地表注浆预加固施工在软弱围岩隧道浅埋段优化开挖工法及支护参数中的应用

丁俊昌

摘 要： 文章通过研究对贵南高铁德庆隧道浅埋段软弱围岩进行地表注浆预加固，结合具体试验数据，评估预加固效果，从而论证适当优化隧道开挖工法和支护参数的可行性，以提高隧道施工工效，缩短施工周期。

关键词： 地表注浆;软弱围岩隧道;开挖工法;支护参数;优化

【中图分类号】TU91 【文献标识码】B 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.27.045

德庆隧道位于贵南高铁河池至永安区间，是贵南高铁控制性工程之一，为设计时速350km/h的单洞双线隧道。隧道地处云贵高原向广西盆地过渡的斜坡上，属侵蚀-溶蚀作用形成的低山峰丛洼地、丘陵地貌。洞身通过灰岩夹硅质岩、灰岩为主的可溶岩地层长度约5423m;通过土层段长度1187m，围岩稳定性差。

1 隧道通过土层段原开挖工法及支护参数设计

德庆隧道穿过土层的5个段落设计开开挖支护方法为双侧导洞三台阶施工，施工工序及横断面图如下：

第一步：（1）利用上一循环架立的钢架施作超前支护，弱爆破开挖①部;（2）施作①部导坑周边的初期支护和临时支护：即初喷拱部混凝土，铺设钢筋网，架立上台阶钢架，并设锁脚锚管，施作超前小导管;（3）复喷混凝土至设计厚度后钻设径向锚杆。

第二步：（1）弱爆破开挖②部（导坑下台阶）;（2）施作②部导坑周边的初期支护和临时支护：即初喷边墙混凝土、安设钢筋网、接长边墙钢架和侧壁临时钢架，并设锁脚锚管;（3）复喷混凝土至设计厚度后钻设径向锚杆。

第三步：灌筑③部边墙基础并施作边墙基础抗倾覆锚管。

第四步：按第一步施工右導坑上台阶④。

第五步：按第二步施工右导坑下台阶⑤。

第六步：（1）架设边墙基础钢架并施作边墙基础抗倾覆锚管;（2）灌筑⑥部边墙基础。

第七步：（1）利用上一循环架立的钢架施作超前支护，开挖⑦部;（2）施作⑦部上台阶的初期支护和临时支护：即喷射拱部混凝土，铺设钢筋网，架立第一层拱部钢架，并设扩大拱脚与锁脚锚管，施作超前小导管并注浆，⑦部掌子面喷8cm砼临时封闭。

第八步：利用第一层拱部钢架施作第二层拱部钢架，并打设锁脚锚管，喷射拱部混凝土。

第九步：（1）在滞后于⑦部一段距离后，弱爆破开挖⑧部;（2）施作⑧部的初期支护：喷射边墙混凝土，并将第二层拱部拱架与边墙基础钢架连接。

第十步：弱爆破开挖⑨部并拆除临时支护。

后续施工隧底软基处理、防排水、二次衬砌以及其他附属工程。

原设计采用的双侧导洞三台阶法，能够有效控制浅埋隧道软弱围岩的地表下沉，保持掌子面的稳定，安全可靠。但该工法开挖断面分块多，扰动大，初次支护至全断面闭合的时间长，施工速度较慢，成本较高，严重影响后续工序的施工，制约着整个工程的施工工期。为了进一步提高施工效率，决定通过地表注浆预加固施工，提前改善隧道围岩力学性质，在确保隧道施工安全可控的情况下，优化施工工法，缩短施工成本及施工周期。

2 地表注浆预加固施工

2.1 地表注浆试验段的地质情况

地表注浆试验段位于DK300+805～+825段，长度20m，洞顶埋深为20m。隧道洞顶以上地质为含砾粉质黏土，褐黄色夹灰白色，硬塑状，黏性一般，土质不均匀，含硅质角砾5～30%，局部夹砾砂土夹层;洞顶以下地质为含黏土砾砂土，灰白色为主，局部夹褐黄色，稍湿-潮湿，中密，动探试验时贯入困难，土质均匀性较差，砾砂土级配差，颗粒以细砾和粉黏粒为主，粉黏粒含量一般大于30%，细砾平均含量33%，透水性较差，土体性质接近粉质黏土。

