隧道白云岩砂化段帷幕注浆处理技术

2020-08-06陈宇波

科学技术与工程 2020年18期

罗昊, 邓飞, 何刚, 陈宇波

(1. 四川金通工程试验检测有限公司，成都 610041；2. 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；3. 中建隧道建设有限公司，重庆 401320)

目前隧道工程进入了高速建设期，随着大、长隧道、深埋隧道修建的越来越多，各项建设中遇到的复杂地质问题也越来越多[1-2]。不良地质现象处理技术的研究是解决隧道工程安全、快速施工和顺利运营问题的关键。在中国中南、西南地区，分布有大量的白云岩地层，而随着这些地区大量隧道的修建，遇到白云岩砂化这类特殊不良地质现象的概率大大增加，存在此类问题的地层稳定性极差，并有严重突水、突泥的风险，故越来越引起学者和工程人员的重视。

目前，中外关于白云岩砂化的研究文献较少。研究表明白云岩砂化是化学和物理综合作用过程，本质是一种特殊的岩溶现象，影响主要因素涉及岩性、体内部颗粒的大小和节理面裂隙、地下水及其运动特征等，主要产物为白云岩砂，即以SiO2与一些Fe和Al元素结合生成的黏土矿物[3-6]。白云岩砂化物质结构具有明显的垂直分层特征，自上而下主要依次分为粉质黏土、白云岩粉、白云岩砂。各层物质自上而下呈现颜色由深到浅、粒径由小到大、发育厚度由厚到薄、强度由强到弱的变化规律。白云岩砂化导致岩体质量降低，轻微砂化阶段白云岩围岩类别为Ⅱ～Ⅲ类；微弱砂化阶段白云岩围岩类别以Ⅲ类为主；中等砂化阶段白云岩围岩类别为Ⅲ～Ⅳ类；强烈砂化阶段白云岩围岩类别为Ⅳ～Ⅴ类；全强砂化阶段白云岩围岩类别为Ⅴ类。前人对白云岩砂化的机理以及工程性质已经有了较为深入的研究，但尚未有针对这一工程地质灾害治理措施的系统性研究，关于工程处治的研究还有待补充。

帷幕注浆是目前应用较多的一种软弱岩体处理技术，可以用于防渗堵漏，增加岩体强度和稳定性，同时也可减少压缩性。在隧道中应用中，帷幕注浆具有设备配套简单、注浆效果较好、成本低等优点[7]。现阶段，帷幕注浆的岩体注浆演化规律[8]，注浆室内和现场试验方法[9]均有了丰富成果。在大量理论和实践工作证明下，确定了影响注浆效果的主要因素为注浆压力、注浆材料、帷幕厚度和施工工艺[10]。工程人员在大型溶洞、大断层和高压富水岩层这些重、难点帷幕注浆工程中取得了显著的成绩[11-12]，但针对诸如白云岩砂化这类特殊地质灾害还缺少有针对性的研究资料，值得进一步探索。

重庆市市郊铁路尖璧段缙云山2#隧道K2+138～K1+946穿越梨树坪断裂带核心区，围岩为V级。根据综合超前地质预报显示掌子面K1+999前方约12～22 m，即K1+987～K1+977为白云岩砂化段，存在大型腔体，填充物为粉细砂和水，介质表观密度2 680 kg/m3，细度模数为0.9，水量丰富，超前钻探出水量297 L/min，即423.4 m/d，水压1.5 MPa，存在涌水、涌砂风险，经专家会议确定了K2+003～K1+973段采取超前帷幕注浆，共经历两次注浆，按施工图设计注浆失败，调整方案后获得了成果。以此工程为研究背景，对帷幕注浆处理技术在白云岩砂化段应用中的关键技术加以研究，首先检验帷幕注浆手段对白云岩砂化治理的有效性，其次研究白云岩砂化段帷幕注浆各关键影响因子的选定，补充现有研究的不足，以期为今后类似不良地质段的处理提供借鉴，获取更好的安全保障和经济效益。

