基于WSS 注浆加固技术的花岗岩山岭隧道塌方处治方案

王扬WANG Yang

（中交四航局第一工程有限公司，广州 510000）

0 引言

研究表明，强风化花岗岩含水率超过塑限后，由于内部孔隙贯通，导致内摩擦角急剧降低，抗剪强度变差。因强风化花岗岩的工程特性以及地下水作用的影响，花岗岩地区的隧道在施工过程中，如若不重视超前地质预报并采取超前注浆加固措施，往往会在穿越强风化花岗岩段落时发生隧道围岩塌方，甚至冒顶[2]。本文以某高速公路隧道为实例，阐述了基于WSS 注浆加固技术的花岗岩山岭隧道塌方处治措施，为类似的隧道塌方处治提供参考。

1 工程概况

某高速公路隧道位于广州市北部山区，设计为分离式长隧道，左线起讫里程为ZK7+820～ZK9+620，隧道长1800m，右线起讫里程K7+840～K9+755，隧道长1915.0m。隧道处于构造剥蚀丘陵地貌区，沟堑发育，地形起伏较大，植被发育，覆盖层为薄层坡残积砾质黏性土，下伏基岩为燕山期中粗粒黑云母花岗岩。施工图设计阶段的物探推测隧址区K8+520～K8+660、K8+820～K8+950 段存在破碎区，深度较浅，判断是由表层全强风化层引起。

隧址区地表水不发育，但有发育溪流在进口及K8+700 处冲沟内，在遭遇强降雨气候条件下，对坡面有强烈的冲刷作用，受大气降水及基岩裂隙水出渗补给，有较大水量。松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水为主要的地下水类型，地形控制其流向，地形上的分水岭和地下水的分水岭一样，总体流向基本与现代水系的地表水流向一致，排泄于地形低洼处为主要的渗水形式。

2 隧道塌方情况及原因分析

隧道在上台阶掘进至掌子面K9+310 时，开始出现掉块及围岩塌落于未支护段K9+313-K9+310 面向掌子面左侧面，塌方总计约80 方，塌方体主要为强风化花岗岩，K9+316～K9+313 处3 榀钢拱架出现变形，K9+334 附近的初支有开裂现象并渗出地下水，经测量发现K9+340-313段初支侵限，地下水在K9+332-K9+317 段初支位置渗出。经现场地表踏勘，未见地表开裂现象。由于施工方未采取有效措施便开挖塌方体，约一个月后，受到强降雨的影响，围岩塌方逐步扩大，直至出现冒顶，塌方体内有水流出。地表塌陷区面积170m2，沿隧道纵向长度为13.5m，横向15.5m，中间深度11.4m，周边深度5.8～12.1m。

超前地质预报和掌子面素描（如图1）显示，隧道通过的区段为地表冲沟位置，掌子面围岩的风化程度不均，其右侧花岗岩为中风化程度，颜色为灰白，为岩体完整的坚硬岩，较少节理裂隙，地下水未见渗出。其左侧花岗岩为全～强风化程度，颜色为灰白夹黄褐色，节理裂隙发育，岩体较破碎，岩石强度较低，基岩裂隙水较发育，岩面潮湿，地下水呈点滴状渗出。根据该段围岩水文地质情况，推测隧道围岩塌方的主要原因为：持续的强降雨改变了地表和塌腔内土体的物理力学性能，塌坑处地表部分土体因为急剧增大的土压力滑塌至塌腔内，塌腔内土体在未得到有效支护的情况下突然滑塌，较大的重力势能转化为对拱顶的冲击荷载，导致结构破坏失稳。

3 处治方案

3.1 总体施工顺序

为保证施工安全，顺利穿越隧道破碎带，采取了超前管棚支护、WSS 超前注浆加固、径向小导管注浆等措施，处治方案的总体施工顺序如下：监控量测与地表处理→洞内未塌方段加固→洞内回填并施工止浆墙→管棚支护→超前注浆加固→主洞开挖支护→二衬施工→塌方牵引区换拱。

