富水黃土隧道注漿加固機制及效果評價

薛曉輝，張 軍，宿鐘鳴，孫志杰

(山西省交通科學研究院 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030006)

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富水黃土隧道注漿加固機制及效果評價

薛曉輝，張 軍，宿鐘鳴，孫志杰

(山西省交通科學研究院 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030006)

為解決富水黃土隧道在施工過程中出現的各種病害，基于地下水平衡理念，利用佐藤邦明法及地下徑流模數法建立關聯函數，得出地下水平衡時所需的注漿體滲透系數，并結合喬原隧道的工程實際情況，利用二重管無收縮雙液注漿加固技術對富水黃土地層進行注漿加固，并對注漿效果進行了詳細評價。結果表明：掌子面土體含有大量漿脈，其分布層理清晰，掌子面土體未出現泌水現象，土體穩定性較好，未發生掉塊、塌方、涌水、突泥等病害，且土體強度有大幅提升，滲透性有大幅降低，注漿體滲透系數滿足地下水平衡的要求。

隧道工程；地下水平衡理念；富水黃土隧道；注漿加固機制；效果評價

隨著中西部開發戰略的逐步實施，黃土地區交通建設迅猛發展，黃土公路隧道越來越多。當隧道穿越富水黃土地層時，隧道開挖后成為地下水匯集廊道，隧道周圍土體含水量不斷增大，甚至逐步達到飽和狀態，出現“泥化”現象，其強度與穩定性迅速下降。富水黃土隧道施工過程中極易出現襯砌裂縫、滲漏水、基底隆起、拱頂下沉、塌方等病害。傳統防排水方法貫徹“防排結合，以排為主”的治理原則，即一方面加強隧道防排水系統，使得襯砌結構背后積水能夠及時排走；另一方面采用“超前帷幕注漿堵水”措施，將隧道周圍一定半徑范圍內的滲水通道進行封堵，減小地下水流失對生態環境的影響。然而，由于黃土顆粒組成以粉粒為主，同時含有砂粒和黏粒，其結構疏松，孔隙較發育，隨著隧道襯砌背后積水的不斷排泄，土體不斷被“掏空”，從而形成空洞，威脅襯砌結構安全?！耙耘艦橹鳌钡拇胧┎⒉荒軓母旧辖鉀Q隧道的各種水害，而且極易導致隧道施工影響范圍內的地下水位下降、地表水涸竭、生態環境破壞，嚴重影響周圍居民的生產和生活?！俺搬∧蛔{堵水”雖在一定程度上減小了地下水流失，但其工程造價較大、工期較長。因此，在富水黃土隧道建設過程中，如何采取有效措施既能夠保護地下水平衡，維持生態平衡，且工程造價低、工期短，是當前面臨的一大技術難題[1-3]。

1 地下水平衡理念

對于富水黃土地層，在隧道開挖前，其地下水的補給量與排泄量基本相同，處于平衡狀態；而隧道的開挖導致地下水排泄量增大，打破了其原有平衡狀態。當隧道開挖引起的地下水滲水量(Qs)小于隧道施工影響范圍內的地下水補給量(Qb)時，地下水流失造成的水環境破壞是暫時的，可恢復的；反之，地下水流失將會造成不可恢復的水環境破壞。

根據地下水平衡理念的要求，富水黃土隧道施工中應對地下水采用“有限排放，定量堵水”的原則：即不需采用傳統方法將隧道影響范圍內的地下水進行全面封堵，而是采用適當的注漿方式，通過控制圍巖注漿體的滲透系數，將隧道施工影響范圍內的滲水量控制在補給量以下，從而達到既能保護生態平衡，又能減少工程造價、縮短工期的目的。

2 注漿體滲透系數的擬定

2.1 隧道涌水量預測

隧道滲水量Qs在理論上等于其涌水量Qy，因此確定涌水量是利用地下水平衡理念進行分析的第一步。隧道涌水量具體指隧道開挖至二次襯砌施作之間時間的毛洞涌水量。由于該段時間一般較短，地下水尚未達到降深穩定的狀態，仍處于非穩定狀態。在眾多的隧道涌水量計算方法中，佐藤邦明法是最適用于非穩定狀態的[4-5]。根據該方法預測的隧道單位長度的最大涌水量q0、正常涌水量qs、自最大涌水量開始衰減至某時刻t的涌水量qt的具體關系如圖1。

