漿液的配比?？梢园凑漳M松散堆積體試樣總重量的10%左右注入漿液。第三，當每個分層都呈現出均勻的混合形態(tài)之后，將之靜置7 d。第四，向壓力室注入水，并不斷提升圍壓，向試樣土層施加軸向的荷載。

最后，最終結果如下：未經處理的松散堆積體土層的內聚力為57.8 KPa，摩擦角度為32°；經過加固處理后的加固土層內聚力達到了98.4 KPa，提升幅度超過了70%，摩擦角度為37°。

2 松散堆積體圍巖加固后隧道穩(wěn)定性的確認過程

松散堆積體土層的力學參數已經獲悉，在進行實際開挖前，還應對松散堆積體圍巖加固后隧道的穩(wěn)定性進行測試。具體方式為：第一，本文選用施工案例的松散堆積體土層結構分為碎石土層與強風化玄武巖層。其中堆積體土層的總厚度超過了40 m，隧道預期埋深為25 m。根據工程方案，決定使用三臺階、預留核心土法混合施工的方式進行開挖作業(yè)。第二，經過仔細計算，開挖進度只需達到1 m，隧道掌子面前探達到4 m即可滿足要求。第三，在隧道拱頂處環(huán)繞120°的范圍內通過超前加固方式，注入加固漿液，暫定圍巖加固區(qū)的厚度應該達到2 m。第四，對地層、二襯、加固圈(2 m厚度)等進行單元模擬后，得出的隧道穩(wěn)定性參數如表1所示。經過超前加固注漿處理后，得出的隧道部位前后變形對比值為：拱頂處在超前加固前的變形值為-52.7 mm，加固后為-38.7 mm；左側拱腰超前加固前的變形值為-33.8 mm，加固后為-24.9 mm；右側拱腰加固前的變性質為-32.8 mm，加固后為-24.3 mm；隧道底部超前加固前的變形值為30.8 mm，加固后為28.7 mm；水平收斂超前加固前的變性質為35.7 mm，加固后的變性質為32.8 mm。由此可以判定，如果沒有進行穿越松散堆積體的圍巖加固處理，則隧道開挖過程中，拱頂處將會出現嚴重的沉降變形，隧道底部和水平收斂處將會出現凸起，從而嚴重影響工程安全?？傮w來看，采用超前加固注漿的方式，能夠對沉降變形起到良好作用；對凸起變形能夠產生微弱的影響，但幅度不大。

表1 隧道穩(wěn)定性參數表

3 穿越松散堆積體圍巖加固與隧道施工技術的優(yōu)化過程

3.1 優(yōu)化施工過程簡述

在檢測隧道穩(wěn)定性實驗時采用了“三臺階+預留核心土法”的施工方式，在穿越松散堆積體對圍巖進行加固處理后，進行隧道開挖作業(yè)時，可以在此種方法的基礎上進行優(yōu)化，具體流程為：第一，進一步調整超前支護的方案?？梢詫⒅ёo范圍調整至拱部環(huán)向120°，使用4.5 m的φ42 mm×4 mm的熱軋無縫鋼管，其打射范圍即為拱部120°。此外，環(huán)向間的距離應該控制在30 cm，沿著縱向搭接的長度需要控制在1.5 m左右。打射上仰角的范圍也應該予以注意，最大不能超過15°，最小不能低于5°。不僅如此，配比超前注漿材料時，應該嚴格控制漿液的水灰比。通常情況下應該保持在1∶1的比例。常見的添加劑可以選用減水劑或是高分子聚合物，當注漿壓力達到2 MPa左右時，停止注漿。第二，在上臺階的弧形導坑處開挖，每次的進尺應該控制在1 m左右，但最低不能低于0.8 m。第三，在上臺階核心處進行開挖作業(yè)時，核心土的長度最低為0.5 m，最高為1.0 m。第四，在中臺階處開挖時，開挖進尺應該與上臺階弧形導坑處保持一致；下臺階處同樣如此。第五，當初期支護完全閉合后，必須立刻開展仰拱、二次襯砌作業(yè)。需要注意的是，二次襯砌與掌子面之間的最大距離必須控制在50 m以下。

3.2 超前注漿加固的實際效果

對試驗斷面進行超前注漿加固作業(yè)時，得出的實際結果如下：

實驗斷面A的預期注漿值為7.6 m3，實際注漿值為12.8m3；預期的終止壓力為2 MPa，實際終止壓力為1.1 MPa，超前注漿與開挖工序的銜接時間為8 h。

實驗斷面B的預期注漿值為7.6 m3，實際注漿值為16.3m3；預期的終止壓力為2 MPa，實際終止壓力為0.6 MPa，超前注漿與開挖工序的銜接時間為9.7 h。

實驗斷面C的預期注漿值為13.5 m3，實際注漿值為13.9m3；預期的終止壓力為2 MPa，實際終止壓力為2 MPa，超前注漿與開挖工序的銜接時間為3.2 h。

實驗斷面D的預期注漿值為13.5 m3，實際注漿值為14.8m3；預期的終止壓力為2 MPa，實際終止壓力為1.9 MPa，超前注漿與開挖工序的銜接時間為3.5 h。

4 結 語

根據測算結果顯示，采用優(yōu)化后的超前注漿工藝對松散堆積體的圍巖進行加固處理，如果能夠將注漿加固圈的厚度取值保持在2 m左右，則松散堆積體自身較為劣質的土質特性將不會對隧道開挖過程造成影響。換言之，圍巖加固圈一旦達到2 m(最低1.5 m)左右，說明穿越松散堆積體的圍巖加固作業(yè)達到了效果。