1 研究方法和技术路线

通过查阅文献资料，查明缙云山白云岩砂化产生的原因、砂化白云岩的工程特性和帷幕注浆工程的关键控制因素及一般选取方法；通过专家法和试验分析第一次失败原因和需要调整的注浆参数；利用数据分析和对比分析，对比、分析公式计算、数值模拟结果，确定调整方案中各关键影响因子的合理选用方法和数值，另一方面通过对比分析失败的最初方案和成功的修正方案的处治效果和工程参数，验证新方案工程参数选用的合理性；最后通过信息分析法，总结工程经验，提炼研究成果。具体技术路线如图1所示。

图1 技术流程Fig.1 Technical flowchart

2 最初注浆方案

2.1 工程情况

2016年12月12日—2017年1月10日，按施工图设计方案施工，完成注浆孔62个，孔口管长度 310 m，钻孔长度3 167 m，累计注浆量732.7 m3，其中硫铝酸盐水泥浆465.05 m3，普通水泥浆167.18 m3，超细水泥浆100.47 m3。但注浆效果较差，存在如下问题。

(1)钻孔易塌孔，无法形成完整的孔壁。采用前进式分段注浆方法，按仰角和水平方向钻孔，填充物极易堵塞孔口；按俯角方向钻孔，又易发生孔尾堵塞。鉴于此，在注浆过程中尝试采用了钻杆注浆方法，但未取得成功，先后有两套进口专用钻杆被握裹死，无法取出。

(2)浆体在砂化岩层内渗透性差，扩散半径小。初期使用普通水泥单液浆出现了严重返浆。后尝试采用800型超细水泥浆，可注性好，但固结效果差，水泥流失严重。

2.2 效果分析

经注浆后，流砂、涌水现象没有明显改观，具体如图2所示。

图2 砂化段填充物Fig.2 Filling of sandification section

在原方案失败后，通过查阅文献资料和取样分析，并组织各方专家和技术人员进一步讨论，总结失败原因如下。

(1)没有充分认识砂化白云岩的工程特性。由于大型正断层形成了良好的导水通道，围岩破碎程度高，缙云山隧道白云岩砂化段为全强砂化阶段，腔体发育规模大，白云岩砂颗粒细密、岩层富水性较强，填充物质具有流动性，常规帷幕注浆加固手段难以进行有效处理，工艺需调整。

(2)注浆压力不合适，需调整。注浆压力与浆液在岩体裂隙中扩散的深度成正比，为保证浆液在岩层内的渗透性和扩散半径，需适当增加压力。而压力过大也会造成岩体塑性变形、浆液流失等不良反应。故需选择更合适的注浆压力。

(3)注浆材料不合适，需调整。为保护生态环境，帷幕注浆仍需以水泥注浆材料为主，但具体种类、配比需调整，以解决浆液返浆、流失问题。

3 方案调整过程

根据分析结果，缙云山白云岩砂化段帷幕注浆工程需对注浆压力、注浆材料(种类和配比)和注浆工艺进行调整。另外，为保证注浆效果，帷幕注浆半径，即注浆厚度也需进一步确定。故对帷幕注浆的压力、材料、厚度和工艺进行进一步分析讨论，以得到更科学合理的注浆参数和工艺方法。

3.1 注浆压力

对比分析了大量文献中的注浆压力计算公式，结合本帷幕注浆工程的实际地质情况，参考高东波等[12]在重庆中梁山岩溶富水段帷幕注浆工程中成功运用的计算公式：

P=2Pw+(1～2)MPa

(1)

式(1)中：P为注浆压力；Pw为测定水压；1～2 MPa为调控值。注浆段实测水压为1.5 MPa，故计算值为4～5 MPa，经现场试注浆检验，该值合理。

3.2 注浆材料

出于环保性和经济性的考虑，帷幕注浆工程浆液主要有：普通水泥单液浆、双液浆和超细水泥类浆液。为找出适用于白云岩砂化段的最佳材料，研究采用ANSYS软件对注浆材料因素进行数值模拟。因超细水泥价格昂贵，通常只用于配合性补注或微小裂隙注浆，故只对单液水泥浆和双液浆进行分析，配置浆液水灰比均取1∶1。

