图1 地质纵断面示意图
范圣明 张海波
(中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031)
摘 要：隧道工程一般采用注浆加固的方式处理穿越软弱围岩时的大变形问题，但在弱透水且具有强膨胀的围岩中采用常规注浆很难达到预期加固效果。本文通过介绍沪昆客运专线天生桥隧道采用高压劈裂注浆综合其他手段安全通过强膨胀地层的案例，提出了在强膨胀地层中采用高压劈裂注浆能够有效解决施工期间大变形问题的结论。同时结合现场注浆情况，提出在高压劈裂注浆过程中，应实施动态优化设计。文章介绍的现场注浆异常情况处理经验，可为今后处理类似工程提供参考。
关键词：软弱围岩； 强膨胀性软岩； 高压劈裂注浆； 硫铝酸盐水泥； 大变形
隧道工程穿越富水软弱围岩段时，极易产生涌泥和大变形，为保证隧道施工及结构安全，需对软弱围岩进行加固处理。通常认为在弱透水性且具有强膨胀性的地层中采用注浆加固很难保证其效果。
沪昆客专天生桥隧道穿越玄武岩全风化层与灰岩古风化壳接触带，其物质成分复杂，且具有强膨胀性，现场在采用高压劈裂注浆加固围岩后，安全通过该软弱围岩段，取得了良好效果。本文通过对该隧道的注浆加固措施的介绍，为以后处理类似工程问题提供参考。
1.1 隧道概况
天生桥隧道位于云南省昆明市嵩明县境内，为单洞双线隧道，全长1 535 m(D1K 1 135+330～D1K 1 136+865)。隧道于D1K 1 135+890～D1K 1 136+012段穿过玄武岩全风化层与灰岩古风化壳接触带，该段隧道埋深约75 m。
1.2 开挖揭示地质情况
隧道开挖及钻探揭示D1K 1 135+890～D1K 1 136+050段为玄武岩全风化层与灰岩古风化壳接触带，界面高低起伏。围岩呈土状，含水率高，具强膨胀性(自由膨胀率达153%)。且物质成分复杂，含有古洼地沉积风化物、凝灰岩风化物和玄武岩风化物，遇水易软化，围岩自稳能力差。揭示段落地质情况如图1所示。
图1 地质纵断面示意图
1.3 现场施工情况
天生桥隧道由进口工区组织施工,采用三台阶七步法开挖。当掌子面开挖至D1K 1 135+939时，现场发现D1K 1 135+890～+930段左侧拱墙初支有渗水，并出现多条环向裂缝和拱顶下沉现象,随后停止掌子面开挖。次日，拱顶最大下沉量达到2.3 m，且上台阶平台出现隆起，隆起高度约1.5 m。同日晚，掌子面拱顶偏左处出现一股状水，流水声出现间歇性增大，且该股状水连续出水多日。
为保证施工安全，现场采取了归流股状水、增设临时支撑、洞碴全断面回填反压等应急措施。待后期变形稳定后，对变形侵限段的初支钢架进行拆换。约5个月后，初支换拱至D1K 1 135+924.5时，拱顶靠左侧掌子面发生涌泥，涌泥量达300 m3。现场涌泥情况如图2所示。
图2 现场涌泥照片(涌泥过程中)
1.4 主要处理思路
经综合研究分析，造成上述病害的主要原因是隧道所处地层具有强膨胀性，遇水易软化，在地下水的作用下，围岩力学性能急剧下降，进而导致初支开裂、变形。另外，该段隧底承载力不足，也是导致隧道整体下沉的原因之一。
由此得出，改良地层物理力学性能和改善隧道周边地下水的存赋条件是处理该病害段落的关键，具体处理思路如下：
(1)先对隧道洞身周边围岩进行超前注浆加固，改善其力学性能，同时利用注浆加固圈将周边地下水隔离在隧道一定范围以外。
(2)仰拱开挖前，对隧底采用注浆钢花管加固，钢花管须深入基岩，避免由于基底承载力不足导致隧道整体下沉。
