炭质页岩隧道循环式高压注浆预加固技术

杜传球

(中铁十二局集团第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

随着我国西南部交通建设的不断发展，隧道工程中遇到的软弱破碎围岩不断增多[1]，当隧道施工中遇到自稳性差的围岩时，其安全和质量难以控制，需要采用加固措施才能顺利开挖[2]。高压注浆加固[3－4]技术工艺简单，在软弱破碎地层加固中被广泛采用。

上世纪五十年代，注浆技术出现在国内的矿井堵水中。到八十年代，注浆技术开始应用于铁路工程。2017年11月熊谷组宣布开发出隧道注浆可视化系统[5]，可以根据施工数据自动生成三维模型，不仅能从三维上掌握隧道周边的地质状况和注浆状况，而且能够高效自动设置注浆孔的位置。

虽然注浆技术经历了很长时间的发展，取得了丰富的研究成果，但注浆效果受到围岩条件，地下水条件等多种因素的影响，对于炭质页岩隧道的注浆加固技术开展针对性研究的相关文献较少。本文以罗家山隧道为例，针对层状炭质页岩软弱围岩隧道的加固问题，提出了一种循环式高压注浆超前预加固技术[6－7]，并进行了工程实践验证，取得了良好的预加固效果，可为类似工程施工提供参考。

2 工程概况

罗家山隧道为Ⅰ级风险隧道，位于保康至神农架区间，中心里程DK519＋500，全长10 640 m，最大埋深约470 m。进口洞口上方为粗角砾土，灰黄色，潮湿，稍密，碎石成分为页岩、砂岩质，呈尖棱角状，厚度4～8 m。DK514＋180～DK516＋395里程段穿越地层为志留系下统新滩组页岩夹砂岩，灰色、灰黑色，炭质结构，层理清晰，薄层状。强风化带厚1～6 m，以下为弱风化带。地下水主要为堆积层孔隙水、岩层构造裂隙水和岩溶水。全隧的一般涌水量约为41 047 m3/d，最大涌水量约为116 910 m3/d。隧道进口段围岩软弱破碎，开挖后风化快、易崩解且受裂隙水影响易软化，为了确保隧道施工质量及安全，控制开挖变形，有必要对围岩进行高压灌浆加固。

3 注浆方法的确定

高压注浆加固的原理是使注射浆液压力超过围岩岩体的启裂压力，岩体内逐渐形成裂缝，浆液充填裂缝，在钻孔附近形成网状浆脉，利用浆液挤压岩体和浆液的骨架作用加固岩体[8]。纯压式注浆和循环式注浆是目前常用的两种高压注浆方式。其中纯压式注浆是指浆液通过管路注入孔段内和岩体裂隙中，不再返回的注浆方式。而循环式注浆是指浆液通过射浆管注入孔段内，部分浆液渗入到岩体裂隙中，部分浆液通过回浆管返回，保持孔段内的浆液呈循环流动状态的注浆方式[9]，如图1所示。

图1 循环式高压注浆原理示意

为选择最合适的注浆方式，本文从优缺点、适用范围这三个方面对注浆方式进行了综合对比，结果如表1所示。考虑到罗家山隧道施工段围岩为遇水易软化的炭质页岩，若采用纯压式浓浆灌注，因层状页岩间存在一定粘结力，极可能无法对围岩进行劈裂，使得加固范围局限在注浆孔周围，加固效果将大打折扣。若采用纯压式稀浆灌注，则会导致围岩吸收浆液中过多的水分而软化，降低了围岩原本的承载力，加固措施可能适得其反。而循环式注浆因孔内浆液与孔外相互连通，施工时可先利用稀浆液的穿透能力进行劈裂，而后用孔外浓浆液循环进孔内代替稀浆液进行劈裂间隙的填充。只要控制好稀浆液的滞留时间，则该方案解决了浓浆无法劈裂、稀浆过分软化围岩的问题，注浆质量高，因此选用高压循环式注浆方案。

表1 纯压式与循环式灌浆综合对比[10]

