隧道高地应力软弱围岩适度蠕变后渗透注浆加固技术

罗衡

【摘 要】新建成都至兰州铁路松潘隧道属傍山隧道，隧道最大埋深约270 m，为高地应力软质围岩隧道，施工期间隧道频繁出现初期支护变形破坏、侵限等问题。因原始围岩的压实程度高，采取常规注浆加固的效果并不理想。根据隧道的围岩特性、初期支护变形及破坏特性，针对性地提出了隧道高地应力软弱围岩适度蠕变后渗透注浆加固技术，有效地控制了高地应力软岩进一步蠕变，防止围岩过度变形。

【关键词】铁路隧道；软弱围岩；高地应力；适度蠕变；注浆

【中图分类号】U45 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）02-0087-03

0 前言

近年来，随着国家基础建设的迅速发展，高速铁路穿越我国西北部高海拔、高地应力山脉的情况越来越多，使得隧道施工过程中所遇到的围岩地质情况也更加复杂。成兰铁路松潘隧道最大埋深约270 m，隧道开挖揭示围岩主要为三叠系上统新都桥组（T3x）炭质板岩，岩质软弱、岩体挤压破碎严重，节理裂隙发育且结构面结合很差（如图1所示）。由于隧道埋深大、地应力大，围岩虽破碎，但在未进行开挖扰动时压实程度高，现有的注浆施工技术对围岩变形的控制效果并不理想，从而导致隧道初期支护频繁出现变形、侵限的现象。

为了确保隧道围岩稳定，必须进行围岩软岩的处理，同时需进行施工工艺及技术创新，创造性地采用新技术，以处治软弱围岩的过度变形，确保隧道初期支护结构的稳定，加快施工效率。

1 采用的创造性施工技术要点及特点

1.1 技术原理

因隧道埋深大、地应力高，围岩在未开挖前结构密实，采取常规的注浆技术的处理效果非常有限，围岩在完成初期支护后，围岩持续发生大变形，造成初期支护大变形、开裂及超限等问题。

在对隧道高应力软岩的地质情况进行了充分研究的基础上，经多次现场试验、分析及研究，创造性地提出了高地应力软岩隧道围岩适度蠕变后渗透注浆的施工技术，既在围岩开挖后，立即施工初期支护，围岩在初期支护的约束下，因受开挖扰动及应力重分布发生蠕变，所以围岩由紧密状态向松弛状态变化，洞周围岩产生松动圈，再适时对洞周松动圈一定范围内的围岩进行压浆加固。注浆的时机要求如下：①围岩松弛达到一定程度，可以注入足够的浆液固结、加固松弛围岩；②软弱围岩不过度松弛，避免引起初期支护过度变形破坏，甚至完全失效。具体施工技术如下。

采用管身钻注浆孔的φ42/t=3.5 mm无缝热轧钢管作为渗透注浆的引流管，在初期支护完成后钻孔，将引流管送达松散围岩中。利用注浆机将1∶1水泥浆通过引流管压入松散岩体中，充填、固结松散围岩裂隙及充填初期背后間隙，一是使得围岩不因孔隙裂隙压密及蠕变过程而导致围岩松动圈外扩；二是提高围岩强度和承载能力，减小围岩对初期支护的作用力；三是使初期支护与洞周围岩密贴，使得初期支护和围岩形成一个整体受力支护体系。

1.2 技术特点

（1）在软弱围岩适度变形松散后进行注浆固结，充分利用了松散围岩自身残余强度，增强了围岩的自稳定性，有效阻止了由于隧道松散围岩蠕变而使松动圈扩大导致初期支护变形、侵限的现象。

（2）初期支护施作后再注浆，水泥浆能够填充初期支护与围岩之间的间隙，使初期支护与围岩形成更为牢固的结构承载整体，并使钢架对围岩有一定的主动支撑力，加强了初期支护的支撑能力，防止围岩进一步失稳。

