超前周边注浆技术在软弱围岩中的应用研究★

李 朋 亮

(中铁二十二局集团有限公司，北京 100043)

0 引言

软弱围岩作为不良地质条件，增加了隧道施工的安全风险，我国在隧道软弱围岩的施工过程中积累了一定的经验，如：刘宗族[1]、马晓文[2]、张安俊[3]对软弱围岩施工过程中的超前地质预报、监控量测及效果进行了描述及研究；姜春亮[4]、陈祥林[5]、郭军[6]、李茂有等[7]对软弱围岩的等级描述和采用超前锚杆支护、超前小导管及超前管棚等技术进行了描述及研究；岳纪强[8]、牟新伟等[9]通过建立有限元模型或施工方案数值模拟研究的方法对相应的支护方式在软岩中各类工况的变化进行了研究。综上所述，由于软弱围岩存在地质变化复杂，支护形式多样的特点，在通常情况下根据超前地质预报进行地质预判、监控量测手段进行支护稳定性判定后采用相应的超前支护形式等措施即可解决施工过程中存在的问题，但在软弱围岩施工过程中同时还存在富水、浅埋、偏压等地质情况时，需采取超前注浆的方式，对围岩采取挤密、止水封闭、固结等措施，将围岩的稳定性控制在可控范围之内方可进行开挖施工。本文以哈牡客专爱民隧道为基础，对复杂地质情况下的软弱围岩注浆技术及效果评定进行了研究。

1 工程和地质概况

1.1 工程概况

哈牡客运专线爱民隧道为单洞双线隧道，全长2 940 m，其中暗挖段长1 890 m，暗挖段埋深3 m～60 m，具有浅埋、富水、偏压、岩体破碎，砂泥岩互层等特点，Ⅴ级～Ⅵ级围岩占隧道暗挖段的74.1%。被铁路总公司评定为哈牡客专唯一一条极高风险隧道，定为全路极高风险重点监控隧道之一。

1.2 地质概况

隧道地质结构以玄武岩、全风化岩、砂岩、泥岩、全风化岩层为主；且开挖揭示岩性接触关系复杂；玄武岩、泥岩全风化层强膨胀性。根据设计文件及超前地质预报显示，地下水水位高于隧道设计拱顶15.5 m～22 m，拱顶岩体破碎，易掉块、塌方、变形；易突水涌泥、塌方，甚至冒顶。

2 超前注浆设计及标准要求

注浆设计原则：设计按照“注浆渗透、劈裂、挤密”的注浆机理，对隧道开挖轮廓线外破碎围岩层进行固结、止水、加固，形成稳定的加固圈，保证主洞开挖及结构安全。

2.1 注浆范围

按照每循环长30 m，开挖纵深27 m，预留3 m作为止浆岩盘进行注浆。注浆孔按照终孔断面长30 m和补充断面长17 m设置，其中，终孔断面孔间距不大于4.5 m。浆液扩散半径3 m，径向加固开挖面及开挖轮廓线外5 m范围，见图1。

2.2 注浆工艺

注浆工艺在隧道施工过程中存在多种形式[10-12]，本次采用钻杆前进式分段注浆和后退式分段注浆相结合的施工工艺。

1)前进式分段钻孔注浆:根据地质情况，施工采用多功能地质钻机开2 m深φ150 mm的孔，布设2 m长φ127 mm的孔口管，在孔口管钻设φ115 mm的孔进行注浆施工。

2)钻杆后退式注浆:每循环先钻孔至设计深度，然后按照边后退钻杆边注浆的方法进行退杆注浆，钻杆后退至距止浆墙6 m～8 m时安装孔口管，对剩余段落进行压盖注浆。

2.3 注浆材料

通过现场地质勘察情况和单位时间内出水量相结合，现场注浆材料采用以硫铝酸盐水泥单液浆为主，普通水泥—水玻璃双液浆为辅的浆液。选取材料为：硫铝酸盐水泥(42.5)；普通硅酸盐水泥(42.5)；水玻璃(浓度：40Be′)，模数：2.4～2.8。浆液配比参数如表1所示。