4 注浆试验

4.1 试验设计

选取隧道里程DK514＋388附近为试验段，设置4个独立试验区(水平钻孔)及1个综合试验区(外插10°钻孔)。其中4个独立试验区分别研究注浆压力、浆液水灰比、封孔器以及孔深对注浆效果的影响。综合试验区主要试验内容为拱顶高压注浆的可行性，浆液劈裂参数，劈裂、扩散情况以及对岩层的加固效果。试验钻孔孔位布置如图2所示，孔位详细参数如表2所示。

图2 试验钻孔分区及布置(单位:cm)

表2 试验分区及钻孔孔位布置参数

4.2 试验结果及分析

(1)注浆压力试验(Ⅰ区)

原计划进行水灰比0.5∶1条件下的3 MPa和5 MPa的注浆试验，然而当压力接近3 MPa后两孔均出现了不同程度的漏浆现象，导致试验失败。分析原因可能是上台阶开挖卸荷后暴露的时间较长，导致地层分层现象严重，因此无法满足3 MPa及以上灌浆压力对其的静压。

(2)浆液水灰比试验(Ⅱ区)

水灰比为3∶1的水泥净浆流动性较强，在压力达到1 MPa时便发生劈裂漏浆。而水灰比为0.5∶1的水泥净浆在该地层中虽具有一定的流动性，但当灌注压力为3 MPa时，仍无法将地层劈裂。因此，施工时可先用3∶1的稀浆对地层进行劈裂注浆，扩大浆液扩散半径，随后再用0.5∶1浓浆进行灌注以充填稀浆劈裂的空间，最终达到增强围岩强度及抗渗能力的目的。

(3)封孔器承压能力试验(Ⅲ区)

试验表明三种封孔器均能承受3 MPa的灌浆压力。膨胀式橡胶注水封孔器和机械式挤压塞为保证取出封孔器不漏浆，需在灌注结束后待凝2 h以上，而此时封孔器内管和内外管的间隙已经被浆液固化封堵，导致封孔器报废，增加了施工成本。相比之下，模袋封孔装置在注浆后无需拔出，提高了施工的便捷性。此外，模袋封孔装置具有成本低、可根据需要任意调整封孔长度以及与围岩贴合密实不易漏浆等优点。

(4)孔深试验(Ⅳ区)

试验表明，当孔深4.5 m、封孔装置深度2.6 m、灌浆压力在0.67 MPa时，就会出现大面积漏浆。当孔深5.9 m、阻塞深度2 m时，灌浆压力在3.06 MPa，该孔上方20 cm处开始就出现冒浆。因此，不同钻孔深度与注浆效果基本无相关性。

(5)综合试验情况(V1区、V2区)

综合试验区采用的模袋孔口封闭装置能够承受所采用的注浆压力，孔口封闭牢固且孔口管与钻孔之间的缝隙不漏浆。开挖情况揭示浆液所到之处的部分围岩出现了一定程度的软化，因此施工时应尽量减少稀浆灌注时间，避免围岩过多吸水，并应加入减水剂增加浆液流动性。灌浆结束压力稳定控制在3 MPa左右，如图3所示，其中劈裂进浆压力离散性较大，大部分在2 MPa左右。

图3 灌浆压力统计

综合试验区钻孔内单位长度灌浆量如图4所示，从图中可得到以下两方面信息:

图4 单位长度灌浆量

①对于同是奇数孔或偶数孔，V1分区的注浆量都明显大于V2区，表明单位注浆量随注浆距离增加而减少，试验数据可靠。

②对比相同分区的奇数孔与偶数孔，可看出先施工的奇数孔灌浆量明显大于后施工的偶数孔，这表明在试验压力下浆液扩散能力好，后灌浆的浆液扩散至先灌浆影响范围处，先后灌浆有搭接，为提高围岩强度及抗渗性打好了基础。因V1区及V2区注浆搭接情况均良好，但考虑到施工效率，建议采用间距较大的V1区参数。

4.3 试验结论

根据上述试验情况，针对层状炭质页岩地层，建议选用如下施工方法:采用配备模袋式孔口封闭装置的循环式注浆方式进行高压注浆。注浆孔设置在拱圈部分，内外两排交错布置。按照外插10°进行钻孔，孔深设置为6 m。注浆过程中先采用水灰比3∶1的稀浆液在2 MPa注浆压力下对地层进行劈裂注浆，而后采用0.5∶1的浓浆液对稀浆劈裂的间隙进行填充，结束时注浆压力控制在3 MPa左右。