(3)加大预留变形量，尽量释放塑性能，同时加强初期支护及二衬结构，保证运营期间结构安全。
2.1 注浆方式的比选
隧道工程中，根据注浆压力、浆液对土体的作用机理和浆液运动方式的不同，一般分为裂隙注浆、渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆四类。其各自特点如下所述。
(1)裂隙注浆：对岩体裂隙、节理和断层的防渗、固结注浆，一般用于岩体裂隙的注浆堵水。
(2)渗透注浆：在不破坏地层颗粒排列的条件下，浆液充填与颗粒间隙中，将颗粒胶结成整体。该类注浆要求浆液的粒径远小于土颗粒的粒径。
(3)压密注浆：注入极稠的浆液，形成球形或圆柱体浆泡，压密周围土体，使土体产生塑性变形，但不使土体产生劈裂破坏。
(4)劈裂注浆：随着注浆压力增加，先压密周围土体，后使地层产生劈裂，形成脉状或条带状胶结体，一般用于土体的加固和软基的防渗处理。另外，高压劈裂注浆可提高注浆效果。
结合天生桥隧道的地质特点，采用常规注浆无法达到改良地层力学性能和隔离地下水的目的，因此本次选用高压劈裂注浆的方式进行处理。
2.2 高压劈裂注浆的原理
在弱透水性土层中，当注浆浆液压力超过土体的启裂压力时，土体内突然出现裂缝，浆液充填裂缝，以此在钻孔附近形成网络浆脉，通过浆脉挤压土体和浆脉的骨架作用加固土体。启裂压力与土体的小主应力及抗拉强度成正比，浆液越稀，注入速度越慢，启裂压力则越小。
劈裂注浆与常规的压密注浆最大的区别主要在于压密注浆是通过浆液挤压土体达到加固目的，而劈裂注浆则是通过浆脉形成的骨架结构和挤密相邻土体以达到加固目的。
2.3 地下水对加固体的影响及其对策
采用高压劈裂注浆加固强膨胀性土体且当注浆加固圈外长期存赋有地下水时，地下水长期与加固圈土体接触，会逐渐由近及远渗入土体，进而先软化外圈的土体，最终导致加固圈整体力学性能下降，因此其加固效果会伴随的时间的增长而降低。
为保证在二衬浇筑前，注浆加固效果能够达到相关要求，主要采取如下对策：
(1)采用超前全断面帷幕注浆方式，并适当加大注浆压力，提高土层密实度。
(2)适当加大注浆加固圈。
(3)加强施工组织安排，缩短各工序时间。
经综合分析比较，决定采用超前全断面帷幕高压劈裂注浆来改良隧道周边围岩。
3.1 加固圈厚度确定
本注浆段加固圈的厚度取值主要参考厚壁圆筒理论和围岩塑性圈理论计算，并结合工程类比法综合确定。厚壁圆筒理论计算公式如下：
(1)
式中：B——加固圈厚度(m)；R0——隧道开挖半径(m)；σ——围岩固结体允许抗压强度(MPa)；P——最大静水压力。
围岩塑性圈厚度采用修正的芬纳公式进行计算：
(2)
式中：Rp、R0——塑性圈半径和隧道半径；P0、Pi——围岩初始地应力和作用于支护结构上的围岩压力；
c、φ——塑性圈内围岩粘聚力和内摩擦角。
经对两种公式试算后，并结合工程类比法，本段注浆加固圈厚度取8m。
3.2 止浆墙设计
止浆墙厚度通过经验公式计算，结合工程经验进行综合确定。止浆墙的厚度应同时满足公式(3)和公式(4)的要求。
(3)
(4)
式中：B——止浆墙厚度(m)；λ——安全系数；PZ——最大注浆压力(MPa)；τc——混凝土抗剪强度(MPa)；m——工作条件系数；D——开挖断面直径(m)；C——止浆墙横断面周长(m)；f——止浆墙与围岩的摩擦系数；n、Vm——径向拉结锚杆的根数和抗剪承载力。
通过公式(3)和(4)验算，并参照以往成功经验，本次止浆墙顶厚5 m，止浆墙与周边围岩之间设置Φ22拉结锚杆，锚杆环向间距1 m。
3.3 注浆压力