模拟采用缙云山隧道岩溶段V级围岩的各项地质参数进行模型建立，考虑到地下水及其压力对围岩的影响，围岩参数乘以相应的折减系数，相关参数如表1所示。

表1 材料选择数值模拟材料参数Table 1 Material parameters in numerical simulation of material selection

隧道平面线型模型高度方向取5倍隧道高度，水平方向取5倍隧道跨径。建立的CAD模型和ANSYS模型如图3所示。图3(a)中隧道外围的圆环为注浆加固圈，厚度6 m。取掘进10 m后的结果进行分析。

图3 材料选取平面和三维网格模型图Fig.3 Plane and 3D mesh model of material selection

通过比较不同注浆材料下的围岩位移、初支的第一主应力和第三主应力的大小，以确定何种注浆材料更适用于岩溶地区注浆工程。

分别模拟在不注浆、注单液浆和注双液浆的情况下的围岩位移情况，得到了隧道开挖之后位移变形(图4)。

图4 开挖后变形云图Fig.4 Deformation cloud picture after excavation

由图4可知，不注浆情况下，开挖后隧道围岩X方向最大的位移为X1=0.197 mm，Y方向最大位移最大位移为Y1=1.546 mm；对于注单液浆，X方向最大位移为X2=0.171 mm，Y方向最大位移为Y2=1.375 mm；对于注双液浆，X方向最大位移为X2=0.107 mm，发生在隧道左右拱脚位置，Y方向最大位移为Y2=0.78 mm。X方向最大的位移发生在隧道的左右两侧拱脚位置，左侧为正右侧为负，表明隧道两侧向内收敛；Y向最大位移发生在仰拱底部，变形为正，表明仰拱隆起。

分别模拟在不注浆、注单液浆和注双液浆的情况下的初支受力情况，得到隧道开挖之后初支主应力图(图5)。在不注浆的情况下，隧道周围最大第一主应力为1.62 MPa，出现在开挖面拱顶位置，最大第三主应力为12.5 MPa，出现在拱脚位置。隧道周围最大第一主应力为0.846 MPa，出现在拱脚位置，最大第三主应力为6.15 MPa，出现在拱脚位置。隧道周围最大第一主应力为0.506 MPa，出现在拱脚位置，最大第三主应力为4.17 MPa，出现在拱脚位置。

图5 开挖后初支主应力图Fig.5 Stress diagram of primary branch after excavation

综上可知，单液浆和双液浆对围岩均有一定的加固作用，其中双液浆的加固作用更加明显。因此，可初步得出结论：对比单液水泥浆而言，无论是在限制围岩变形还是受力方面，双液浆均表现出更好的性能，故双液浆材料更适用于缙云山隧道白云岩砂化段帷幕注浆工程。

3.3 注浆厚度

合适的帷幕厚度可使加固圈有较好的防水效果，既能抵抗隧道围岩中的水压力，又能具有经济性，故注浆厚度需进行科学合理的确定。

3.3.1 公式计算

目前关于帷幕注浆厚度的计算方法有理论公式法、经验公式法、模型分析等多种方法，选取了具有代表性的3种方法计算缙云山隧道帷幕注浆的厚度。

(1)模型分析法。缙云山隧道属于深埋高水位隧道，四季雨水量充足，对于这一类隧道模型，按照以往工程经验[13]可以采取模型简化，将其简化为对称的圆形模型进行分析。

李立新等[14]通过水流耦合和渗流耦合原理，给出了注浆加固圈B的计算公式，如式(2)所示：

(2)

式(2)中：B为注浆圈半径;rc为隧道衬砌内轮廓线半径；kg为围岩注浆后渗透系数；γw为地下水的重度；Q为注浆加固圈中渗流量；pg为地下水作用在注浆加固圈上的压力，由现场实测值得到；h1为隧道中心到水平面的竖直距离；θ为极坐标夹角。