3.2 监控量测与地表处理

为判断初支的稳定性、使人员安全有保障，进行塌方处治前于断面上进行拱顶下沉点、周边位移点的布设，其间距为2-3m，监控量测频率为2 次/日，拱顶下沉值连续三日低于5mm 就可视为初支结构基本稳定，可进行后续加固处置[3]。

同时，设置临时截水沟于冒顶处周围地表，截水沟距离塌方边缘不得小于2m，利用M30 水泥砂浆进行封闭。在塌腔范围布设规格为60mm×4mm 的梅花形注浆钢花管，长为40m，间距120cm×120cm，如图2 所示，地表注浆采用水灰比1∶1 的水泥浆，注浆压力0.5～1MPa。在完成注浆工作后，地表塌腔采用掺5%水泥碎石土回填至原地表，并铺设一层EVA 防水板，其上设置砂浆保护层，厚度为5cm，并覆盖50cm厚粘土层，满足顺坡排水需求。

图2 地表塌腔注浆平面布置图

3.3 洞内未塌方段加固

为保证作业安全，需在洞内未塌方段（K9+340～K9+316 段）设置18 工字钢护拱，且要使护拱纵向间距和原初支钢拱架间距相同，即120cm，钢拱架要和原初支结构密贴，如图3 所示。K9+340～K9+316 段左半断面径向注浆加固，注浆采用钢花管规格为4.5m长φ42，间距为1.5m×1.5m，采用梅花形布置，浆液采用水灰比1∶1水泥浆，初压0.5MPa，终压1.0MPa。

图3 洞内未塌方段加固设计图

上述钢花管注浆结束标准如下：①注浆压力逐步提升，当达到设计终压并继续注浆10min 以上；②有一定的注入量，与设计的注入量大致相近，注浆结束时的进浆量一般在20～30L/min 以下。

3.4 止浆墙施工

隧道K9+316～K9+307 段为塌方段，采用碎石土回填反压，稳定工作面，并在工作面处设置止浆墙，以保证较高的超前加固注浆压力，使得浆液在压力作用下能够沿塌方体周边裂隙顺利扩散，同时防止浆液或裂隙水从注浆面反渗出来。

平面型止浆墙厚度按以下公式进行计算：

式中：K 为安全系数，取1.5；P 为注浆压力，取2.0MPa；S 为止浆墙面积，取80.426m2；b 为止浆墙宽度，取上台阶宽度17.5m；h 为隧道注浆工作面高度，根据上台阶高度取6.2m；[σ]为混凝土允许抗压强度，为25MPa。

经计算可得，注浆压力最大值为2.0MPa 时，所需止浆墙厚度为4.52m。因此，止浆墙利用洞内塌方体和回填土固结而成的坚实围岩，表面喷射30cm 厚C25 混凝土作为止浆层。松散土体固结采用4.5m 长φ42 小导管注浆，小导管间距为1.5m×1.5m，梅花形布置，设置单层φ8 钢筋网片，网片间距为25cm×25cm。

3.5 超前管棚支护

位于K9+319～K9+301 段左半断面超前支护管棚规格为φ108*6mm，管棚施工进行管棚工作室开挖，工作室范围为K9+319～K9+323.5，其纵向为4.5m 长，深度为0.7m。在完成管棚工作室开挖工作以后，采用钢拱架-钢筋网喷射混凝土支护，具体参数为：钢拱架采用工22 工字钢，设置双层φ8 钢筋网片，纵向间距75cm，喷射28cm 厚C25混凝土。后续施工应注意工作室初支与相临初支结构喷射平顺，以便防水板的铺设。待超前管棚完成施工以后，再用二衬C40 混凝土对工作室进行回填。