要保证高压劈裂注浆效果，其注浆压力必须要克服土体被动土压力状态下的劈裂压力(即水平劈裂压力)，水平劈裂压力计算如下：
(5)
式中：h——隧道埋深；γ、υ、σt——土体重度、泊松比和抗拉强度；N——综合系数。
另外，注浆压力的确定还需要根据隧道埋深、已开挖段的支护强度等因素综合确定。考虑到劈裂注浆的浆脉扩散半径及对土体的挤密程度与注浆压力呈正相关，因此，在满足施工工艺和保证相邻结构安全的前提下，应尽量提高注浆压力。经公式试算，并结合工程类比法，本段注浆压力取8 MPa。
3.4 注浆材料
考虑到本注浆段为弱透水且具有强膨胀地层，利用硫铝酸盐水泥的凝结可控、可注性强等优点，本次设计注浆材料采用普通水泥单液浆和硫铝酸盐水泥单液浆相结合，普通水泥单液浆水灰比为0.6∶1～0.8∶1，硫铝酸盐水泥单液浆水灰比为0.8∶1～1∶1。
经试验得出，所采用的R.SAC 42.5硫铝酸盐水泥参数如表1所示。
表1 硫铝酸盐水泥参数表
3.5 注浆设计
经理论计算和工程类比综合确定，本段注浆设计参数如表2所示，超前帷幕注浆纵断面示意如图3所示。
表2 注浆设计参数表
图3 超前帷幕注浆纵断面示意图(cm)
4.1 注浆工艺设计
(1)注浆顺序为先外圈后内圈，同一圈孔间隔施工。
(2)一般情况下采用后退式分段注浆，在成孔困难段亦可采用前进式分段注浆，分段长度约3～5 m。当采用前进式注浆时，同一钻孔的相邻两端注浆时间间隔不小于1 h。
(3)注浆终压控制在7～8 MPa 左右。
4.2 注浆效果评定
本隧注浆效果评定采用P-Q-T曲线法与检查孔法相结合的方式。
(1)施工过程中实时记录各时间段对应的注浆压力P、注浆量Q，并根据所记录的数据绘制P—Q—t曲线绘制。根据绘制的P—Q—t曲线，进行注浆效果的评价。
(2)在注浆作业结束后，再采用钻检查孔进行评价验证。检查孔孔数应满足总钻孔数量的3%～5%，且不得少于3孔。
(3)检查孔钻孔完成后，利用孔内摄像技术检查孔成孔完整程度及出水量等情况。
5.1 注浆施工
天生桥隧道D1K 1 135+923～+987段共实施了三个循环的超前全断面帷幕高压劈裂注浆，现场主要采用后退式分段注浆，在局部的成孔困难地段，及时调整为前进式分段注浆。围岩加固圈范围的注浆终压控制在8 MPa左右。
另外，在本段的注浆施工过程中，对止浆墙的位移及初期支护的变形进行了重点监测，避免由于注浆压力过大导致的异常情况。
5.2 优化设计
5.2.1 注浆压力导致初支变形的措施优化
在第一循环超前注浆作业开始后，前期沉降已趋于稳定的初期支护拱部沉降量急剧加大并导致钢架侵限。
通过总结分析，导致本次初支急剧变形的主要原因是注浆压力通过土体传递至初期支护背后，而传递至初支的压力增量与注浆孔压力、土体性质、注浆孔与初支的距离等因素相关。
为尽量减小初支背后的压力增量，对本段注浆采取了动态优化，并取得了良好效果。具体优化措施如下：
(1)充分发挥分段式注浆的优点，靠近止浆墙侧的注浆压力控制在5 MPa左右，其他段落注浆终压仍按7～8 MPa控制。
(2)相邻3 m范围内的注浆孔注浆间隔时间不得小于1 h，尽量减少压力叠加。
(3)加大相邻两注浆段落的预留止浆岩盘厚度，提高下一注浆循环的施工安全性。
5.2.2 左侧注浆异常区的注浆工艺优化
在进行D1K 1 135+932～D1K 1 135+962段注浆作业过程中，钻孔揭示左侧拱墙存在注浆异常区，具体表现为成孔困难、出水量大、注浆压力不上升、注浆量大。