2.2 注浆加固范围

DK300+805～+825段，长20m，注浆区域加固范围为洞顶以上8m至底板以下1m;横向加固范围为开挖轮廓线外5m。注浆孔平面按间距1.5×1.5m等边三角形布置。

2.3 注浆参数设计

采用袖阀管后退式分段多次注浆，袖阀管采用外径Φ76mm，壁厚3.5mm的钢管加工制作，每节长度4～6m，管节间连接采用直径Φ89mm钢管插管满焊连接，外插管接头长度50cm。袖阀管段设置直径8mm溢浆孔，每断面均匀布置3个溢浆孔，溢浆孔断面间距为75cm，底端10cm加工成尖锥状利于下入，在不注浆段管体与孔壁间设置套壳料，施作时在不加固段末端以上30cm范围缠绕麻丝柱塞，然后下管到位后灌注套壳料。套壳料用膨润性粘土和水泥浆液搅拌而成。具体注浆参数如下：

2.4 地表注浆施工方案

采用袖阀管后退式分段多次注浆，使得浆液在地层中扩散形成浆脉骨架，并通过反复劈裂、挤密地层，以降低地层含水率，增加地层密实度，提高地层稳定性。袖阀管注浆顺序按发散-约束型注浆原则进行，先外后内、分序间隔跳孔注浆施工作业。具体注浆施工工艺如下：

①钻孔：钻孔直径130mm，钻孔深度应达到设计注浆固结段深度，钻孔垂直度误差小于1%;

②下管：钻孔至设计深度后，下入袖阀管，在注浆部位下有扩散孔注浆管，非注浆部位下无扩散孔注浆管，每节袖阀管之间采用直径89mm，长50cm的钢管，插管并满焊连接。

③浇注套壳料：袖阀管安设到位后，在袖阀管与孔壁之间，由下到上注入套壳料孔口溢出，待凝固后注浆;待套壳料强度满足施工要求后，下入止浆塞，按照设计注浆参数，实施注浆作业。

④浆液配制：根据搅拌桶容量和配合比计算现场施工每桶实际配合比，并在搅拌桶刻度标示，根据刻度标示首先在搅拌机中加入水，启动搅拌机，加入水泥，强力搅拌，混合均匀待用。

⑤注浆施工：单孔注浆方式采取后退式分段注浆工艺，即在注浆段内由孔底进行注浆，每次注浆段长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，以此下去，直至完成注浆段注浆。注浆过程中应做好详细的注浆记录，并对浆液进行凝胶时间的测定，确保注浆施工效果。

⑥注浆结束标准：按注浆压力和注浆量相结合的双控标准，注浆设计终压3.0～4.0MPa（或现场试验调整），注浆压力达到设计注浆终压，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（设计注浆量按照20%孔隙率核算）仍未达到设计终压，立即停止注浆，调节浆液凝结时间，使得压力到达设计终压，结束注浆。

⑦封孔：注浆效果检查合格后，应对注浆孔进行清理，采用M15水泥砂浆或水泥浆封堵注浆孔及检查孔。

⑧注浆结束后，在注浆管上重新盖上封盖，以便于复注施工。

3 地表注浆预加固效果論证

3.1 注浆后的岩土物理力学指标测定

注浆前选取DK300+810～+812段上台阶基础4个点进行地基承载力测试，通过土工试验报告得出地基承载力分别为91 KPa、116 KPa、124 KPa、84KPa;注浆后选取DK300+812～+815段上台阶基础4个点进行地基承载力测试，通过土工试验报告得出地基承载力分别为292KPa、316 KPa、324 KPa、300KPa。

注浆试验段通过土工试验检测得出结果：地基承载力达到300kPa、含水率20.5%、黏聚力65KPa、内摩擦角38.8°、回弹模量16957KPa，土体性能得到了有效改善，土体自稳性和承载力有较大的提高，部分物理力学指标达到Ⅳ级围岩。

