岩溶区隧道特大涌水突泥段帷幕注浆方案研究

何俊辉，李婷婷，赵艳纳

(1.广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530021；2.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

岩溶区隧道特大涌水突泥段帷幕注浆方案研究

何俊辉1，李婷婷2，赵艳纳1

(1.广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530021；2.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

为了合理确定岩溶区隧道帷幕注浆参数和注浆方案，文章以广西岑溪至水汶高速公路山心隧道涌水突泥段为依托，通过室内外试验研究，分析了隧道掌子面等部位围岩矿物成分，并基于此采用经验法和综合分析法对地层可注性进行了判别，确定了注浆方式；采用有限元方法对帷幕注浆厚度等进行了计算分析，确定了适用于山心隧道的帷幕注浆参数和设计方案；监测结果表明，采用该方案处治后涌水量降低了约54%，稳定后涌水量达到了设计要求。

隧道；岩溶区；涌水；帷幕注浆；突泥；处治；方案研究

0 引言

随着高速公路向山岭重丘区不断延伸，隧道涌水、突泥情况日益增多，而岩溶区隧道由于岩体风化严重，软弱破碎、节理和裂隙发育等因素影响，开挖时更容易发生涌水突泥和坍塌，其处理方法也成为工程建设中亟待解决的问题。近年来国内外学者已就隧道涌水处理方法开展了相关研究，多建议采用以堵为主，堵排结合的帷幕注浆方式，在隧道线外处形成隔水帷幕，达到堵水的效果，该方法在国内外多个隧道内得以应用，并取得了显著效果。本文以岩溶发育严重地区——广西岑溪至水汶高速公路山心隧道为依托，通过室内外试验研究和有限元方法开展了帷幕注浆方案研究，并对处治后的涌水量等进行了监测，以此对处治效果进行评价。

1 工程概括

广西岑溪至水汶高速公路山心隧道位于富水风化深槽段，局部地形为中间低、两侧高的带状谷地，岩体节理、裂隙较发育，局部岩体极为破碎，且地表溪流网密度大，含水层发育。该隧道于2013年9月突发特大涌水突泥情况，涌水量达12L/min。灾害发生后，通过对隧道洞内抽水、抽泥浆、回填洞渣反压、对涌泥口封堵反压以及设置止浆墙等措施暂时遏制了涌水突泥。为确保该隧道长期稳定，经初步论证拟采用全断面帷幕注浆方案封堵水，并开展了研究。

2 注浆方式研究

为了合理确定山心隧道注浆方式，在隧道掌子面等部位抽样，开展了室内外试验，并通过XRD衍射分析及SEM扫描电镜试验对采取的样品矿物成分进行分析，并基于试验结果，采用经验法和综合分析法对地层可注性进行了判别，确定了注浆方式。

2.1 密度与含水量

采用现场采取的原状土样进行密度和含水量测试，测得山心隧道全风化花岗岩天然密度为1.9～2.0g/cm3，天然含水率为16%～20%。

2.2 颗粒级配分析

根据公路土工试验规程(JTGE40-2007)中的颗粒分析方法，对山心隧道开挖掌子面核心土采用筛分法和密度计法进行颗粒分析，分析结果如图1所示。

图1 山心隧道土样颗粒分布曲线图

根据土样粒度成分分析成果可知，山心隧道所遇到的全风化花岗岩中>0.25mm的粗粒约为58%，按照土的工程分类标准可以定名为中砂。同时，进一步分析山心隧道风化花岗岩颗粒级配，得到土样的不均匀系数和曲率系数为：

(1)

(2)

试验结果表明山心隧道风化花岗岩土样颗粒级配良好，粒组分布范围比较广。

2.3 界限含水量

根据公路土工试验规程(JTGE40-2007)界限含水率试验要求(T0118-2007液限和塑限联合测定法)，采用光电式液塑限联合测定仪对山心隧道全风化花岗岩土样(<0.5mm部分)进行液塑限测定，测试结果为：

