超前深孔劈裂注浆技术在高含水率黄土高铁隧道中的应用研究

贾元霞

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

宝兰高铁是我国在西北黄土高原地区修建的首条高速铁路，全线共有隧道71座，总长272.4 km，隧线比达68%，其中，51.5 km(65座)隧道洞口或洞身穿越黄土地层，占全线隧道总长的19%。沿线黄土分布广泛，特别是天水至兰州段，需穿越我国黄土湿陷性最强、黄土陷穴最发育、黄土滑坡地质灾害最严重的区域[1-3]。同时，沿线有利的补水条件及易于富水的黄土-泥岩二元结构地层等特殊地质条件，孕育出连续分布的高含水率黄土地层[4-6]。本线隧道开挖断面达160 m2，由于黄土垂直节理发育，施工过程中易出现支护整体变形大、地表开裂甚至突然性塌方，施工风险大[7-9]。而黄土具有特殊的水敏性，在低含水率条件下表现出较高强度和良好自稳能力，当含水率较大时，会出现软、流塑性质，自稳性很差[10-11]。在高含水率黄土地层中修建隧道，易出现掌子面突水涌泥及围岩变形失稳，处理不当会出现洞顶坍塌，严重时可能出现地表下沉，甚至冒顶塌方[12-14]。

虽然以往郑西、西延、宝中、神延等铁路建设过程中在黄土隧道修建技术方面积累了大量经验并取得丰硕科研成果[15-17]，并形成了部分高含水黄土隧道修建关键技术[18-22]，但宝兰高铁面临的在连续长段落高含水率黄土地层中修建大断面隧道尚属首次，在含水率高、围岩稳定性差、地基承载力低的黄土地层中进行大跨度隧道开挖施工，缺少相关经验，也是黄土隧道工程中亟待解决的一个创新性技术难题。

1 宝兰高铁黄土物理力学特性分析

宝兰高铁沿线10座典型黄土隧道的762组黄土试样(主要为Q3砂质黄土)室内物理力学试验结果表明，其平均含水率为16.5%，接近塑限，最高含水率为31%，达到饱和状态；平均饱和度为64.8%，压缩模量仅为6.7 MPa，如表1所示。

表1 宝兰高铁及郑西高铁黄土物理力学参数对比

与郑西高铁沿线隧道穿越的黄土地层相比[15]，宝兰高铁穿越的黄土地层含水率及饱和度明显偏高，土体密度和干密度也稍高，但孔隙比稍小，压缩模量仅为郑西高铁的一半左右，黏聚力略大，内摩擦角几乎相同，表明两个地区的黄土在抗剪能力上相差不大。宝兰高铁穿越的黄土区与郑西高铁最大的区别是黄土含水率较高。

通过郑西高铁研究成果和宝兰高铁现场含水率的统计分析，对黄土含水率进行分类，并给出对应的黄土状态，如表2所示。根据黄土隧道围岩含水率的分类，宝兰高铁沿线黄土以中高-高含水率为主，含水率在20%以上的隧道比例很高，部分黄土隧道含水率可达28%～29%，接近饱和。

表2 黄土含水率分类

2 高含水率黄土隧道施工典型病害

以宝兰高铁上庄隧道为例，洞身主要穿越第四系上更新统砂质黄土、第四系中更新统黏质黄土及第三系上新统泥岩，隧道出口DK983+060～DK982+780段由于埋深浅，地表冲沟发育，加之隧道所处地区近年降雨丰富，导致洞身土体含水率高，现场实测黄土围岩含水率为25.7%～32.1%，呈软塑状，自稳能力差、承载力低(仅100 kPa左右)。开挖后掌子面土体暴露一段时间后，土体含水率进一步增大，围岩整体稳定性进一步变差，施工开挖过程中局部掉块、坍塌和溜坍现象时有发生，且在DK982+998、DK983+020、DK983+054等里程掌子面发生较为严重的溜塌和突涌现象，地表出现裂缝，如图1所示。隧道施工过程中虽然多次调整围岩等级并加强支护措施，但高含水率黄土围岩病害问题仍频繁发生。施工期间监测数据显示，拱顶最大累计沉降量达617.4 mm，最大收敛值达236.2 mm，初期支护局部出现大变形和侵限。

