炭質(zhì)頁巖隧道循環(huán)式高壓注漿預(yù)加固技術(shù)

杜傳球

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

隨著我國西南部交通建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道工程中遇到的軟弱破碎圍巖不斷增多[1]，當(dāng)隧道施工中遇到自穩(wěn)性差的圍巖時，其安全和質(zhì)量難以控制，需要采用加固措施才能順利開挖[2]。高壓注漿加固[3－4]技術(shù)工藝簡單，在軟弱破碎地層加固中被廣泛采用。

上世紀(jì)五十年代，注漿技術(shù)出現(xiàn)在國內(nèi)的礦井堵水中。到八十年代，注漿技術(shù)開始應(yīng)用于鐵路工程。2017年11月熊谷組宣布開發(fā)出隧道注漿可視化系統(tǒng)[5]，可以根據(jù)施工數(shù)據(jù)自動生成三維模型，不僅能從三維上掌握隧道周邊的地質(zhì)狀況和注漿狀況，而且能夠高效自動設(shè)置注漿孔的位置。

雖然注漿技術(shù)經(jīng)歷了很長時間的發(fā)展，取得了豐富的研究成果，但注漿效果受到圍巖條件，地下水條件等多種因素的影響，對于炭質(zhì)頁巖隧道的注漿加固技術(shù)開展針對性研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。本文以羅家山隧道為例，針對層狀炭質(zhì)頁巖軟弱圍巖隧道的加固問題，提出了一種循環(huán)式高壓注漿超前預(yù)加固技術(shù)[6－7]，并進(jìn)行了工程實(shí)踐驗(yàn)證，取得了良好的預(yù)加固效果，可為類似工程施工提供參考。

2 工程概況

羅家山隧道為Ⅰ級風(fēng)險隧道，位于保康至神農(nóng)架區(qū)間，中心里程DK519＋500，全長10 640 m，最大埋深約470 m。進(jìn)口洞口上方為粗角礫土，灰黃色，潮濕，稍密，碎石成分為頁巖、砂巖質(zhì)，呈尖棱角狀，厚度4～8 m。DK514＋180～DK516＋395里程段穿越地層為志留系下統(tǒng)新灘組頁巖夾砂巖，灰色、灰黑色，炭質(zhì)結(jié)構(gòu)，層理清晰，薄層狀。強(qiáng)風(fēng)化帶厚1～6 m，以下為弱風(fēng)化帶。地下水主要為堆積層孔隙水、巖層構(gòu)造裂隙水和巖溶水。全隧的一般涌水量約為41 047 m3/d，最大涌水量約為116 910 m3/d。隧道進(jìn)口段圍巖軟弱破碎，開挖后風(fēng)化快、易崩解且受裂隙水影響易軟化，為了確保隧道施工質(zhì)量及安全，控制開挖變形，有必要對圍巖進(jìn)行高壓灌漿加固。

3 注漿方法的確定

高壓注漿加固的原理是使注射漿液壓力超過圍巖巖體的啟裂壓力，巖體內(nèi)逐漸形成裂縫，漿液充填裂縫，在鉆孔附近形成網(wǎng)狀漿脈，利用漿液擠壓巖體和漿液的骨架作用加固巖體[8]。純壓式注漿和循環(huán)式注漿是目前常用的兩種高壓注漿方式。其中純壓式注漿是指漿液通過管路注入孔段內(nèi)和巖體裂隙中，不再返回的注漿方式。而循環(huán)式注漿是指漿液通過射漿管注入孔段內(nèi)，部分漿液滲入到巖體裂隙中，部分漿液通過回漿管返回，保持孔段內(nèi)的漿液呈循環(huán)流動狀態(tài)的注漿方式[9]，如圖1所示。

