水平袖阀管束分段注浆技术在软岩大变形隧道中应用研究

水平袖阀管束分段注浆技术在软岩大变形隧道中应用研究

王勇

（海南永顺建设工程有限公司，海南 海口 571100）

摘要：云南省红河州建水（个旧）元阳高速公路项目他白依隧道地质条件复杂，隧道揭露围岩均受区域断裂的影响，层间挤压明显，掌子面软弱条带发育，围岩呈全风化状，完整性差，存在软岩大变形的特点，初支完成后，均发生不同程度的侵限，二衬施工后，出现二衬开裂，仰拱隆起等隧道病害，施工风险高，安全隐患大，文章从分析围岩注浆预加固范围、注浆材料、注浆压力总结出控制变形的施工要点，可为今后在类似复杂地质条件下的隧道施工提供参考。

关键词：软岩 大变形 变形控制 水平袖阀管束分段注浆技术

Application research of horizontal sleeve valve bundle sectional grouting technology in soft rock tunnel

Wang Yong

(Hainanyongshun construction engineering Co., Ltd.,Hainan, haikou 571100)

Abstract: The Tabaiyi Tunnel is located in the of expressway of Yuanyang Jianshui (Gejiu) in Honghe Prefecture of Yunnan Province. The surrounding rocks exposed by the tunnel are all affected by regional fractures, with obvious interlayer compression, weak strips on the tunnel face, fully weathered surrounding rocks, poor integrity, and large deformations of the soft rock. After the completion of the initial support, all of them will occur. Different degrees of intrusion limits, after the construction of the second lining, there will be tunnel diseases such as cracking of the second lining, inverted arch bulge, etc. The construction risk is high, and the safety hazard is large，The article summarizes the key points of construction to control deformation from the analysis of the Range of grouting pre-reinforcement for surrounding rock and Grouting material , which can provide references for tunnel construction under similar complex geological conditions in the future.

Keywords:soft rock；Large deformation；Deformation control； horizontal sleeve valve bundle sectional grouting technology；

0、引言

注浆技术应用于建筑工程已有200多年的历时，注浆加固，就是通过造孔，将注浆浆液注入围岩中，靠注浆压力使浆液向围岩的裂隙扩散，使岩体形成一个加固带，即注浆帷幕，从而提高岩体的整体性、增强围岩强度的一种技术。注浆加固施工工艺简单、容易操作、成本低，而且加固效果好,可黏结或固结遭各种类型破坏的松动圈及破碎带,是隧道内松散围岩加固的有效途径。

袖阀管注浆技术具有定深、定量、分度、分段、间歇、重复等注浆特点，并集中劈裂注浆、压(挤)密注浆和渗透注浆的优势，能适用于地质条件复杂、断层破碎地带、富水地层地段及场地狭窄情况下的地基加固[1]。

从现有的工程来看，水平袖阀管束分段注浆技术的应用多集中在隧道冒顶塌方、浅层地表处理及单一注浆模式等方面，本文针对软岩大变形地层，结合单、双浆液不同加固机制,检验约束-发散注浆模式在隧道洞身注浆加固效果，提出后退式分段注浆与水平袖阀管束分段注浆相结合的施工工艺。

一、概况

1.1 工程概况

他白依隧道处于云南红河地区，位于红河州建（个）元高速公路建元段，隧道埋深120～300m，左幅全长2616m，右幅全长2592m，隧址区域位于红河断裂带F14及龙岔河次级断裂带F17的影响范围内，层间挤压、节理发育、岩体破碎、岩性多样、不等厚互层，存在软岩大变形

[2]，隧道开挖后的围岩，应力多次重组，松动圈不断的扩展，挤压构造特性下的地下渗流通道剧增，软岩受地下水的水岩耦合作用力不断加大，导致已支护段落发生巨大下沉收敛变形，他白依隧道软岩变形具有变形量大、变形速率快、变形持续时间长、破坏力大等特点。

1.2 工程地质条件

根据前期地质勘察资料显示他白依隧道进口Z5K63+527～Z5K63+727段岩体产状120~145°∠30~60°，与轴线呈斜交，倾向进口侧，对隧道顶拱及腰拱区切割影响较大，易掉块失稳、塌方。由于受区域构造影响，板岩内产状变化较大，节理发育。结合目前掌子面揭露的情况，层间挤压及断层发育，周边受影响岩体破碎，软弱条带发育，岩体破碎～极破碎，岩体呈碎裂～散体结构，渗水多沿顶拱掌子面及边墙渗出，受裂隙水浸润影响，岩体易软化，强度降低，部分岩体手捏易碎呈泥状，岩体层间结合力差，开挖过程中顶拱，易形成小型塌腔，隧道整体围岩自稳性差。

