复杂地质条件下隧道超前注浆技术探讨

祁 海 生， 刘 科

(中国水利水电第十工程局有限公司；四川 都江堰 611830)

1 概 述

云南省红河州建水(个旧)元阳高速公路项目他白依隧道为分离式长隧道，隧道全长2 615 m, 最大埋深297 m，属深埋长隧道。隧道揭露的围岩均为全～强风化板岩、炭质灰岩，围岩破碎、松散，岩体完整性差，以碎裂状松散结构为主，强度低，抗风化能力弱、遇水易软化，有千枚化现象[1]；同时，隧道围岩受龙岔河区域断裂及F14构造分布影响，断层及节理发育，整体稳定性差。

他白依隧道施工过程中持续存在软岩大变形问题，异常的沉降变形导致侵限处理及坍塌、现场工字钢扭曲、初支开裂现象频发。截止目前，他白依隧道进口端累计发生坍塌18次、涌水突泥3次，反复出现异常沉降变形累计长度达515 m，且累计发生侵限处理长度达403 m，侵限处理严重影响到施工进度。在他白依隧道施工过程中，围岩稳定性和结构变形的控制不能满足隧道施工和环境安全的要求，必须采取辅助施工方法对其进行处理。注浆作为地下软弱围岩和地下水处理的一项关键技术已经成为他白依隧道施工技术的重要组成部分[2]。他白依隧道主要针对掌子面前方开挖轮廓线外5 m范围内的围岩实施超前预固结注浆。为防止掌子面拱顶溜塌，采用了φ76 mm超前管棚技术；当后期围岩变形超出预警值时，采取径向注浆技术等综合注浆措施起到了一定效果，保证了隧道的正常掘进。阐述了对复杂地质条件下的隧道实施的超前注浆技术。

2 围岩注浆加固施工方案

2.1 上台阶全断面注浆施工模式

他白依隧道左幅桩号Z5K63+470～Z5K63+534段围岩级别为V级。受区域断裂带影响，岩体破碎-极破碎，软弱夹层发育，开挖揭露其抗风化能力差，具有遇水软化特性，开挖后，掌子面不断溜塌，围岩极不稳定，项目部对此段上台阶掌子面前方进行了超前注浆预固结处理，具体参数为：长度L为25 m，共设置4环，环距1 m，孔间距1 m，共计40个孔，角度上仰10°～15°，孔口设置φ108 mm×6 mm钢管，L=1 m，环向搭接8 m，上台阶全断面注浆情况见图1。

图1 上台阶全断面注浆立面图

(1)纵向加固长度为25 m(不含止浆墙)，开挖长度为17 m,预留8 m作为稳定岩盘，拱部及边墙、仰拱均加固至开挖轮廓线外5 m，注浆孔浆液扩撒半径为2 m，终孔间距不大于3.3 m，单循环设10 m补充断面，施工时如遇薄弱位置需适当补孔。

(2)止浆墙采用C30混凝土浇筑，厚3 m，高4.5 m。止浆墙周边采用两环φ32 mm钢筋与初支连接锚固，锚固钢筋环向间距1.5 m，长2 m，嵌入止浆墙和初支各1 m。钻机操作平台长10 m，采用C15混凝土浇筑15 cm厚。平台两侧靠近止浆墙0.5 m施做排水沟。

(3)为防止注浆过程中浆液沿初支回流、压力传递引起初支变形，待止浆墙及钻机操作平台施工完成后，在止浆墙后方10 m范围内进行径向注浆，小导管外露长度为20 cm，长度为4.5 m，环纵向间距为2 m×2 m，梅花型布置。径向注浆材料采用P.O42.5普通水泥单液浆+HPC注浆外加剂浆液，浆液配比为：水灰比(0.8～1)∶1。HPC掺量为12%～15%，注浆压力为0.5～1 MPa。