圖1 循環(huán)式高壓注漿原理示意

為選擇最合適的注漿方式，本文從優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍這三個方面對注漿方式進(jìn)行了綜合對比，結(jié)果如表1所示?？紤]到羅家山隧道施工段圍巖為遇水易軟化的炭質(zhì)頁巖，若采用純壓式濃漿灌注，因?qū)訝铐搸r間存在一定粘結(jié)力，極可能無法對圍巖進(jìn)行劈裂，使得加固范圍局限在注漿孔周圍，加固效果將大打折扣。若采用純壓式稀漿灌注，則會導(dǎo)致圍巖吸收漿液中過多的水分而軟化，降低了圍巖原本的承載力，加固措施可能適得其反。而循環(huán)式注漿因孔內(nèi)漿液與孔外相互連通，施工時可先利用稀漿液的穿透能力進(jìn)行劈裂，而后用孔外濃漿液循環(huán)進(jìn)孔內(nèi)代替稀漿液進(jìn)行劈裂間隙的填充。只要控制好稀漿液的滯留時間，則該方案解決了濃漿無法劈裂、稀漿過分軟化圍巖的問題，注漿質(zhì)量高，因此選用高壓循環(huán)式注漿方案。

表1 純壓式與循環(huán)式灌漿綜合對比[10]

4 注漿試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取隧道里程DK514＋388附近為試驗(yàn)段，設(shè)置4個獨(dú)立試驗(yàn)區(qū)(水平鉆孔)及1個綜合試驗(yàn)區(qū)(外插10°鉆孔)。其中4個獨(dú)立試驗(yàn)區(qū)分別研究注漿壓力、漿液水灰比、封孔器以及孔深對注漿效果的影響。綜合試驗(yàn)區(qū)主要試驗(yàn)內(nèi)容為拱頂高壓注漿的可行性，漿液劈裂參數(shù)，劈裂、擴(kuò)散情況以及對巖層的加固效果。試驗(yàn)鉆孔孔位布置如圖2所示，孔位詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

圖2 試驗(yàn)鉆孔分區(qū)及布置(單位:cm)

表2 試驗(yàn)分區(qū)及鉆孔孔位布置參數(shù)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)注漿壓力試驗(yàn)(Ⅰ區(qū))

原計(jì)劃進(jìn)行水灰比0.5∶1條件下的3 MPa和5 MPa的注漿試驗(yàn)，然而當(dāng)壓力接近3 MPa后兩孔均出現(xiàn)了不同程度的漏漿現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。分析原因可能是上臺階開挖卸荷后暴露的時間較長，導(dǎo)致地層分層現(xiàn)象嚴(yán)重，因此無法滿足3 MPa及以上灌漿壓力對其的靜壓。

(2)漿液水灰比試驗(yàn)(Ⅱ區(qū))

水灰比為3∶1的水泥凈漿流動性較強(qiáng)，在壓力達(dá)到1 MPa時便發(fā)生劈裂漏漿。而水灰比為0.5∶1的水泥凈漿在該地層中雖具有一定的流動性，但當(dāng)灌注壓力為3 MPa時，仍無法將地層劈裂。因此，施工時可先用3∶1的稀漿對地層進(jìn)行劈裂注漿，擴(kuò)大漿液擴(kuò)散半徑，隨后再用0.5∶1濃漿進(jìn)行灌注以充填稀漿劈裂的空間，最終達(dá)到增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度及抗?jié)B能力的目的。

(3)封孔器承壓能力試驗(yàn)(Ⅲ區(qū))

試驗(yàn)表明三種封孔器均能承受3 MPa的灌漿壓力。膨脹式橡膠注水封孔器和機(jī)械式擠壓塞為保證取出封孔器不漏漿，需在灌注結(jié)束后待凝2 h以上，而此時封孔器內(nèi)管和內(nèi)外管的間隙已經(jīng)被漿液固化封堵，導(dǎo)致封孔器報廢，增加了施工成本。相比之下，模袋封孔裝置在注漿后無需拔出，提高了施工的便捷性。此外，模袋封孔裝置具有成本低、可根據(jù)需要任意調(diào)整封孔長度以及與圍巖貼合密實(shí)不易漏漿等優(yōu)點(diǎn)。

(4)孔深試驗(yàn)(Ⅳ區(qū))