隧道段水压力pg取值为1.5 MPa，隧道中心到水平面的垂直距离h1=200 m。水的重度γw=1×103kg/m3，注浆后渗透系数kg=2×10-8m/s，超前地质钻探30 m出水量423.4 m3/d，故Q取 14.11 m3/(m·d)，θ取90°。隧道为单洞双线，隧道内轮廓半径rc=6 m。根据以上数据，利用式(2)，得到注浆半径B约为6.000 m。

(2)理论公式法

帷幕注浆加固圈外部承受的水压力可视为静水压力，根据强度理论，何兵[15]提出了加固圈厚度B计算公式，如式(3)所示：

(3)

式(3)中：r为隧道开挖半径；σ为围岩加固体允许抗压强度；Pw为加固圈外侧静水压力。

根据缙云山隧道现场施工情况，选定计算参数为：隧道开挖半径r=6 m，加固圈外水压力Pw=1.5 MPa，围岩体加固允许抗压强度σ=3.5 MPa。计算注浆半径B为5.820 m。

(3)经验公式法

根据工程经验[16]，有：

B1=(4～6)r′

(4)

B=(B1-2r)/2

(5)

式中：B1为加固范围半径；系数4～6取值根据现场实际情况确定，当水流量较大，水压力大时，取上限，反之取下限。缙云山隧道出水量、压力可控，故系数可取4。

由经验计算公式[式(4)、式(5)]可得注浆半径B为6.000 m。

根据式(2)、式(3)、式(5)的计算结果，3个厚度数值差距不大，最大值和最小值仅差0.18 m，表明这组计算结果是可靠的。故缙云山隧道帷幕注浆的最佳厚度取6 m，运用经验公式计算简单、可靠。

为了在正式注浆前，进一步确认厚度计算结果，运用了有限元分析进行验证。

3.3.2 数值模拟

根据2.2节的模拟结果可知，双液浆相对于其他注浆材料来说，更适用于砂化白云岩溶地段，故模拟选用双液浆作为注浆材料，相关参数如表2所示。模拟以1 m为梯度，从1 m开始逐步增大注浆厚度。采用同一个隧道模型进行计算，每一个计算步比前一步的注浆圈厚度增加1 m，这样便于后续进行对比。

表2 新老注浆方案参数对比Table 2 Comparison of parameters between the new and the old grouting scheme

建模过程类似2.2节，具体模型如图6所示。

图6 厚度平面模型Fig.6 Plane mesh model of thickness selection

模拟共7个结果，分别提取出每一注浆厚度条件下衬砌结构的受力状态，注浆加固圈厚度为1 m时初支结构最大第一主应力为S11=0.539 MPa，最大第三主应力为S31=-9.43 MPa，Sij中第一个下标i表示主应力序号，第二个下标j表示注浆加固圈厚度。厚度增加后，最大第一主应力持续小幅下降，最小值为在7 m厚度下的S17=0.524 MPa，而最大第三主应力变化不明显，小幅波动。具体变化趋势图如图7所示。

图7 不同注浆加固圈厚度下的主应力Fig.7 Principal stress under different thickness of grouting reinforcement ring

结合图7可知，帷幕注浆加固圈厚度的主要作用是防水作用，即阻断地下水向隧道内部浸入，而对改善隧道支护结构的受力作用甚微。故确定注浆厚度时应该以渗水量为主要参考依据，最佳注浆厚度宜采用公式计算所确定的6 m，即可以达到预期的注浆堵水效果，并有限地改善支护受力条件。

3.4 注浆工艺

通过现场试注浆和经验总结确定注浆工艺。

3.4.1 注浆顺序

为了防止浆液流失，达到固结效果。确定调整后注浆顺序原则为：由外到内、由下到上、间隔跳孔，分三序孔施工。先灌注开挖线以外的部分，以期形成完整的封闭空间和加固体系；之后灌注开外线以内的部分，以保证开挖过程中固砂效果。具体注浆步骤为：钻孔注浆施工过程，先进行外圈A循环开孔固结，再进行外圈间隔孔的B循环开孔固结，然后依次由外向内、由下到上、间隔跳孔的次序进行C、D、E、F、G循环开孔固结，待达到注浆压力4～5 MPa后结束注浆。