地质补勘探明该异常区分布在隧道左侧拱墙开挖轮廓线约8 m以外范围，径向宽度大于35 m(钻杆长35 m，未探穿)，异常区成分以沉积风化物为主，孔隙率大，富含水，钻杆推进力小。综合分析，该异常区为富水软土区域，且范围较大，采用常规注浆工艺较难起到改良作用。
针对该异常区的特性，现场研究决定先利用快凝注浆材料在富水软土区域形成一道隔离圈，再用常规注浆工艺将隔离圈与隧道之间围岩进行注浆改良。具体措施如下：
(1)先利用水泥-水玻璃双液浆加固富水软土区以形成注浆隔离圈，并采用前进式分段注浆以解决成孔困难的问题。
(2)在富水软土区的注浆隔离圈作业过程中，应采用注浆压力控制，确保隔离圈的功能。
(3)在隔离圈封闭并形成一定强度后，再利用硫铝酸盐水泥单液浆注浆加固隔离圈与隧道之间的围岩。
(4)为保证围岩改良效果，左侧异常区范围的注浆加固圈厚度调整为15 m。
(5)异常区注浆工艺如图4所示。
图4 左侧异常区注浆工艺示意图
5.3 注浆效果验证
注浆加固效果的验证是判断是否达到注浆目的一个重要环节，且作为后续注浆参数优化的重要参考依据。因此，做好注浆效果验证工作显得尤为重要。
本段注浆效果验证主要采用开挖前的检查孔孔内成像验证和开挖后围岩注浆效果验证。图5为本段的检查孔孔内成像图。
图5 检查孔孔内照片
从注浆加固效果的验证结果来看，本隧注浆加固段在高注浆压力作用下，土体的浆液扩散效果较好，同时浆液对涌泥体的挤密和堵水均起到了良好的效果。
截止目前，天生桥隧道已安全贯通一年多，处理段结构稳定无异常。在本段多循环的高压劈裂注浆加固作业中，得出以下结论，可供以后类似工程参考。
(1)隧道软弱围岩段采用高压劈裂注浆加固是可行的，但由于其加固效果影响因素较多，在具体实施过程中，应实行动态设计，及时调整相关参数。
(2)在高压劈裂注浆设计中，应充分考虑浆液压力对隧道初支、止浆墙的作用，避免由于浆液压力过大破坏结构主体。
(3)利用硫铝酸盐水泥单液浆可注性较强等特点，在高注浆压力的作用下，能够有效地提高浆液的扩散半径，从而较好的保证了注浆的加固效果和经济性。
(4)应充分发挥分段式注浆的优势，尽量做到有针对性、区别不同范围的注浆压力，以此达到更好的经济和实用效果。
(5)当注浆加固圈外长期存赋有地下水时，对强膨胀性土体采用高压劈裂注浆只能在短期内起到加固作用，其加固效果会伴随的时间的增长而降低。因此，在处理类似工程时，一定要根据注浆目的，综合其他工
程措施考虑。
参考文献：
[1] 中铁二院工程集团有限责任公司.天生桥隧道设计文件[R].成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2011. China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.Design Document of Tianshengqiao Tunnel[R]. Chengdu: China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd., 2011.
[2] 岩土注浆理论与工程实例协作组.岩土注浆理论与工程实例[M].北京:科学出版社，2001. The Research Group of the Grouting Theories and Case Histories. The Grouting Theories and Case Histories[ M] .Beijing: Science Press, 2001.