試驗(yàn)表明，當(dāng)孔深4.5 m、封孔裝置深度2.6 m、灌漿壓力在0.67 MPa時，就會出現(xiàn)大面積漏漿。當(dāng)孔深5.9 m、阻塞深度2 m時，灌漿壓力在3.06 MPa，該孔上方20 cm處開始就出現(xiàn)冒漿。因此，不同鉆孔深度與注漿效果基本無相關(guān)性。

(5)綜合試驗(yàn)情況(V1區(qū)、V2區(qū))

綜合試驗(yàn)區(qū)采用的模袋孔口封閉裝置能夠承受所采用的注漿壓力，孔口封閉牢固且孔口管與鉆孔之間的縫隙不漏漿。開挖情況揭示漿液所到之處的部分圍巖出現(xiàn)了一定程度的軟化，因此施工時應(yīng)盡量減少稀漿灌注時間，避免圍巖過多吸水，并應(yīng)加入減水劑增加漿液流動性。灌漿結(jié)束壓力穩(wěn)定控制在3 MPa左右，如圖3所示，其中劈裂進(jìn)漿壓力離散性較大，大部分在2 MPa左右。

圖3 灌漿壓力統(tǒng)計(jì)

綜合試驗(yàn)區(qū)鉆孔內(nèi)單位長度灌漿量如圖4所示，從圖中可得到以下兩方面信息:

圖4 單位長度灌漿量

①對于同是奇數(shù)孔或偶數(shù)孔，V1分區(qū)的注漿量都明顯大于V2區(qū)，表明單位注漿量隨注漿距離增加而減少，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

②對比相同分區(qū)的奇數(shù)孔與偶數(shù)孔，可看出先施工的奇數(shù)孔灌漿量明顯大于后施工的偶數(shù)孔，這表明在試驗(yàn)壓力下漿液擴(kuò)散能力好，后灌漿的漿液擴(kuò)散至先灌漿影響范圍處，先后灌漿有搭接，為提高圍巖強(qiáng)度及抗?jié)B性打好了基礎(chǔ)。因V1區(qū)及V2區(qū)注漿搭接情況均良好，但考慮到施工效率，建議采用間距較大的V1區(qū)參數(shù)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)情況，針對層狀炭質(zhì)頁巖地層，建議選用如下施工方法:采用配備模袋式孔口封閉裝置的循環(huán)式注漿方式進(jìn)行高壓注漿。注漿孔設(shè)置在拱圈部分，內(nèi)外兩排交錯布置。按照外插10°進(jìn)行鉆孔，孔深設(shè)置為6 m。注漿過程中先采用水灰比3∶1的稀漿液在2 MPa注漿壓力下對地層進(jìn)行劈裂注漿，而后采用0.5∶1的濃漿液對稀漿劈裂的間隙進(jìn)行填充，結(jié)束時注漿壓力控制在3 MPa左右。

5 工程應(yīng)用

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及灌漿后開挖情況，針對羅家山隧道層狀炭質(zhì)頁巖，采用孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)的灌漿方法進(jìn)行超前預(yù)加固。通過回漿管路上設(shè)置的壓力表和高壓閥門來調(diào)節(jié)灌漿壓力和流量。注漿過程中采用如圖5所示的多路注漿記錄儀自動采集注漿壓力、流量、密度，還可以根據(jù)預(yù)設(shè)自動調(diào)節(jié)注漿壓力。

圖5 多路注漿自動記錄儀

5.1 施工過程

(1)鉆孔

采用全電腦三臂鑿巖臺車鉆孔施工，注漿孔在隧洞頂拱150°范圍按照隧道上斷面圓心8°(相鄰兩孔孔位間距約1 m)梅花形布置兩環(huán)鉆孔，兩環(huán)鉆孔環(huán)向間距為80 cm，孔徑φ75 mm。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，孔深與注漿效果關(guān)系不大，因此為加快施工進(jìn)度，鉆孔孔深取15 m。