3.4.2 注浆方式

针对砂化段钻孔时易塌孔，堵塞注浆管道的问题。采用设置一个变径接头的方法，以便流砂流出，解决水平方向钻孔孔口堵塞；针对下俯角方向钻孔，易发生孔尾堵塞的问题，仍采取前进式分段注浆工艺，将砂化段分段长度缩短至0.5～1 m，其他注浆段则为3～5 m。

4 修改后注浆方案

4.1 注浆参数

原、调整后注浆方案注浆参数对比如表2所示，重点是增大了注浆压力，使用4～5 MPa的高压注浆；材料调整以双液浆为主，局部超细水泥补强，水灰比1∶1，质量比水泥∶水玻璃∶水=532∶396∶532。复合硅酸盐水泥为P.C32.5R，超细水泥为DN800型，水玻璃浓度为30～40 Be；扩大径向加固范围为6 m，注浆孔增加到了137个，采用1.0 m×1.0 m梅花形布置；采取先外圈后内圈、先下后上、间隔跳孔的注浆顺序，缩短了砂化段的分段注浆长度；具体注浆设计如图8所示。工程从2017年2月 24日开始至4月18日完成，注浆历时54 d，完成孔口管长度695 m，钻孔长度 17 182 m，累计注浆量 1 206.72 m3，其中超细水泥浆193.46 m3，水泥-水玻璃双液浆 1 013.26 m3。

图8 调整后设计帷幕注浆示意图Fig.8 Adjusted design diagram of curtain grouting

4.2 效果评价

4.2.1 水质对比

通过注浆施工，水量逐渐较小，涌砂通道和出水裂隙得到了封堵。孔内出水的含砂量明显较小，如图9所示。由图9可知，注浆后地下出水变清澈，说明注浆堵砂效果明显。

图9 地下水含砂量对比Fig.9 Comparison of sand content in groundwater

4.2.2 检查孔法

注浆结束后，均匀设检查孔17个，占注浆孔比例为12%。结果表明15 m范围内的检查孔孔内已无流砂流出，15～25 m有少量水夹砂流出，孔内出水量最大9 L/min，17个孔总出水量为68.9 L/min，具体数据如表3所示。从设计的17个检查孔出水情况分析，多数检查孔内水量小于 0.2 L/min·m，合格率82%，检查孔钻进过程中无卡钻现象，终孔无塌孔。另检查孔注浆施工时，检查孔单孔吸浆量都较小，说明地层的裂隙得到封堵。

表3 检查孔出水情况Table 3 Effluent situation of check holes

4.2.3 揭露岩体

在帷幕注浆结束后，设计超前大管棚支护+超前小导管进一步加固，并采用CRD(center cross diagram)法机械开挖，以保证此段安全穿越。

从图10可以看出，揭露的围岩密实度高，可见明显的浆脉，围岩成块体说明帷幕注浆效果较好，取得了注浆工程预期的目的。

综上所述，经分析可知，根据新方案施工后，达到了注浆预期效果，流砂得到有效稳定，出水量减少77%，揭露岩体成块状，较密实。这说明新方案选取的各项参数基本合适。由新、老方案比较可知，新方案缩短了砂化段中前进式分段注浆的长度，防止塌孔和堵孔，保证了注浆效果；先外后内和先下后上的注浆顺序，有利于注浆壳体封闭空间的形成；显著增大了注浆压力，使得浆液可劈裂进入致密的粉细砂层中，不致出现大量返浆；改用双液浆为主，加快了凝结速度，提高了早期岩体强度和堵水效果；增加了帷幕厚度，保证了堵水固砂效果和围岩稳定性。加密了注浆孔数量，保障注浆范围和效果，增加了超前大管棚，提高掘进的安全性。