圖1 q-t關系曲線

從圖1可以看出，初期涌水階段的涌水量q0是整個涌水過程中的最大值，因此在注漿加固設計過程中應取其值作為代表值，即：

(1)

式中：K為滲透系數，m/d；H為靜止水位至隧道基底的高度，m；r0為隧道橫截面等價圓半徑，m；h為含水體的厚度，m。

2.2 地下水補給量計算

地下徑流模數法的基本原理是地表水循環平衡，即在一定范圍內，地表水的整個循環過程保持平衡狀態[6]，其水循環平衡公式為：

W=H′+h′+E

(2)

由此得出地下水年補給量Qb為：

Qb=1 000(W-H′-E)F

(3)

式中：W為該地區的年平均降雨量，mm；H′為地表徑流深度，mm；h為年地下徑流深度，mm；F為地表水流域面積，km2；E為該地區的年地表蒸發量，mm，其值的計算可參考Turk經驗公式，即：

(4)

式中：T為該地區年平均氣溫，℃。

2.3 注漿體滲透系數的確定

隧道施工后實際滲水量Qs的計算過程中，應考慮其安全系數，即：

(5)

式中：k為安全系數，可取2～3。

由式(5)可推出注漿體滲透系數K為：

(6)

3 工程背景

3.1 工程概況

吉(縣)河(津)高速喬原隧道為左右分離式隧道，兩洞中軸線最大間距32m，設計速度80km/h。隧道建筑限界凈寬10.25m，行車道為2×3.75m，限高5m，左右洞長度分別為1 572，1 626m，洞體最大埋深114.98m，采用“新奧法”原理進行施工。

3.2 隧道病害情況

2013年8月，隧道右洞掌子面施工至K9+847，二襯施工至K9+783。在未施作二襯的初支表面滲水情況嚴重，具體表現形式為隧道開挖掌子面時，沒有明顯的滴水狀，但在超前支護和立架施工中，掌子面有泌水現象。在初支施作完成3～10d過程中，初支表面上逐漸有明顯的滲水。在初支施作完成10d后，滲水覆蓋整個初支表面層，局部呈連續線狀滴水，并伴有白色結晶體出現。在已施作仰拱的隧道段存在多處裂縫，大部分裂縫位于仰拱中部，走向為沿隧道軸線方向，裂縫最大寬度達1.25cm。二襯邊墻部位出現多處裂縫，主要為縱向裂縫，寬度為0.2～3.0mm。其具體情況如圖2、圖3。

圖2 初支滲水情況

圖3 仰拱、二襯開裂

4 注漿實施方案

由于喬原隧道穿越富水黃土地層，部分隧道段不僅在開挖過程中極易發生掉塊、塌方，而且在初期支護施工完成后，由于滲漏水量較大，初支背后土體出現“泥化”現象，土體承載力降低，從而引起初支開裂、基底不均勻沉降、仰拱開裂等病害。為確保施工及后期運營安全，決定采用二重管無收縮雙液注漿技術進行注漿加固[7]，以提高土體強度，降低土體滲透系數，力爭使地下水達到平衡狀態。

4.1 注漿材料

對于富水黃土地層，注漿材料應具有不易溶解、凝結時間可控、滲透距離可控、注漿體滲透系數可達指定標準等特性。其中重點控制指標為注漿體滲透系數，根據本項目的具體情況，選取典型隧道段100 m作為重點研究對象，安全系數k取值2.5，并結合其水文地質條件確定其余各參數，將其代入式(6)中，得出注漿體滲透系數K=7.55×10-6cm/s。

通過一系列的對比試驗，最終采用的A、B注漿材料配比如下：

A液：42.5R水泥(kg)∶水(L)∶緩凝劑(L)=1∶1∶0.2；

B液：水玻璃(L)∶水(L)=1∶1.5。

在注漿過程中，A，B兩種漿液按體積比1∶1注入，其中42.5R水泥為超細顆粒，其比表面積可達480 m2/kg，在注漿施工過程中可有效提高漿液的滲透效果。漿液的凝結時間應控制在40～50 s之間，可有效提高施工進度。