[3] 张民庆，孙国庆.硫铝酸盐水泥单液浆的研究与应用[J].现代隧道技术.2009, 46(6)：73-78. ZHANG Minqing, SUN Guoqing. Research and Application of Sulphate Aluminium Cement Single-fluid Grouting[J]. Modern Tunnelling Technology. 2009,46(6):73-78.
[4] 齐明山，蔡晓红，冯翠霞. 隧道围岩压力的弹塑性新解[J].土工基础，2006，20(2)：73-76. QI Mingshan, CAI Xiaohong, FENG Cuixia. New Elasto plastic Analytic Solution of Tunnel Surrounding Rock Pressure[J]. Soil Engineering and Foundation. 2006，20(2): 73-76.
[5] 任青文，张宏朝.关于芬纳公式的修正[J].河海大学学报(自然科学版)，2001，29(6)：109-111. REN Qinwen, ZHANG Hongchao. A Modification of Fenner Formula [J]. Journal of Hohai University，2001，29(6): 109-111.
[6] 周烨.双液回退劈裂注浆在胡麻岭隧道富水粉细砂地层中的应用[J].现代隧道技术.2012，49(4):165-169. ZHOU Ye. Application of Two-Component Backward Split Grouting to the Humaling Tunnel in Water-Rich Fine Sand [J]. Modern Tunnelling Technology, 2012, 49 (4): 165-169.
[7] 邹金锋，李亮，杨小礼.劈裂注浆扩散半径及压力衰减分析[J].水利学报，2006，37(3): 314-319. ZOU Jinfeng, LI Liang, YANG Xiaoli. Penetration radius and pressure attenuation law in fracturing grouting[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2006, 37(3): 314-319.
[8] 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社，2010. WANG Mengshu. Tunnelling and Underground Engineering Technology in China[M]. Beijing: China Communications Press, 2010.
[9] 李雪林.天生桥隧道古溶蚀洼地段初支大变形控制技术[J].高速铁路技术,2016，7(6)：52-55. LI Xuelin. Technology for Large Deformation Control of Primary Support of Tianshengqiao Tunnel in the Ancient Karst Depression Section[J]. High Speed Railway Technology，2016，7(6)：52-55.
(编辑：赵立红 刘彦琳)
Application Research on High Pressure Penetrate Grouting Technology to Reinforce Tunnel Weak Surrounding Rocks
FAN Shengming ZHANG Haibo
(China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd., Chengdu 610031, China)
Abstract：Tunnel engineering generally uses grouting to solve the problem of large deformation through soft rocks. While in surrounding rocks with strong swelling and weak permeability, using conventional grouting is far away from the desired effect of reinforcement. This paper takes Tianshengqiao Tunnel in Shanghai-Kunming passenger dedicated line as an example to introduce the way of how to use high pressure penetrate grouting combined with other means to pass through strong swelling strata successfully, which comes to a conclusion that high pressure penetrate grouting is an effective way to solve the large deformation problems in strong swelling strata. In addition, based on the actual performance at the construction site, this paper explains the necessity of dynamic optimization design in the process of high pressure penetrate grouting. Nevertheless, the experience of treating exceptional condition at the constructing site can provide a reference for later similar cases.
Key words：weak surrounding rock; strong swelling soft rock; high pressure penetrate grouting; sulphate aluminium cement; large deformation
收稿日期：2016-05-30
作者简介：范圣明(1984-)，男，工程师。
引文格式：范圣明,张海波. 高压劈裂注浆技术在隧道软弱围岩加固中的运用研究[J].高速铁路技术，2017,8(1)：57-62. FAN Shengming,ZHANG Haibo. Application Research on High Pressure Penetrate Grouting Technology to Reinforce Tunnel Weak Surrounding Rocks [J]. High Speed Railway Technology,2017,8(1):57-62.
文章编号：1674—8247(2017)01—0057—06
中图分类号：U455.49
文献标志码：A