（3）利用高压水泥浆液凝固迅速黏结松散围岩、填充围岩节理裂隙及受开挖爆破影响而产生的裂隙，提高围岩强度。

（4）注浆加固操作简单、工艺方便、使用机械简便、节能环保、工程造价低，不影响施工循环进度。

（5）安全可靠，大大降低了高地应力软岩隧道初期支护的换拱。

1.3 适用范围

适用于各种高地应力软弱、强风化围岩隧道施工。同时，在高原黄土、松散全风化围岩隧道施工上可参考使用。

2 注浆时机的研究

为了达到注浆处理加固的效果，注浆时机的选择非常重要，如果注浆时间过早，围岩松散程度不足，浆液注入困难，不能充分填充围岩裂缝，其围岩加固效果不佳；如果注浆时间过晚，则围岩变形过大，注浆后持续的部分变形导致初期支护变形破坏或超限。

经对本隧道围岩变形规律进行研究，以拱腰处水平收敛为参考参数，典型断面变形曲线如图2所示。

研究表明，当水平收敛超过450 mm时，初期支护结构出现裂缝或是破坏现象或是变形超限等现象，故需在水平收敛不超过450 mm前进行注浆。同时试验结果表明，当水平收敛变形处于350～450 mm区间，初期支护后压浆虽能有效降低围岩变形量，但压浆前变形量+后续残余变形量还是容易使初期支护产生变形超限或是破坏的作用。故将压浆的水平收敛上限值定为350 mm。

当水平收敛小于150 mm时，压注入的水泥浆液少，压浆后的变形量与完全没注浆断面相差不大，效果太理想，故将压浆的水平收敛下限值定为150 mm。

在本隧道施工中，进行高地应力软岩隧道围岩适度蠕变后渗透注浆时的水平收敛值为150～350 mm。

3 施工关键技术及操作要点

3.1 进行监控量测，确定注浆时机

开挖后，及时进行初期支护钢架架立及喷锚等施工，初期支护完成后，立即进行监控量测，当水平收敛达到150～350 mm区间时，开始进行注浆。

如果初期支护不能及时完成，或是施作时间过长，导致开始进行水平收敛量测的时间延后，则根据具体情况调整注浆时的水平收敛值。

3.2 操作要点

3.2.1 施工前准备

检查压力表是否正常，注浆管是否通畅。进行注浆机清水试验，观察注浆机运转及出水量情况是否正常。

因本隧道围岩蠕变松散圈厚度为300～500 cm，注浆范围要穿过松散区。故注浆管采用φ42/t=3.5 mm无缝热轧钢管，单根长500 cm。钢管前端加工为锥形，尾部设置φ8 mm钢筋加劲箍。管身钻注浆孔，孔径为6～8 mm，孔间距为15～20 cm，注浆孔呈梅花形布置，尾部留不小于100 cm不钻孔为止浆段。注浆管构造如图3所示。

3.2.2 测量放样

在喷射混凝土完成后，现场测量员在矮边墙以上部位对上一循环喷混凝土表面进行孔位标识，孔位间距为120 cm×100 cm（环×纵），呈梅花形布置，孔位放样允许偏差2 cm，并与原设计系统锚杆位置交错布置，有水的地段加密布置。

3.2.3 鉆孔及注浆管安装

喷射混凝土完成后，进行注浆管的孔位布置、成孔及安设。注浆管的安设为先凿岩机成孔，再送入注浆管。

凿岩机成孔过程中控制其与初期支护面垂直，注浆孔一次成孔；钻孔深度大于注浆管长度10 cm；注浆管孔距在允许偏差范围内。当钻孔遇到钢筋网片而无法钻进时，可在测量点旁边重新钻孔。