(2)清孔

傳統(tǒng)的循環(huán)式灌漿方法在灌漿前多采用清水進(jìn)行清孔以及裂隙的沖洗。然而羅家山隧道地層為層理明顯的炭質(zhì)頁巖，遇水會軟化，會降低圍巖強(qiáng)度。因此，本工程采用高壓風(fēng)脈動進(jìn)行清孔并沖洗裂隙，以利于漿液的擴(kuò)散。

(3)安裝檢查注漿管

鉆孔完成后檢查孔位是否符合要求，確認(rèn)無誤后，安裝注漿管、回漿管，塞入循環(huán)式止?jié){塞，防止注漿過程中漏漿，同時檢查注漿管路是否牢固可靠[11]。

(4)漿液配置

為減少水對圍巖的軟化，在漿液中摻加1%高效早強(qiáng)減水劑。為保證漿液質(zhì)量以及方便交通，注漿采用“集中制漿”，配制0.5∶1的純水泥漿液，借助高壓送漿泵通過管路送至工作面，并在工作面配制所需比級的漿液。為防止?jié){液含有顆粒，在攪拌桶和儲漿桶之間加濾網(wǎng)，儲漿桶加攪拌設(shè)備以保證漿液的流動性。

(5)注漿

遵循“稀漿劈裂、濃漿灌注”的原則進(jìn)行注漿。其中稀漿水灰比為3∶1，濃漿水灰比為0.5∶1?？紤]到炭質(zhì)頁巖遇水軟化的特性，宜少灌稀漿，多灌濃漿。采用3臺三缸柱塞式灌漿泵對相鄰呈三角形布置的三孔進(jìn)行并灌，以有利于相關(guān)聯(lián)孔的劈裂貫穿。過程中三泵壓力保持一致，逐級升壓至設(shè)計(jì)壓力。當(dāng)灌漿孔稀漿量不大于1 L/min，繼續(xù)灌注30 min后結(jié)束注漿[12]。

5.2 灌漿效果

現(xiàn)場開挖后揭露的灌漿情況如圖6、圖7所示，其中漿液劈裂路徑以沿水平層面劈裂居多，漿液擴(kuò)散距離較遠(yuǎn)。從圖6可見漿液對水平層理面進(jìn)行了很好的填充，說明漿液對軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了加固，提高了圍巖強(qiáng)度。從圖7還可以看出漿脈已經(jīng)擴(kuò)散并形成了高強(qiáng)度的結(jié)石，表明所采用的注漿方式及注漿參數(shù)很好地滿足了施工要求，超前預(yù)加固效果顯著。

圖6 水平層狀漿脈

圖7 擴(kuò)散開的漿脈

6 結(jié)論

(1)針對炭質(zhì)頁巖軟弱層狀地層中隧道開挖后風(fēng)化快、易崩解且受裂隙水影響易軟化的特點(diǎn)，通過比選分析，確定采用高壓循環(huán)式灌漿方法對地層進(jìn)行加固。與純壓式注漿方法相比，循環(huán)式注漿方法可先利用稀漿液的穿透能力進(jìn)行劈裂，而后用濃漿液填充劈裂間隙，解決了純壓式注漿采用單一注漿濃度的局限，注漿質(zhì)量好。

(2)進(jìn)行了多工況的現(xiàn)場試驗(yàn)，針對炭質(zhì)頁巖地層，可采用如下注漿參數(shù):注漿孔應(yīng)在拱圈部位內(nèi)外兩排交錯布置，外插角為10°，孔深設(shè)置為6 m。注漿過程中先采用水灰比3∶1的稀漿液在2 MPa注漿壓力下對地層進(jìn)行劈裂注漿，而后采用0.5∶1的濃漿液對稀漿劈裂的間隙進(jìn)行填充，結(jié)束時注漿壓力控制在3 MPa左右。

(3)針對炭質(zhì)頁巖遇水易軟化的特點(diǎn)，宜嚴(yán)格控制稀漿灌注的時間；優(yōu)先采用高壓風(fēng)脈動清孔；配置漿液時應(yīng)添加減水劑以減少漿液用水量。