液限：ωL=34%；塑限：ωp=18%；塑性指数：Ip=16。

根据塑性分析，山心隧道全风化花岗岩土样为低塑性粘土。

2.4 渗透性质测试

采用常水头试验对山心隧道原状土样进行渗透性质测试，测得渗透系数为10-4～10-5cm/s，同时还采用渗流应力耦合三轴试验仪进行测量，测得渗透系数为10-5cm/s。

2.5 山心隧道全风化花岗岩XRD衍射分析

采用中国科学院武汉岩土力学研究所D8AdvanceX-射线衍射仪对掌子面土样进行定量矿物成分分析，得到X射线衍射谱图如图2所示。

图2 山心隧道掌子面全风化花岗岩X射线衍射谱图

结果表明，山心隧道掌子面土样中主要矿物成分为石英、伊利石和高岭石，其中石英石约占75%，伊利石约为19%，高岭石约为5%，较为明显地反映出花岗岩的风化产物特征。

2.6 山心隧道地层可注性判别

2.6.1 经验公式法

对于粒状介质，可注性用可注比M来表示：

Mitchell公式M=D15/G85

(3)

King和Bush公式M=D10/G95

(4)

式中，D15、D10——地层土颗粒在粒度分析曲线上占15%、10%的对应直径；

G85、G95——注浆材料在粒度分析曲线上占85%、95%的对应直径。

利用公式(3)计算可注比，M≥15时才可注；当利用公式(4)计算可注比时，M≥8时才可注。

由颗粒分析可以得到，D10=0.002 5mm，D15=0.005mm，而普通水泥G85=30 μm左右，G95=40 μm左右，根据Mitchell公式M=D15/G85，计算得到M=0.17<15，不能够满足渗透注浆可注性要求，而根据King和Bush公式M=D10/G95，计算得到M=0.06<8，也不能够满足渗透注浆可注性要求。

2.6.2 综合分析法

根据颗粒分析试验和X射线衍射试验结果，山心隧道全风化花岗岩土样中含有的细粒成分主要为伊利石和高岭石，能够填充粗颗粒之间的孔隙，且遇水具有膨胀性，与粗颗粒聚集成团块状，使得渗透注浆较难发挥作用。因此，在山心隧道地质条件下，注浆效果主要以劈裂注浆和填充挤压式注浆为主，在地层中形成空间浆液结石体网络和局部充填体。采用全断面帷幕注浆方案进行注浆时，应该以劈裂注浆方式为主，以填充、渗透注浆方式为辅，需要根据地应力状态、围岩结构特性确定注浆压力，从而满足堵水加固的效果。

3 帷幕注浆方案设计

3.1 加固范围

全断面帷幕注浆方案加固范围需要根据隧道排水量与加固效果的要求确定，并综合考虑技术可行性与经济合理性。采用三维有限元方法对未注浆方案、3m厚帷幕注浆、5m厚帷幕注浆及8m厚帷幕注浆进行对比分析，计算模型如图3所示，模型尺寸为垂直隧道轴线水平向长260m、高200m、隧道轴线方向厚度为60m，模型左右两边界施加X方向的水平约束，前后两边界施加Y方向的水平约束，底部边界施加Z方向的竖向约束，上边界为地表面，是自由边界；对整个模型施加岩土体自重压力，同时施加水压力边界。

(a)计算模型图

(b)帷幕注浆图

根据地勘资料并结合风化花岗岩注浆效果的研究结果，确定山心隧道帷幕注浆方案计算参数如表1所示。

表1 帷幕注浆方案计算参数表

计算分析得到未注浆与不同厚度帷幕注浆方案条件下隧道渗涌水量、结构变形及地表沉降结果如表2所示：

表2 不同帷幕厚度计算结果表

根据有限元计算分析结果可以看出，采用帷幕注浆厚度达到3m厚即可显著降低隧道渗涌水量，减小结构变形与地表沉降，结合隧道工程注浆加固和堵水施工经验，帷幕注浆厚度一般为0.5～1.0倍隧道洞径，山心隧道等效洞径为12m，因此，综合确定山心隧道全断面超前注浆帷幕厚度为5～6m。