在K9+316～K9+319 段设置管棚套拱，以支撑管棚后端。套拱利用原来初支结构，并在其内侧设置工22b 钢架护拱，纵向间距50cm，并喷射28cm 厚C25 混凝土作为护拱，护拱内设置双层φ8 钢筋网片，采用φ22 纵向连接钢筋将钢拱架连接为整体。下台阶施工时，应把护拱逐榀接到下台阶落底，待塌方段二衬施工完成后再拆除换拱。管棚前端插入中风化花岗岩的深度不小于3m。

管棚采用水灰比1∶1 水泥浆进行注浆以增加强度和刚度，注浆初压为0.5MPa，终压为2.0MPa。注浆结束标准与钢花管注浆基本一致，但设计终压调整为2.0MPa。

3.6 WSS 超前注浆加固

3.6.1WSS 注浆加固技术简介

WSS 注浆加固技术，也叫二重管无收缩双液注浆技术，是通过二重管钻机将孔钻至预定深度后，再通过同步双液注浆机进行注浆，AB（水玻璃与磷酸混合液）、AC（水玻璃与水泥浆混合液）两种浆液通过一定的压力注入到需要加固的地层中，将地层土颗粒之间的水挤出，使得颗粒间充满浆液并产生固结，从而使土层性状得到改良、使土体物理性质得到改善[4]。WSS 注浆加固技术注浆过程分为瞬结性一次喷射和浸透性二次喷射，注浆过程可控制性强，具有易成孔、打设深度大、噪声低、无污染等优点。

该隧道的花岗岩破碎带含水量大、含砂率高、空隙较发育，施工期正值雨季，连续降雨会使得强风化花岗岩吸水饱和而重量急剧增长，而且地下水的作用会降低土体与周边岩层的摩擦力，可能导致土体瞬间滑塌。为防范隧道拱部长管棚受土体瞬间滑塌的直接冲击荷载，综合考虑水文地质情况、病害特征、工程进度、施工成本等因素，决定采用WSS 注浆加固技术对拱部上方土体进行超前加固，形成不小于5m 厚的良好的注浆固结层，以缓冲冲击荷载的作用。

3.6.2浆液配比选定

AB 混合液水玻璃∶磷酸（体积比）=50∶1，AC 混合液水玻璃:水泥浆（体积比）=1∶1，水泥浆水灰比为1∶1，水玻璃浓度为40Be°。

3.6.3WSS 注浆加固施工方案及质量检测

先在止浆墙施打两环注浆加固孔，第一环注浆加固长度9m，外插角55°，环向间距120cm；第二环注浆加固长度11m，外插角45°，环向间距110cm。再在既有初支施打两环注浆加固孔，第一环注浆加固长度7m，外插角70°，环向间距120cm；第二环注浆加固长度7m，外插角60°，环向间距100cm。当掌子面施工至K9+313 时，先进行超前加固再开挖施工，超前加固和开挖施工交替进行直至穿越断层破碎带，后续的注浆加固长度7m，外插角45°，环向间距120cm。注浆压力2.0MPa，扩散半径1.0～1.2m。钻孔和注浆由下向上进行，同一环注浆加固孔间隔施工。

WSS 超前加固注浆后，在止浆墙上设三个抽芯检测孔，取芯检测注浆质量，通过观察浆液充填情况，反算出浆液充填率不小于85%，试验检测得到无侧限抗压强度为1.0～1.2MPa，渗透系数＜1.0×10cm/s，注浆效果较好。

3.7 洞内开挖与支护

隧道主洞开挖方式采用三台阶预留核心土法，各段落支护型式如表1 所示。

表1 洞内支护型式一览表

4 结论

①采用WSS 注浆加固技术在隧道花岗岩破碎带富水地层进行超前加固注浆，可取得良好的注浆效果，从而提高隧道围岩强度。②案例中的隧道在穿越强风化花岗岩破碎带时，未能有效实施超前支护措施，在强降雨的影响下，出现了洞内塌方、地表塌陷的问题，本文提出了基于WSS超前注浆加固的长管棚超前支护处治措施，可为类似的隧道塌方问题处治提供借鉴。