图1 上庄隧道正洞掌子面突涌、溜塌

此外，与上庄隧道线路正线相交里程为DK980+700的斜井，在进洞32 m处基底出现渗水，实测基底黄土含水率为28.8%。随掌子面推进，渗水位置上升，进洞130 m时掌子面土体呈淤泥状，含水率为32%，渗水量约60 m3/d，拱顶下沉最大达1.5 m[21]。现场通过增设管棚、掌子面打设木桩、加强初支等手段仍无法控制下沉，最终因掌子面无法自稳出现滑移、坍塌，如图2所示。

图2 上庄隧道斜井掌子面涌泥、坍塌

现场分别对掌子面上、中、下台阶的含水率及仰拱基底承载力进行统计，见表3。

表3 洞身含水率、基底承载力试验统计

3 超前深孔劈裂注浆方案

由于病害段隧道埋深较大，且洞内饱和黏质黄土渗透性较差，从地表或洞内进行降水均难以实现，需在洞内对掌子面前方一定范围软弱围岩进行预加固。考虑到以往类似工程采用的水平旋喷桩方案施工效率较低、加固效果不易保障等问题，综合现场实际条件，最终确定“超前深孔劈裂注浆+管棚”施工方案。不同于常规劈裂注浆，一般劈裂注浆并不改变土层的物理力学性质，主要是通过浆液形成的骨架起到加固作用。而针对富水黄土的挤压排水注浆主要是通过高压挤出土中水分来改善黄土物理力学性质，浆液骨架作用仍然存在，但主要是前者的作用，其作用原理如图3所示。

图3 高压排水注浆作用机理

3.1 注浆工艺选择

目前，隧道洞内深孔帷幕注浆主要采用“分段前进式注浆”和“钻杆后退式注浆”施工工艺。上庄隧道施工前期，在斜井井身相同地质条件下进行深孔帷幕注浆试验段施工，采用“分段前进式注浆”工艺，整个注浆段(25 m)注浆施工共计34 d，开挖揭示注浆效果较理想，满足开挖施工要求。但上庄隧道正洞开挖断面大，约为斜井开挖断面的5倍，对工期、注浆效果要求均较高，且“分段前进式注浆”重复扫孔工程量大，工期不能保证，而“钻杆后退式注浆”为一次性成孔，后退注浆，由于上庄隧道出口为黄土富水地层，能满足“钻杆后退式注浆”施工的要求。故经比选，最终确定“钻杆后退式注浆”施工工艺。

3.2 浆液类型选择

目前常用的浆液类型有：普通水泥单液浆、水泥水玻璃双液浆、快硬硫铝酸盐水泥单液浆、超细水泥等，不同浆液的特点如表4所示。

表4 不同浆液优缺点分析

在帷幕注浆施工中，由于全加固范围内均为高含水率黄土，遇水软化成流塑状，为避免浆液流动性过强造成水泥浆的流失，同时为加快注浆施工，浆液的初凝时间必须控制在60 s以内。既有研究表明，水玻璃可与黄土中的碱土金属发生化学作用，生成一种碱金属水合硅酸盐和二氧化硅凝胶，充填了黄土中的孔隙，增加了土粒间胶结力，使土体硬化，强度增加。同时，水玻璃能加快水泥的水化作用，使水泥浆液初凝时间加快，结石体早期强度提高[22]。故本项目注浆选择普通水泥-水玻璃双液浆，浆液初凝时间控制在30～35 s。

3.3 注浆方案设计

(1)止浆墙：止浆墙采用C35混凝土浇筑，厚3.0 m，周边采用2排环向间距1.0 m，排距1.0 m，长3 m的φ25 mm砂浆锚杆，嵌入围岩2 m。周边预埋长1.5 m，φ42 mm导管，止浆墙浇筑完成后，通过导管进行注浆对止浆墙与初期支护间的裂隙进行封闭。

