太谷隧道不良地质段地表注浆效果评定研究

冯存志， 杨朝帅， 孙浩珲

（1.中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065201；2.广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室，广州 511458；3.长安大学公路学院，西安 710061）

0 引言

近年来，铁路隧道修建过程中，经常会穿越断层破碎带等不良地质体，由于地质条件复杂，在施工扰动的影响下，极易发生溃砂、塌方、地表塌陷等灾害，造成人员伤亡和经济损失。注浆具有堵水、提高岩体强度以及增强岩体抗变形的作用。目前，针对地铁穿越断层破碎带等不良地质体的治理通常采用超前预注浆的方式，而如何合理的设计注浆参数和选择注浆材料，关系到断层破碎带等不良地质体治理的成败。通过超前预注浆，充填破碎岩体，形成完整的注浆加固圈，可有效保证地铁隧道开挖过程中的安全性和稳定性。

近年来，学者们对于浅埋隧道注浆加固颇有研究。闫成伟等［1］通过青岛地铁4号线F1断层破碎带超前预注浆工程实践，开展浅埋大断面地铁隧道穿越断层破碎带预注浆加固治理技术研究，探索治理浅埋大断面地铁隧道穿越断层破碎带的有效手段。刘世杰等［2］基于梅汕铁路大岭隧道工程实例，对比了洞内和地表注浆加固方案的优缺点，并开展了地表深孔注浆加固地层的工艺试验研究。田忠［3］以爱民隧道进口地表注浆施工为例，结合工程特点，从注浆孔的布设、注浆工艺、注浆效果等方面论述了哈牡客专爱民隧道采用DDZ管地表注浆加固技术，控制隧道区地表沉陷，解决拱顶下沉过快、掌子面坍塌的问题。孟凡涛［4］结合隧道施工实例，对软弱围岩段地表注浆技术中袖阀管注浆加固技术进行了阐述。何开伟［5］以梅汕铁路大岭隧道溜塌段为研究对象，采用前进式（或后退式）注浆+多管注浆及后期地表注浆联合加固技术，有效解决了全风化花岗岩段透水性强、遇水软化、掌子面难以自稳、初期支护变形大的难题。邱坚等［6］结合某隧道工程实例，应用MIDAS/GTSNX对管棚注浆、地表注浆加固围岩进行了数值模拟计算，确定了地表注浆效果优于管棚注浆效果。张校甫等［7］对新大力寺隧道下穿水库浅埋段复杂地质，采用袖阀管注浆加固技术进行地表加固，结合工程特点，采用约束-发散模式，将注浆区域划分成若干个小的注浆区，先周边孔、后内部孔分块分步的注浆顺序。

通过对浆液材料、配比、凝固时间等工艺参数室内试验和现场试验分析，总结得出周边孔采用添加AlCl3外加剂的双液浆，内部孔采用普通水泥浆，有效的提高隧道洞身的整体性与稳定性。陈阳［8］以衢宁铁路福建段芳源隧道洞口为研究背景，研究采用袖阀管二次超细水泥浆注浆方案解决地表注浆质量问题，同时洞身采用优化的6步CD法解决CRD法施工工艺存在的缺陷，通过两种施工工艺的组合，确保了地表注浆加固效果，有效抑制了洞身变形下沉。季建庆等［9］结合工程实例，对某大跨隧道洞口浅埋段松散土体采用袖阀管进行现场注浆试验，对注浆参数和注浆加固效果进行了分析。

1 工程概况

太焦铁路太谷隧道位于山西省晋中市太谷县境内，隧道全长11497m，最大埋深383.41m，工程地质断面见图1。隧道1#斜井与正洞交汇里程为DK57+000，斜井长度575m。隧道进口至1#斜井的正洞段长度为400m，隧道穿越地层为上第三系（N2）粉质黏土和粉砂相互夹杂，弱-中等胶结，土层软硬不均且含水量高，易受外界扰动、遇水软化等特性显著，工程性质极差。

图1 地质断面图

太谷隧道在开挖过程中，局部出现渗流水现象，开挖支护后由于土体稳定性差，土压力较大导致初支侵限，施工安全风险高，进度缓慢。根据地质状况及工程现状采用动态定向注浆（DDD）工法，通过地表超前预注浆加固方式对太谷隧道进口至1#斜井剩余未开挖段进行注浆加固，封闭围岩列隙，减少地下水对开挖面及周边一定范围地层的软化，改善周边岩土体力学性能，控制隧道结构变形。