二、不良地质段概况

2020年3月1日- 2020年6月5日, Z5K63+508～Z5K63+581段73m范围开挖掌子面揭露围岩主要为砂质板岩，受区域断裂的影响，层间挤压明显，掌子面软弱条带发育，围岩呈全风化状，完整性差，岩体破碎～极破碎，呈碎裂状松散结构，洞室潮湿，渗水，岩体受水浸润影响，易软化，强度降低，手捏易碎呈泥状，岩体层间结合力差，隧道整体围岩自稳性差，初支完成后，均发生了不同程度的侵限，初支最大变形量大于2300mm。二衬施工后，仍受地层构造力影响，二衬开裂，仰拱隆起，施工风险极高，安全隐患极大。

   基于以上他白依隧道复杂的地质条件，软岩大变形、二衬开裂问题不可控，在他白依隧道左线Z5K63+581～Z5K63+611段实施水平袖阀管束分段注浆技术，以减轻、减少后期出现隧道病害，降低安全风险。

图1初支变形侵限               图2二衬变形开裂

三、注浆施工方案

针对他白依隧道极软岩区段出现连续大面积初支侵限现象，改变传统注浆技术，采取水平袖阀管束分段注浆技术对掌子面前方进行预加固处理，减缓极软岩的变形速率，减少初支侵限换拱的频率，为后期二衬的及时跟进创造了条件，具体方法如下：

3.1止浆墙及钻机操作平台

止浆墙采用C30混凝土浇筑，厚度2.0m，高度6.0m。止浆墙周边采用两环Φ32钢筋与衬砌连接锚固，锚固钢筋环向间距1.5m，长度2.0m，插入止浆墙和衬砌各1m。

钻机操作平台长度9m，采用C25混凝土浇筑20cm厚，平台顶面距离拱顶初支净空5.0m，便于钻机移动。平台两侧及靠近止浆墙侧均预留0.8m不浇筑混凝土，作为排水沟，平台修建完成后修建钻机爬坡坡道，角度不大于25°。

3.2径向注浆

为防止注浆过程中浆液沿初支回流，压力传递引起初支变形。止浆墙及钻机操作平台修建完成后，在止浆墙后方10m范围初支施作径向注浆孔，小导管外露长度20cm，注浆孔间距2.0m×2.0m，梅花型布置。径向注浆小导管采用Φ42钢管制作，长度4.5m，前端加工成锥形封闭，前端1.5m范围沿管壁每15cm钻设1对φ6mm溢浆孔。径向注浆材料采用同性能的普通水泥单液浆+HPC注浆外加剂浆液，单液浆配比：W:C=(0.8~1):1。普通硅酸盐水泥标号P.0 42.5，HPC掺量12%-15%。注浆压力0.5~1MPa。

图3止浆墙与初支连接示意图                图4径向注浆示意图

3.3加固范围

注浆段里程为Z5K63+581～Z5K63+611，纵向加固长度30m（含止浆墙），开挖长度25m，预留5m作为稳定岩盘。径向加固范围为拱部及边墙加固至开挖轮廓线外8m，仰拱加固至开挖轮廓线外5m。注浆孔浆液扩散半径2.0m，终孔间距不大于3.3m，单循环设15m补充断面、30m终孔断面2个注浆断面，共81个注浆孔，施工时如遇薄弱位置适当补孔。

图5注浆加固纵剖面图

图6注浆开孔图

3.4注浆工艺

结合地层特点采用钻杆后退式分段注浆与水平袖阀管束分段注浆相结合的施工工艺，钻杆后退式注浆分段长度2~4m，水平袖阀管束注浆工艺为先钻孔至终孔，然后在孔内下入2~3根Φ25水平袖阀管，采用分段注浆，水平袖阀管兼做锚杆。按发散-约束型注浆按“自下而上、间隔跳孔”原则进行。

3.5注浆参数

表1每循环注浆参数表

3.6注浆量

（1）总注浆量

第一循环注浆加固断面面积483㎡，加固长度30m，加固体积14490m³，设计孔隙率8%，设计注浆量为1159.2m³。

（2）单孔延米注浆量

对于单孔单段注浆量采用下式进行计算：

式中：Q为单孔单段注浆量（m3）；R为浆液扩散半径（m）；H为注浆分段长度（m）；n为地层孔隙率（裂隙度）；α为地层空隙或裂隙填充率；β为浆液损失率。

总注浆量及单孔单段注浆量作为本循环注浆的参考注浆量，因风化板岩、灰岩，其结构致密，孔隙率一般取值5%~8%[5]。

3.7检验标准

全部注浆工作结束后,在工作面范围内选2~3个检查孔并取芯,观察浆液扩散情况。注浆加固后土体渗透系数达到0.01m/d量级,黏结力不小于50kPa[3]。

4、施工中的注意事项

(1) 严格按照“自下而上、间隔跳孔”的施工顺序施工，对围岩进行挤密、劈裂加固，达到设计注浆的目的。

(2) 跳孔注浆原则：注浆过程中，由于受前期注浆孔的影响，后期注浆孔所注入的浆液将会随着注浆压力或其他因素而发生偏流，同时，注入量也会减少。因此，在注浆施工中，采取分序跳孔注浆，原则可以有效地逐步实现约束注浆，使浆液注浆达到挤压密实，促进注浆帷幕的连续性，并且通过逐序提高注浆压力，有利于浆液的扩散和提高浆液结石体的密实性。同时，后续注浆孔也是对前序孔注浆效果的检查与评定。