在钻孔完成后，进行吹孔检查，检查确定无塌孔、阻孔石的情况下才可送管。且注浆管外露长度不大于10 cm，并在端头焊接止浆阀，以保证注浆完毕后浆液不从注浆管回流。

3.2.4 注浆管注浆

利用喷射混凝土对本循环施作的注浆管孔口进行封堵形成止浆盘（厚约5 cm），防止注浆过程中浆液从注浆管周围溢出而达不到压浆效果。

同时调制1∶1水泥净浆，采用注浆机对上一循环施作的注浆管进行压浆作业（如图4所示）。

注浆前先对注浆机进行清水试验，检查设备的运转情况。在一切正常后对围岩进行注浆。注浆压力一般为0.5～0.7 MPa，注浆顺序为先下后上，先疏后密，先周边后中间，注浆方式为先稀后浓，先低压后高压。注浆开始时，要先开进浆阀，再关闭泄浆阀；注浆结束时，要先打开泄浆阀，再关闭进浆阀。避免2个阀门同时关闭，防止压力突然升高，产生危险。

当注浆完毕后，利用清水对搅拌桶、注浆机、注浆管、压力表进行清洗干净，防止注浆浆液污染、堵死施工设备。做好现场文明施工。

4 质量控制

软岩隧道同步注浆施工质量控制要点主要为进场材料、注浆管加工及安设、注浆机注浆效果的质量控制。

4.1 钢管及水泥进场质量控制

注浆管所用钢管必须按批抽取试件作力学性能和工艺性能试验，其质量必须符合国家有关规定及设计要求。检验数量：以同牌号、同炉罐号、同规格、同交货状态的钢管，每60 t为一批，不足60 t按一批计。

注浆所用普通硅酸盐水泥现场对每厂家、每编号核查供应商提供的质量证明文件。同时对每批抽样试验一次。检查数量：以同厂家、同编号、同出厂日期且连续进场的散装水泥每500 t（袋装水泥每200 t）为一批，不足上述数量时也按一批计。

4.2 注浆管加工及安设质量控制

注浆管的加工在洞外钢筋棚内集中进行，对作业人员进行专门培训并由专人负责。同时，技术员随机抽样检查溢浆孔的数量间距大小是否符合要求，如果不符合要求应及时要求返工处理。检查方法：尺量、观察法。

在测量放样时，注浆管安设点允许偏差2 cm，标识点清晰明了。在凿岩机成孔时，孔距允许偏差15 cm；成孔方向与初期支护面垂直，允许偏差为2°；成孔后对孔深进行检查，钻孔深度大于注浆管10 cm；并检查孔内是否通畅，有无塌孔现象。再送入注浆管，沿成孔方向顺利一次送入，切勿偏移角度使得注浆管损坏。

4.3 注浆机注浆效果质量控制

在注浆过程中，安排专人负责观察注浆压力值，注浆压力一般控制为0.5～0.7 MPa，同时观察注浆管之间的串浆情况。如果注浆压力值上升很快，注浆量很小，表明围岩密实或注浆管孔被泥砂堵死，当注浆压力到达设计值时停止对此注浆管注浆。如果注浆压力按一定规律上升，且注浆流量变化不大，表明注浆渗透效果较好，当注浆压力达到设计要求且注浆流量逐渐减小时停止对此注浆管注浆。如果注浆压力过程中注浆压力迅速下降，且注浆流量增大时及时停止注浆，观察周边是否有漏浆现象，并及时对其进行处理。

5 结语

通过综合研究分析松潘隧道围岩的结构特性、初期支护的变形破坏特性和变形成因，掌握其变形发展的规律，进而针对性地在松潘隧道高地应力软弱围岩段采用软弱围岩适度蠕变后渗透注浆加固技术，并合理地进行施工组织和严格施工工序质量的控制，不断完善、优化和改进施工工艺，有效控制了初期支护体系的变形破坏，确保了松潘隧道的施工安全和提高了施工效率，取得了良好的社会和经济效益。

参 考 文 献

[1]袁壮丽.浅谈高地应力软弱围岩流变施工技术[J].国防交通工程与技术，2015（增刊）.

[2]周泽林.高地应力环境下引水隧洞软弱围岩稳定性分析[J].水利水电技术，2014（2）.

[3]张健儒.山岭隧道软弱围岩工程地质特性及施工对策[J].隧道建设，2014（8）.

[4]关宝树.隧道工程施工要点集（第2版）[M].北京：人民交通出版社，2011.