5 工程应用

根据上述试验结果及灌浆后开挖情况，针对罗家山隧道层状炭质页岩，采用孔口封闭、孔内循环的灌浆方法进行超前预加固。通过回浆管路上设置的压力表和高压阀门来调节灌浆压力和流量。注浆过程中采用如图5所示的多路注浆记录仪自动采集注浆压力、流量、密度，还可以根据预设自动调节注浆压力。

图5 多路注浆自动记录仪

5.1 施工过程

(1)钻孔

采用全电脑三臂凿岩台车钻孔施工，注浆孔在隧洞顶拱150°范围按照隧道上断面圆心8°(相邻两孔孔位间距约1 m)梅花形布置两环钻孔，两环钻孔环向间距为80 cm，孔径φ75 mm。根据试验结果，孔深与注浆效果关系不大，因此为加快施工进度，钻孔孔深取15 m。

(2)清孔

传统的循环式灌浆方法在灌浆前多采用清水进行清孔以及裂隙的冲洗。然而罗家山隧道地层为层理明显的炭质页岩，遇水会软化，会降低围岩强度。因此，本工程采用高压风脉动进行清孔并冲洗裂隙，以利于浆液的扩散。

(3)安装检查注浆管

钻孔完成后检查孔位是否符合要求，确认无误后，安装注浆管、回浆管，塞入循环式止浆塞，防止注浆过程中漏浆，同时检查注浆管路是否牢固可靠[11]。

(4)浆液配置

为减少水对围岩的软化，在浆液中掺加1%高效早强减水剂。为保证浆液质量以及方便交通，注浆采用“集中制浆”，配制0.5∶1的纯水泥浆液，借助高压送浆泵通过管路送至工作面，并在工作面配制所需比级的浆液。为防止浆液含有颗粒，在搅拌桶和储浆桶之间加滤网，储浆桶加搅拌设备以保证浆液的流动性。

(5)注浆

遵循“稀浆劈裂、浓浆灌注”的原则进行注浆。其中稀浆水灰比为3∶1，浓浆水灰比为0.5∶1。考虑到炭质页岩遇水软化的特性，宜少灌稀浆，多灌浓浆。采用3台三缸柱塞式灌浆泵对相邻呈三角形布置的三孔进行并灌，以有利于相关联孔的劈裂贯穿。过程中三泵压力保持一致，逐级升压至设计压力。当灌浆孔稀浆量不大于1 L/min，继续灌注30 min后结束注浆[12]。

5.2 灌浆效果

现场开挖后揭露的灌浆情况如图6、图7所示，其中浆液劈裂路径以沿水平层面劈裂居多，浆液扩散距离较远。从图6可见浆液对水平层理面进行了很好的填充，说明浆液对软弱结构面进行了加固，提高了围岩强度。从图7还可以看出浆脉已经扩散并形成了高强度的结石，表明所采用的注浆方式及注浆参数很好地满足了施工要求，超前预加固效果显著。

图6 水平层状浆脉

图7 扩散开的浆脉

6 结论

(1)针对炭质页岩软弱层状地层中隧道开挖后风化快、易崩解且受裂隙水影响易软化的特点，通过比选分析，确定采用高压循环式灌浆方法对地层进行加固。与纯压式注浆方法相比，循环式注浆方法可先利用稀浆液的穿透能力进行劈裂，而后用浓浆液填充劈裂间隙，解决了纯压式注浆采用单一注浆浓度的局限，注浆质量好。

(2)进行了多工况的现场试验，针对炭质页岩地层，可采用如下注浆参数:注浆孔应在拱圈部位内外两排交错布置，外插角为10°，孔深设置为6 m。注浆过程中先采用水灰比3∶1的稀浆液在2 MPa注浆压力下对地层进行劈裂注浆，而后采用0.5∶1的浓浆液对稀浆劈裂的间隙进行填充，结束时注浆压力控制在3 MPa左右。

(3)针对炭质页岩遇水易软化的特点，宜严格控制稀浆灌注的时间；优先采用高压风脉动清孔；配置浆液时应添加减水剂以减少浆液用水量。