3.2 浆液扩散半径

在山心隧道全风化花岗岩地层颗粒组成中细粒含量较多，使地层渗透性降低，采用渗透注浆时浆液扩散范围有限。实际注浆过程中，将会以劈裂、充填及挤密等形式为主，浆液扩散范围需要按照劈裂注浆的效果和现场试验进行动态调整。

3.3 注浆压力

注浆压力的确定需要考虑被注区域的地应力、地层岩性、地下水等因素，在全风化花岗岩低渗透性地层中注浆时，浆液扩散将以劈裂、挤密形式为主，因此注浆压力的确定需要考虑劈裂注浆的启裂压力值，将浆液劈裂扩散之前的鼓泡压密阶段视为弹性力学中的圆孔扩张问题，可以得到注浆孔周围应力分布规律，当注浆孔周围的切向应力σθ的最小值(压正拉负)达到土体抗拉强度-σt时，即可得到劈裂注浆的启裂压力pu，为：

Pu=3σ2-σ1+σt

(5)

根据山心隧道富水强花岗岩段地质条件，隧道埋深约100m，上覆地层为全-强风化花岗岩、残坡积土及冲洪积土，土体抗拉强度较低，取为σt=20kPa，地应力状态考虑为自重应力状态，地层天然密度为1.9g/cm3，侧压力系数K0=0.56，根据式(5)可以得到，山心隧道劈裂注浆启裂压力为1.3MPa；考虑到隧道下穿民房建筑，在注浆过程中需要考虑对地表隆起的影响，注浆压力不宜过高，确定注浆压力为1.5～2.5MPa。

3.4 注浆材料

富水条件下的注浆需要考虑浆液的粘度时变特性与抗分散特性，山心隧道洞内回填反压后右洞涌水量为50m3/h，根据地下水动力学计算分析可知相应的地下水流速非常小，可考虑为静水条件下的注浆工况。根据土粒级配分析，全风化花岗岩有效粒径仅为3 μm左右，与超细水泥平均粒径相当，注浆过程中浆液难以渗透进入，注浆过程中浆液将主要以劈裂、挤密形式扩散，因此在全风化花岗岩地层中进行注浆时，并不需要过分强调浆液颗粒的粒径，采用水泥基浆液就能够满足要求，其中，单液水泥浆水灰比W/C为0.8～1.2。为了应对注浆过程中出现的渗涌水量大的情况，注浆材料选择以普通单液水泥浆为主，并在渗涌水量大的钻孔配合采用水泥水玻璃浆液或快硬硫铝酸盐水泥浆液，水泥浆水玻璃浆液体积比C/S为3～4。

3.5 帷幕注浆方案参数

在确定帷幕注浆厚度、注浆压力、注浆材料及浆液扩散半径的基础上，通过理论分析与工程类比可以确定止浆墙厚度、注浆段落长度、注浆方式等参数，山心隧道富水风化花岗岩段全断面帷幕注浆参数见表3。

表3 富水风化花岗岩段全断面帷幕注浆参数表

根据分区治理原则，针对不同围岩情况相应调整帷幕注浆圈厚度，帷幕注浆方案设计如图4所示。

(a)6 m厚帷幕注浆纵剖面图

(b)6 m厚帷幕注浆孔布置立面图

(c)5 m厚帷幕注浆纵剖面图

(d)5 m厚帷幕注浆孔布置立面图

其中，突水引起的塌方段及围岩严重扰动段(右洞CK7+838～CK7+898、左洞DK7+782～DK7+874)帷幕注浆厚度设计为6 m，受到突水扰动较轻的段落(右洞CK7+898～CK7+990、左洞DK7+874～DK8+000)帷幕注浆厚度为5 m，为便于施工，各帷幕注浆方案布孔方式相同，通过改变外插角改变帷幕注浆圈厚度。