(3) 先外后内原则：根据经验先注外圈，后注内圈，同一圈由下向上间隔注浆，注浆速度应根据试验确定，为了减少等强时间，除水玻璃外，可视情况在浆液中增加其它速凝剂，每段注浆完成后，暂定待凝时间为48h再进行钻爆[4]。

(4) 严格控制注浆步距。在注浆施工中，当地层越复杂，注浆分段长度应越短，否则将严重影响注浆效果，本次注浆施工根据地层吸浆情况，采用水平袖阀管束分段注浆，钻孔至终孔后在孔内下入2~3根Φ25水平袖阀管，采用分段注浆。

(5) 注浆时根据钻孔揭示地层情况针对性注浆，保证浆液在松散地层达到回填、劈裂挤密效果，空洞部位全部充填密实。

5、注浆效果检查评定

注浆效果评定采用分析法，包括注浆过程中的注浆量分析、典型注浆P-q-t曲线分析，同时在掘进过程中根据监控量测数据对注浆效果进行量化分析。

5.1注浆量分析

以施工过程各注浆孔单孔注浆量绘制成注浆量横断面分布图、以单孔注浆量随时间施工时间进行绘制注浆量随时间变化效应图进行分析。

图7注浆量横断面分布图

图8 单孔注浆量柱状图

⑴ 注浆量604.66m³，平均隧道延米注浆量20.16m³。

⑵ 从注浆量横断面图和单孔注浆量图可以看出，掌子面周边围岩吸浆量随时间变化注浆量明显减小，孔隙率逐渐减小，地层逐渐密实，达到充填裂隙，固结围岩的作用。

⑶ 浆液填充率计算，注浆段需加固体积14490m³，设计地层孔隙率8%，根据其他类似地层施工经验，板岩地层比较致密，孔隙率取值一般为3~5%[5]，实际注浆过程中注浆量达到设计量后注浆压力未达到设计值，继续注浆至1.5倍注浆量后，调节浆液凝胶时间，使注浆压力达到设计值，停止注浆。

本次加固区总注浆量为617.25m³，浆液损耗系数为0.1，计算得出本段地层孔隙率为4.0％，据此计算浆液填充率为86％。

浆液充填率高于80%，达到设计方案要求，满足注浆加固目的，可以满足开挖要求[5]。

5.2典型注浆P-q-t曲线分析

根据本循环钻孔注浆施工过程，注浆量和注浆压力随注浆时间变化情况绘制P-q-t曲线，通过前期注浆孔回填、挤密注浆，地层较为密实，压缩空间较小吸浆能力明显减弱，表现为初始压力4MPa，继续注浆对地层进一步劈裂挤密，表现为注浆压力短时间内压力上升、下降、上升，注浆流量下降、上升、下降，最终注浆压力上升至12MPa后趋于稳定，结束注浆。

图9 P-q-t曲线

通过上述注浆P-Q-t曲线变化情况得出，随着注浆工作的进行，地层由填充密实至反复劈裂挤密，压力上升过程逐渐缩短，地层无继续压缩空间，注浆效果达到要求[6]。

5.3监控量测数据分析

在后期掘进施工过程中，通过监控量测，通过水平超前袖阀管束高压注浆技术段的拱顶每天沉降量在60mm,相比普通注浆技术拱顶每天沉降量80mm，减少约25%，效果明显。

图 10 不同注浆技术初支拱顶沉降量对比效果图

六、结论

在他白依隧道软岩段运用水平超前袖阀管束高压注浆技术，能较好地控制注浆范围和注浆压力，注浆压力可达8.0～10.0Mpa，且发生冒浆与串浆的可能性很小，注浆材料采用具有快硬、早强、抗渗、微膨胀性能的硫铝酸盐水泥单液浆，普通水泥-水玻璃双液浆为辅的浆液，极大提高软弱岩体整体固结性能，减缓围岩初支阶段的变形速率，能减缓极软岩变形的变形速率，为二衬跟进施工提供时机。

参考文献

[1]张明.隧道强透水砂砾地层袖阀管地表注浆加固工艺研究[J].隧道建设，2014,34（10）:975-978；

[2]丁燕方.他白依隧道突泥涌水处置方案分析[J].四川水力发电.2020.39（6）.64-67；

[3]刘明、刘彦林.分段前进式超前深孔注浆加固施工技术[J].市政技术.2009.27（增刊2）223-226

[4]刘克泉.帷幕注浆施工技术在隧道断层破碎带的应用[J].建材与装饰，2017,（42）：243-244；

[5]铁路岩溶隧道技术规范T/CRS C0801-2018，5.5，10

[6]城市轨道交通工程注浆技术规程DB11/1444-2017,10.2，23；

作者简介

1、王勇（1982-），男，重庆人，海南永顺建设工程有限公司，副高级工程师，本科，从事建设工程施工技术与管理工作；