(4)注浆工艺：结合他白依隧道围岩特点，采用钻杆后退式分段注浆与水平袖阀管束分段相结合的施工工艺，钻杆后退式注浆分段长度为2～4 m，水平袖阀管注浆工艺为先钻孔至终孔，然后在孔内埋设3根φ25 mm水平袖阀管，采用分段注浆方式，水平阀管兼做锚杆。注浆前钻设3～5个超前探孔对掌子面前方的围岩进行判别并确定注浆工艺。

(5)注浆材料采用P.O42.5普通水泥单液浆+HPC注浆外加剂浆液，浆液配比为：水灰比(0.8～1)∶1。HPC掺量为12%～15%，注浆压力为8～10 MPa，注浆顺序为由外向内、自下而上、间隔跳孔进行[3]。注浆结束后，钻设4个检查孔进行注浆效果检查，检查标准为不塌孔、不涌泥。

上台阶全断面注浆预固结加固遵从“注浆一段、开挖一段、余留一段，段段推进、稳扎稳打”的施工理念，他白依隧道桩号K63+170～235段实施现场注浆后效果明显，初期支护的最终沉降值均在200 mm以内，塌方次数相应减少，取得的效果为：

a.通过上半断面开孔实现全断面注浆加固，使围岩更容易形成自然拱，受力更加合理(上台阶全断面注浆预固结前后最终沉降值曲线见图2)，初期支护的最大沉降量由560 mm下降至200 mm以内，从而有利于软弱地层安全风险的控制；

图2 上台阶全断面注浆预固结前后最终沉降值曲线图

b.通过上台阶全断面注浆预固结，使其最大沉降量处于可控状态，减少了初支侵限的处置时间，形成了有效进尺，相比三台阶开挖，两台阶开挖减少了工序转换，节省了工期；

c.根据第一循环的注浆质量，8 m的止浆岩盘在下一循环超前预注浆施工时已能够满足抵抗注浆过程中的注浆压力，第二循环以后的止浆墙可以不做，从而节省了止浆墙浇筑所占用的时间。

2.2 超前管棚的施工

他白依隧道V级围岩及软弱破碎段采用φ76 mm×6 mm超前管棚支护，支护角度为120°，长9 m，环向间距30 cm，纵向搭接长度为3 m，每环45根。

为满足钻孔设备工作要求，传统管棚的施工必须沿开挖轮廓线扩大60～80 cm作为管棚施工工作间，且在需要大管棚超前支护的软弱地层扩大断面开挖，风险性极高，并给后续二衬混凝土施工等带来较多的不利影响，传统的、具有施工空间的管棚施工示意图见图3。

图3 传统的、具有施工空间的管棚施工示意图

为减少开挖断面、减少二衬混凝土的浇筑方量，降低开挖难度，他白依隧道采用无管棚施作工作空间技术，管棚沿开挖轮廓线内50 cm拱部布设，环向间距40 cm，外插角度为3°～6°。对于管棚侵限位置，采用自制的顶进器将管棚送入孔底，侵限位置利用上循环管棚形成有效搭接。

2.3 径向注浆加固

2.3.1 注浆加固的目的

对初期支护的背后径向充填注浆，采用水泥浆液填充初期支护与围岩之间的空隙，在不改变地层组成的情况下，注浆使颗粒间的空隙充满浆液并使其固化，注浆使该土层中的黏结力、内摩擦角值增大，从而使松动圈的围岩强度增加，加强了围岩的整体稳定性。加固围岩与初期支护共同作用形成共同承载拱，改善了传力条件，增强了初期支护与围岩的密贴程度，提高了围岩和初期支护的承载力和自稳力，进而控制了沉降和变形。这种注浆不改变原土结构，但充填其原有空间为密实连续体，改善了原有围岩三相结构的受力条件，进而有效地改善了土体的受力结构，同时控制了地层水的渗入，有效控制了沉降[4]。