表1 浆液配比参数表

2.4 注浆参数

注浆参数见表2。

表2 注浆参数表

2.5 注浆顺序

按发散—约束型注浆采取“先外后内，自下而上、间隔跳孔”原则进行。即先跳孔施工A孔单序孔和B孔双序孔，再施工A孔双序孔、B孔单序孔，最后施工C孔，如图2所示。

第一步：施工A孔单序孔；第二步：施工B孔双序孔；第三步：施工A孔双序孔；第四步：施工B孔单序孔；第五步：施工C序孔。

2.6 注浆施工要求

单孔注浆压力达到设计数值并保持稳定后，维持5 min～10 min，结束注浆。单孔注浆量达到设计值的1.5倍但压力仍未达到设计要求时，可对浆液凝结时间进行调整，以使注浆压力达到设计数值。所有注浆孔均满足设计注浆要求且无漏注现象后结束注浆。

2.7 注浆效果检查

根据注浆分布和施工记录情况，取薄弱环节设检查孔，检查孔应无涌泥、涌砂，不塌孔，渗水量应小于0.2 L/min或小于设计值，否则应予补注。

3 注浆效果评定

循环注浆效果评定采用分析法和检查孔法。

3.1 分析法

1)以各注浆孔单孔注浆量为基础，以注浆量随时间变化绘制变化效应图进行分析。

a.根据注浆量及加固体体积反算浆液填充率。

b.根据注浆量横断面分布图与钻孔揭示的地质情况进行比较，通过评判是否符合地层地质情况变化规律以验证注浆效果。

c.根据地层注浆量随时间变化情况进行评判，以单孔注浆量明显减少，判断孔隙率逐渐降低，地层固结密实为标准，达到注浆渗透、挤密岩层的作用。

2)通过记录注浆过程中注浆量和注浆压力随注浆时间变化情况，绘制p—q—t曲线进行注浆情况分析，主要表现为以下三种形式。

图3为注浆前期的p—q—t曲线。如图3所示，先序注浆的B3，B4，B9，B16等孔注浆，在注浆初期在基本没有注浆压力的情况下以注浆流量为80 L/min进行注浆，随着浆液在松散岩层中不断填充，注浆压力逐步达到或超过设计数值，表明松散地层被逐渐挤密。

图4为注浆中期的p—q—t曲线。如图4所示，A2，A4，A6，A8等中期注浆孔，在进行前期注浆后，岩层虽然达到了一定程度的挤密效果，但仍有部分地段存在空隙，因此中期初始注浆流量约为60 L/min～70 L/min。随着注浆压力逐渐达到设计值时，岩层空隙地层逐渐被压实。

图5为注浆后期的p—q—t曲线。如图5所示，后期注浆的C2，C4，C6等孔注浆，通过两个阶段的注浆，岩层逐渐被挤密压实，地层吸浆能力明显减弱，后期初始注浆量明显减小但注浆压力已达到1.5 MPa，随着岩层空隙逐步被挤压密实，注浆流量迅速减少但压力迅速上升，表明岩层被劈裂挤密压实到一定程度。

通过上述三个阶段的p—q—t曲线分析可以看出，随着注浆量的增加，注浆压力逐渐增大，软弱岩层的空隙被逐渐由挤密到压实再到劈裂挤密压实，曲线显示与注浆量分布基本与地层变化规律一致，由此可见注浆效果达到了设计要求。

3.2 钻孔检查法

现场分布4个检查点，对注浆后的岩层进行钻孔取芯，通过对芯样的判定，为注浆后效果评定和下一步开挖施工提供依据，见表3。

表3 现场钻孔情况表

通过对4个检查孔的芯样检查结果判定，注浆后岩层密实、干燥，渣样中含浆明显，且检查孔出水量均符合设计要求，结论如下：

通过检查孔钻心取样检查注浆后地质情况与注浆量分布基本一致，检查孔钻孔过程中没有出现出水或渗水现象，渣样固结密实且完整性较好，注浆效果满足设计要求。表明注浆对软弱围岩起到了很好的挤密加固作用。

3.3 开挖观察

对掌子面开挖情况揭示，开挖暴露部分岩层注浆痕迹清晰，软弱岩层固结密实，掌子面干燥，注浆岩层止水效果明显，以此判断，注浆效果达到了设计要求，满足施工需要。

4 结语

根据软弱围岩地质情况，采用超前周边注浆设计及注浆工艺措施的控制，通过分析法和钻孔取样检查法对注浆效果进行判定，并经过现场实际开挖掌子面情况验证，按照“注浆渗透、劈裂、挤密”的注浆机理进行设计和施工，注浆加固、堵水效果达到预期的设计目的。降低了施工风险，满足施工要求，对今后在富水、浅埋及偏压等条件下的软弱围岩的施工具有一定的借鉴意义。