(2)加固范围：纵向长25 m(含止浆墙)，全断面超前注浆加固范围为开挖轮廓线外5 m，扩散半径为1.8 m，共设2个终孔断面，总共设计86个孔，如图4所示。

图4 帷幕注浆开孔布置(单位：m)

(3)浆液参数：浆液类型为普通水泥-水玻璃双液浆，水泥浆水灰比mW∶mC=0.8∶1，水玻璃波美度为30～40°Bé，水泥与水玻璃混合配比mC∶mS=1∶1。

(4)注浆工艺：全断面超前注浆采用“钻杆后退式注浆”施工工艺，分段长2 m。施工采用多功能地质钻机开φ130 mm孔，开孔深1.5 m，安设1.5 m长φ108 mm孔口管，再通过孔口管钻设φ63 mm的孔进行注浆施工。为进一步明确加固范围内围岩情况，先施作B1、B4、B7、B10、B13、B16、B18孔作为超前地质探孔，对地质情况进行判释。在上述7孔施作完毕后，注浆顺序按发散-约束型注浆原则进行，采用“先外后内、由下到上、间隔跳孔”的原则进行其他注浆孔施工。注浆结束标准采取定压定量相结合的控制标准，注浆终压为3～4 MPa。注浆设计参数如表5所示。

表5 注浆设计参数

4 注浆效果分析

(1)掌子面稳定性

注浆段开挖过程揭示，整个掌子面浆液扩散均匀，浆脉粗壮清晰，浆液结石体固结强度高呈硬塑状，注浆后围岩含水率显著降低，实测结果表明，掌子面前方土体含水率从注浆前的26%～32%降至10%～13%，开挖时无渗水现象，围岩不再发生坍塌、掉块，加固效果良好，如图5所示。

图5 注浆加固后掌子面情况

(2)围岩变形情况

为进一步验证超前深孔劈裂注浆对富水黄土围岩变形控制效果，分别在上庄隧道斜井及正洞邻近段落上设置对比监测断面，对有、无注浆加固措施条件下的拱顶沉降和边墙水平收敛变化情况进行监测。监测结果表明(图6、图7)，斜井未实施注浆断面(DK982+110)在18 d内拱顶累计沉降47.53 cm、水平收敛值20.72 cm，斜井实施注浆断面(DK982+070)在18 d内拱顶累计沉降18.36 cm、水平收敛值8.99 cm；正洞未实施注浆断面(DK983+100)在18 d内拱顶累计沉降45.04 cm、水平收敛值19.58 cm，正洞实施注浆断面(DK982+055)在18 d内拱顶累计沉降19.01 cm、水平收敛值9.86 cm。

图6 上庄隧道斜井试验段围岩变形时程曲线

图7 上庄隧道正洞试验段围岩变形时程曲线

可以看出，在相似的富水黄土地层条件下，采用超前深孔劈裂注浆，将隧道拱顶沉降量从45～47 cm降低至18～19 cm，边墙水平收敛值从19～21 cm降低至8～10 cm，围岩变形减小比率约60%；同时，注浆后围岩变形发展基本在6～8 d内趋于稳定，说明超前深孔劈裂注浆对富水黄土围岩变形控制效果显著，满足隧道安全施工要求。

此外，上述超前深孔劈裂注浆技术在安定隧道、魏家咀隧道等工程中进一步应用，黄土围岩含水率明显减小、掌子面整体稳定性较好，反映出该方案处理效果理想、措施合理得当，对后续类似工程具有较高的推广价值。

5 结语

(1)黄土-泥岩二元结构地质条件易形成连续的高含水率黄土地层，隧道施工风险和难度极大。提出的“超前深孔高压劈裂注浆”以改善黄土物理力学性质的加固方案，可有效控制掌子面突水涌泥，提高围岩稳定性。

(2)通过室内及现场试验，采用普通水泥-水玻璃双液浆，水泥与水玻璃配比1∶1，注浆终压3～4 MPa，配合“钻杆后退式注浆”施工工艺，可一次性加固掌子面前方25 m范围的高含水率黄土围岩。