4 注浆方案实施及监测

施工中采用意大利CASAGRAND公司生产的C6 DRILL RIG大型履带式多功能钻机，注浆设备采用JB500型双液注浆泵。通过对已经完成施工的CK8+000～CK7+975段采用检查孔法、涌水量分析法、钻孔P-Q-t曲线法等方法对帷幕注浆效果进行检查评定，具体情况如下：根据注浆效果检查评定设计文件要求，检查孔数量为钻孔数量的5%～10%，现场检查孔数量设为6个，检查孔布置及检查情况如表4所示。

表4 钻孔情况表

表4表明，检查孔成孔率为100%，帷幕注浆施工后，效率良好，检查孔均未发生大的涌水，无涌砂涌泥现象发生。

4.1 涌水量对比分析

各检查孔涌水量情况如表5所示：

表5 检查孔涌水量测试结果表

从涌水量测试来看：6个检查孔涌水均呈小股状，稳定后涌水量基本都<4L/min，每延米涌水量均<0.2L/min，满足设计文件和施工要求。

4.3 钻孔P-Q-t曲线图

对JD3、JD4检查孔进行注浆试验，根据检查孔P-Q-t曲线特征判断注浆效果。

图5 J1、J2检查孔的P-Q-t曲线图

由J1、J2检查孔的P-Q-t曲线看，注浆5min后，围岩渗透性得到改善，围岩裂隙被浆体填充密实，并于岩体固结成一体，形成止水帷幕，注浆压力和渗水量明显减小，均达到施工规范和设计要求值。

综上所述，帷幕注浆完成后，各检查孔钻孔均能成孔，而且涌水稳定，涌水量均符合开挖和设计要求，无涌砂现象，显著提高了岩层强度、密实度及稳定性，降低了掌子面涌水量，是隧道安全开挖的重要保障，是解决突泥涌水地质灾害的有效方法。

5 结语

本文以山心隧道为依托项目，通过室内外试验分析了涌泥段的围岩岩性，并基于此采用公式法和综合分析法对岩性可注性进行判别；随后从注浆范围、注浆压力、注浆材料等方面开展了注浆方案设计研究，最后对实体工程进行了监测和评价。主要结论如下：

(1)涌水段围岩岩性的试验结果表明，山心隧道采用全断面帷幕注浆方案进行注浆时，应该以劈裂注浆方式为主，以填充、渗透注浆方式为辅，需要根据地应力状态、围岩结构特性确定注浆压力，从而满足堵水加固的效果。

(2)采用有限元计算方法对帷幕注浆厚度进行分析，计算结果表明，该涌水段全断面超前注浆帷幕厚度为5.0～6.0m，可有效降低隧道渗涌水量，减小结构变形与地表沉降。

(3)施工监测表明，帷幕注浆施工后，山心隧道监测段掌子面涌水量降低了约54%，渗水量<4L/min，每延米渗水量<0.2L/min，稳定后涌水量达到了设计要求。

(4)工程实践表明，采用全断面帷幕注浆堵水技术处治岩溶区山心隧道特大突泥涌水灾害效果良好，为类似项目的施工和设计提供了参考。

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Curtain Grouting Program Study for Super-large Water-gushing Mud-gushing Segment in Karst Area

HE Jun-hui1，LI Ting-ting2，ZHAO Yan-na1

(1.Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530021，China；2.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

In order to reasonably determine the tunnel curtain grouting parameters and grouting program in karst area，and relying on the water-gushing mud-gushing segment in Shanxin Tunnel of Guangxi Cenxi-Shui-wen Expressway，and through indoor and field experiment tests，this article analyzed the mineral composition of surrounding rock in tunnel face and other parts，and on such basis it used the empirical method and com-prehensive analysis method to judge the formation injectablity，then it determined the grouting methods；the finite element method was used for the calculation and analysis of curtain grouting thickness，and then it de-termined the curtain grouting parameters and design program applicable for Shanxin Tunnel；the monitoring results showed that the water gushing amount after the treatment by this program was decreased by about 54%，and the water gushing amount after being stabilized can meet the design requirements.

Tunnel；Karst area；Gushing water；Curtain grouting；Mud gushing；Treatment；Program study

U456.3+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.020

1673-4874(2015)04-0070-06

2015-03-03

何俊辉，工程师，主要从事高速公路建设管理与科研工作。