3.2 开挖后的掌子面岩土固结情况

对注浆段落开挖揭示掌子面效果进行观察，注浆后，掌子面含砾黏土、砾砂土有效加固，无水，掌子面自稳性好，无任何坍塌;观察浆液对地层的加固状况，主要表现为填充挤压方式，地层垂直渗流的特性，土层孔隙率较大，经高压注浆，形成浆脉，以脉状扩散方式形成网状加固结构，达到固结土层、堵水的目的。注浆效果见图2。

3.3 注浆段开挖后隧道沉降、收敛情况

（1）拱顶下沉量测

（2）周边收敛量测

监控量测分析：上台阶开挖支护后，在4～5天后拱顶沉降趋于稳定，通过近一个月的观测，拱顶沉降最大为45mm，周边收敛最大值为16.5mm，远小于开挖工法相同的未进行注浆加固的德庆隧道出口深厚黏土（砾砂土）试验段同期沉降量和周边收敛值。

3.4 地表注浆试验成果总结

根据现场开挖揭示效果，注浆压力控制在2～3MPa，能达到注浆效果，试验段注浆量共计2567.3m3，注浆填充率约18%。 在本工程复杂的工程地质环境条件下，采用袖阀管后退式分段注浆能加固围岩，经地表加固后，围岩力学性能改善，地基承载力提高，地层含水率降低，拱顶沉降得到了有效控制，根据注浆范围取样检测结果：地基承载力300kPa、含水率20.5%、黏聚力65KPa、内摩擦角38.8°、回弹模量16957KPa，部分物理力学指标达到Ⅳ级围岩;注浆效果明显，能达到预期目的，注浆后的围岩具备隧道开挖工法优化的条件。

4 注浆后优化后的施工方案

通过对地表注浆预加固结果进行论证，注浆后开围岩物理力学指标达到Ⅳ级围岩，故可将挖工法优化为三台阶工法。上台阶施工长度为8m，台阶高度为5.6m;中台阶考虑上、中台阶开挖出渣、φ76管棚施工长度等距离，中台阶长度37m，中台阶临时仰拱封闭距掌子面15m;下台阶开挖支护后，在距离掌子面45m封闭成环。施工工序及横断面图如下：

（2）施工步序

第一步：①利用上一循环架立的钢架施作超前支护Φ42双层小导管（纵向间距1.2m，单根长4.5m，环相间距30cm，共67根）并注浆。

第二步：①开挖上台阶，每循环开挖进尺1.2m，施作初喷混凝土;②施作上台阶的初期支护：铺设钢筋网，架立拱部钢架，施作系统锚杆，施作锁脚锚管，喷射初支混凝土;

第三步：①开挖中台阶，中台阶左右分幅开挖，每循环开挖进尺1.2m，施作初喷混凝土;②施作中台阶的初期支护：铺设钢筋网，架立钢架，施作系统锚杆，施作锁脚锚管，喷射初支混凝土;

第四步：施工中台阶临时仰拱;

第五步：（1）开挖③部下台阶，下台阶左右分幅开挖，施作初喷混凝土，掌子面喷10cm砼临时封闭;（2）施作下台阶的初期支护：即喷射边墙混凝土，铺设钢筋网，架立钢架，并施作锁脚锚管，喷射初支混凝土。（3）施作Φ42径向锚管，并注浆加固地层。

第六步：（1）施作底板钢架;（2）喷射底板混凝土。

第七步：拆除中台阶临时仰拱。

后续施工隧底软基处理、防排水、二次衬砌以及其他附属工程。

5 结束语

在软弱围岩隧道施工过程中，遇围岩松散等不良地质条件，将严重影响开挖的安全，大大增加施工成本，制约着施工工期。有效的解决方法是通过预加固措施提高软弱地层的强度和围岩稳定性。其中地表注浆预加固措施在德庆隧道浅埋段软弱围岩预加固施工中，收到很好的预加固效果，保证了隧道工程在安全的前提下高效、顺利地完成施工任务。

参考文献

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[2] 张建军，黄诒宝，沈增辉.地表注浆在隧道破碎围岩加固中的应用[J].广东建材，2011，（12）.62-64.