2 注浆施工方案

2.1 注浆方案

针对施工中存在的问题，现场采用动态定向注浆（DDD）工法进行加固，隧道加固段地表埋深127～85m，地表最大钻孔深度140m。

原注浆方案，注浆孔位采用正方形设计，孔间距2m，扩散半径1.4m，钻孔数量1184个。由于钻孔数量多，注浆方量大，对注浆方案进行优化。优化后的注浆方案见图2图～4图，注浆参数见表1。

表1 地表注浆参数

图2 注浆孔平面布置（单位：cm）

2.2 注浆工艺

（1） 钻孔：采用全站仪、钢尺等工具按设计要求定出注浆孔孔位，然后采用地质钻机按标出的孔位垂直于地面进行钻孔，钻孔孔位水平偏差≤5cm，钻孔垂直度误差≤1/150。

（2） 安设DDD注浆管、注套壳料：钻孔完成后先退钻杆，分节下放外径76mm无缝钢管至孔底，注浆段采用设有溢浆孔的DDD注浆管，非注浆段下入无溢浆孔DDD注浆管，管节采用40cm长89mm外套管满焊连接。在管壁与孔壁间注入套壳料。

图3 注浆交圈（单位：cm）

图4 地表注浆断面（单位：cm）

（3） 注浆：采取后退式分段注浆工艺，即在注浆段内由孔底进行注浆，分段步距1m，注完第一注浆段后，后退注浆芯管，进行第二注浆段的注浆，以此循环，直至完成注浆段注浆。注浆过程中应做好详细的注浆记录，确保注浆加固效果。

DDD工法注浆工序流程图如图5所示，施工现场照片如图6所示。

图5 DDD工法注浆流程

图6 注浆芯管安装现场照片

2.3 注浆材料及配比

套壳料采用膨润土-水泥浆，水：水泥：膨润土=2：1：1。

注浆材料以掺HPC外加剂普通水泥浆液为主，普通水泥-水玻璃双液浆为辅，单液浆配比（W：C）=0.8：1；普通水泥-水玻璃双液浆配比（W：C）=（0.8～1）：1，C：S=1：1，普通水泥采用P.O42.5硅酸盐水泥，水玻璃波美度40Be'，模数2.4～2.8，具体如表2所示。

表2 浆液配比参数

2.4 注浆顺序

分区段施工，按发散-约束型注浆采取“先外后内，间隔跳孔”原则进行。即先跳孔施工周边注浆孔，形成约束圈后，再按由外圈向内圈注浆原则，间隔跳孔施工。

2.5 注浆结束标准

（1） 单孔单段注浆结束标准。注浆压力达到设计注浆终压4～6MPa，并维持5～10min，即可结束该孔注浆；注浆过程当实际注浆量达到设计注浆量1.5倍，压力未达到设计终压，可调节浆液凝结时间，使得压力到达设计终压，结束注浆。

（2） 单孔注浆结束标准。单孔每个注浆段均达到单孔单段注浆结束标准。

（3） 全段结束标准。所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注现象。

2.6 注浆施工注意事项

注浆钻孔采用钻机成孔，钻机需安装牢固，定位稳妥、牢固。注浆孔应跳孔施钻，不应全部钻孔完成后再注浆，以免孔位串浆，增加难度及清孔工作量。

各类设备应就近安装固定管线，不宜过长，以防压力和流量消耗。

钻机成孔插入注浆管后及时封堵孔口和附近的地面裂缝，以防冒浆。

3 注浆效果评价

地表注浆效果评定采用分析法，包括注浆量分析、浆液填充率分析、注浆P-q-t曲线分析、取芯检查孔法、地层含水率对比、开挖观察。

3.1 注浆量分析

注浆结束后，根据过程数据对注浆效果进行分析见图7，注浆加固段注浆孔均达到设计注浆压力，均按设计工艺要求施工完成。

图7 注浆量平面分布

（1） 注浆量22024.2m3，平均隧道延米注浆量125.85m3，平均单孔延米注浆量0.83m3/m。

主要采用掺HPC外加剂普通水泥单液浆为主，以普通水泥-水玻璃双液浆为辅，对注浆区域地层进行控制注浆区域注浆，在地层逐渐被填充密实后，控制注浆范围，劈裂挤密加固地层。