2.3.2 注浆加固的适用条件

根据监控量测位移管理等级，若在已经采取增设锁脚锚管、护拱等加强支护措施后仍然出现变形无法控制的情况(当初支累计位移变形量大于设计极限位移值的2/3时)，即进入一级管理状态，应立即停止断面施工，对掌子面进行封闭，对超限变形部位采取径向注浆加固措施，同时立即上报、制定进一步强化处理措施。

2.3.3 注浆施工方案

(1)工艺流程。注浆过程的工艺流程主要为：隧道软弱破碎围岩段开挖→钻孔→装设注浆管→配置浆液→注浆→效果检查→补孔注浆→结束。

(2)注浆参数。径向注浆按照围岩加固和堵水两方面作用考虑。注浆参数应根据加固围岩的地质特性进行计算，经现场试验达到要求后作为施工注浆的控制参数，并在施工中根据实际围岩类型不断调整参数[5]。

a、注浆范围的确定。本次注浆的目的是为加固隧道周边的围岩。现场揭露的围岩为破碎、软弱的围岩，其注入加固范围包括松动圈并进入围岩的弹塑性区。本次注浆范围为隧道开挖轮廓线外4.5 m。径向注浆情况见图4。

b、注浆孔间距的取值。经现场试验检查注浆效果后可对其进行调整。现场揭露围岩为强风化千枚岩，裂隙间夹泥，综合注浆目的、前期注浆效果的总结等因素，本次注浆孔间距取1.2 m。本次注浆孔的布置采用梅花形以充分发挥注浆孔的扩散潜能，获得最佳的注浆效果，减少钻孔数量。

c、注浆管的选型。注浆管采用Φ42 mm、长4.5 m的注浆钢花管。将注浆管前端加工成圆锥状并封死，花管部分长3.5 m，在花管段上沿纵向间隔20 cm、环向间隔120°按梅花形布设Φ6 mm的溢浆孔，管尾部分采用两道Φ6 mm钢筋焊箍，其中一道用于连接注浆芯管，另一道缠上棉纱后用于止浆。注浆孔采用风钻钻孔，成孔直径为50 mm，成孔后下入Φ42 mm注浆管。

d、注浆材料。采用P.O42.5普通水泥单液浆+HPC注浆外加剂浆液，浆液配比为水灰比(0.8～1)∶1。HPC的掺量为12%～15%，注浆压力为0.8～1.2 MPa，水泥不得有结块现象。

e、注浆速度。根据隧道围岩的地质情况、破碎和夹泥程度，将注浆速度取为20～40 L/min。破碎程度严重时取大值，夹泥程度严重时取小值。

f、注浆终压。当注浆部位无地下水渗出时，注浆的主要目的为加固围岩。综合考虑注浆压力对初支的影响，将注浆终压定为1.2 MPa。当注浆部位有地下水渗出时，注浆终压取大值。

桩号ZK63+535～ZK63+560段径向注浆完成后，通过对初支变形的监控量测，发现其拱顶下沉速率比未采取注浆措施的桩号ZK63+505断面小，连续监测14 d后，拱顶累计沉降量比未注浆断面减少了30%，径向注浆后初支变形对比曲线图见图5。说明在隧道初支背后进行径向注浆能够增强其与围岩的密贴程度、提高围岩的承载力和自稳力、能够在一定程度上控制隧道初期支护结构的沉降和变形。

图5 径向注浆后初支变形对比曲线图

3 结 语

在施工过程中，工程技术人员一直试图寻找到超前预处理过程中的工期要求和处理效果、处理效果和造价投入的平衡点，但隧道内的围岩随时在变化，需要施工方不断总结经验、做出正确的决策，才能最大限度地接近平衡点。

他白依隧道通过合理、适宜地注浆设计、引进专业化的注浆队伍、采用先进的注浆设备和材料，对一系列注浆施工方法进行改进创新，实现了钻孔注浆的快速施工，为隧道的快速掘进创造了条件，最大限度地接近了工期要求和处理效果、处理效果和造价投入的平衡点，所取得的成果已得到参建各方的认可。