（2） 地层吸浆量随时间变化注浆量明显减小，孔隙率逐渐减小，地层逐渐密实，达到充填裂隙，固结围岩的作用。

3.2 浆液填充率分析

（1） 浆液填充率计算。注浆段需加固体积119538.9m3，设计地层孔隙率20%，根据其他类似地层施工经验，地层孔隙率取值一般为15%～45%，实际注浆过程中注浆量达到设计量后注浆压力未达到设计值的注浆孔，继续注浆至1.5倍注浆量后，调节浆液凝胶时间，使注浆压力达到设计值，停止注浆。

（2） 为确保注浆效果，取其孔隙率值20%，据此计算浆液填充率为87.7%，浆液充填率高于80%，达到设计方案要求，满足注浆加固目的，可以满足开挖要求。

通过发散-约束型注浆，注浆孔均达到设计注浆压力，地层空隙已被有效填充，并形成劈裂注浆，进一步提升了地层的承载力，达到设计注浆目的。

3.3 典型注浆P-q-t曲线分析

图8为塌方段地表注浆施工过程表现出来的P-q-t曲线。塌方段注浆孔注浆过程中，前期因地层松散孔隙率较大，注浆时压力上升较慢，随着注浆的进行，地层逐渐密实，地层吸浆能力减弱，当地层被挤压到一定密实度后，压力上升注浆流量下降形成劈裂效果对地层进一步挤密，劈开后压力下降注浆流量上升，地层空隙被填充完成后，注浆流量随注浆压力上升迅速减小，注浆压力达到设计值结束注浆。

图8 注浆P-q-t曲线（塌方段）

图9为原岩段地表注浆施工过程表现出来的P-q-t曲线。原岩段地层较为密实，压缩空间较小吸浆能力较塌方段小，注浆过程中压力上升较快，对地层形成劈裂挤密，表现为注浆压力短时间内压力上升、下降、上升，注浆流量下降、上升、下降，最终注浆压力上升至6MPa后趋于稳定，结束注浆。

图9 注浆P-q-t曲线（原岩段）

通过上述注浆P-q-t曲线变化情况得出，随着注浆工作的进行，地层由填充密实至反复劈裂挤密，压力上升过程逐渐缩短，地层无继续压缩空间，注浆效果达到要求。

3.4 取芯检查

地表注浆施工结束后进行取芯检查。地表注浆施工完成后进行钻芯取样，取出的芯样较完整见图10，可见明显浆液凝胶体填充痕迹和劈裂形成的浆脉，芯样完整性较好，取芯率91%，芯样平均抗压强度为4.376MPa（共计10组试验）见表3，符合地层加固效果，满足开挖需求。

图10 芯样照片

表3 芯样单轴强度 MPa

3.5 注浆前后地层含水率对比

地表注浆施工前地层含水率为23%～43%，开挖过程中出现掉块、涌水、溜塌情况，开挖进度缓慢，开挖安全性低，工期不可控。

注浆完成后实测地层含水率11%～13%，与注浆前数据对比，注浆后地层含水率明显降低见表4，开挖面密实稳定，开挖安全性得到极大提升，注浆效果达到加固地层的目的，符合安全开挖要求。

表4 注浆后地层含水率试验

3.6 开挖观察

1#井小里程塌方段地层松散孔隙率较大，浆脉较多、厚，浆液填充、劈裂效果明显，掌子面岩体稳定性得到提高。

1#井小里程原岩段地层稍密，开挖面地层为砂质土层，浆脉较多，浆液劈裂效果明显，掌子面无水，掌围岩整体稳定性较好见图11。

图11 1#井小里程原岩段开挖效果

进口端开挖揭示围岩为泥岩，浆脉表现为自泥岩缝隙填充、劈裂，封堵水路，掌子面岩体稳定性好见图12。

图12 进口端开挖效果

4 结语

文中注浆施工严格按照设计注浆方案进行施工，通过分析法对注浆效果进行分析评定，综合注浆效果评定方法分析，得出以下结论：

（1） 注浆量区域分布及单延米注浆量变化符合地层填充挤密规律，注浆孔均能达到设计注浆压力的4～6MPa，终孔流量均小于5L/min，地层得到有效加固，达到了注浆加固的目的，满足开挖施工要求。

（2） 注浆P-q-t曲线规律符合地层加固机理，满足开挖需求。

（3） 地层含水率试验表明经注浆加固后地层含水率较加固前得到很大改善，通过开挖观察开挖面稳定无水，满足开挖要求。