4.2 注漿孔布設

為避免施工過程中掌子面出現滲水、掉塊、塌方等病害，采用水平注漿法對掌子面前方10 m范圍內土體進行加固，全部鉆孔采用φ46 mm二重管鉆孔[8]。在開挖輪廓線內側0.5 m范圍內注漿孔呈梅花形雙層布設，孔距0.4 m，孔深10 m，擴散半徑0.5～2.0 m；在掌子面其他部位，注漿孔呈梅花形布設，孔距1.5 m，孔深12 m，擴散半徑1.0～3.0 m，具體情況如圖4。

圖4 水平注漿孔布設

為在隧道開挖輪廓線外形成注漿止水圈，采用輻射注漿孔法進行注漿[9]。輻射注漿孔以開挖輪廓線內側水平注漿孔為基準，每個水平注漿孔內布設5個輻射注漿孔(n1，n2，…,n5)，其基本參數如表1，位置布設情況如圖5。

表1 輻射注漿孔基本參數

圖5 輻射注漿孔布設

4.3 注漿工藝要求

為使注漿體滲透系數能夠滿足地下水平衡的要求，在注漿施工過程中，應嚴格控制注漿壓力及注漿量。當注漿壓力突然變化或漿液從鉆孔、地表溢出時應立即停止施工，查明原因，及時調整注漿參數[10]。二重管無收縮雙液注漿的具體精度要求如表2。

表2 二重管無收縮雙液注漿精度要求

5 注漿效果評價

5.1 水平注漿效果

對于利用水平注漿孔加固后的土體，在下一循環的掌子面開挖過程中即可揭露出來，通過現場觀察便可初步判斷其注漿效果，具體現場觀察照片如圖6。

圖6 水平注漿現場觀察

從圖6中可以看出，通過水平注漿后，隧道開挖范圍內的掌子面土體含有大量漿脈，其分布層理清晰。在施工過程中，掌子面土體未出現泌水現象，土體穩定性較好，未發生掉塊、塌方等病害，且土體強度較注漿前有大幅提升。由此可初步判斷，采用二重管無收縮雙液注漿法在水平注漿方面取得了良好的效果。

5.2 輻射注漿效果

對于利用輻射孔進行注漿的效果評價，主要在于測定其注漿止水圈的滲透系數，判斷其是否滿足地下水平衡理念的要求。首先利用環刀(內徑61.8 mm，高40.0 mm)對注漿體進行取樣，其次利用變水頭滲透試驗對試樣的滲透系數進行測定。每個試樣應進行多次測定，在所測結果中取3～4個允許差值(F≤2×10-n)符合規定的測值，再求平均值，作為該試樣的最終滲透系數[11]。

筆者選取兩個典型斷面進行滲透系數測定，對每個斷面的拱頂、左側墻、右側墻、基底位置分別取樣，斷面1的取樣點編號依次為1-1, 1-2,1-3,1- 4，斷面2的取樣點編號依次為2-1, 2-2,2-3,2- 4。各取樣點注漿前后的滲透系數的具體情況如圖7。

圖7 試樣滲透系數對比曲線

由圖7可以看出，注漿后土體的滲透系數較注漿前土體滲透系數有較大幅度的下降，其中斷面1的土體滲透系數由0.91×10-2～1.53×10-2cm/s降為3.54×10-6～1.56×10-5cm/s；斷面2的土體滲透系數由0.87×10-2～2.30×10-2cm/s降為5.57×10-6～1.14×10-5cm/s?？梢?，利用二重管無收縮雙液注漿加固技術進行輻射注漿極大的降低了富水黃土隧道土體的滲透性，注漿處理后的土體形成了止水圈。

結合實際情況，選取安全系數為2.5，同時結合水文地質條件確定其余參數，利用式(6)可計算出地下水平衡條件要求的注漿體滲透系數為7.55×10-6cm/s；而根據變水頭滲透試驗結果可知，斷面1、斷面2的土體經過注漿后其滲透系數為3.54×10-6～1.56×10-5,5.57×10-6～1.14×10-5cm/s。由此可見，本項目利用二重管無收縮雙液注漿技術進行加固處理后，其土體實際滲透系數與理論計算要求的滲透系數基本吻合，滿足地下水平衡的要求。

5.3 對比分析

目前，國內普遍采用超前帷幕注漿進行富水隧道的堵水、加固處理。超前帷幕注漿法多采用在修建止漿墻的情況下，利用鉆機進行鉆孔，用普通水泥漿進行分段式注漿。超前帷幕注漿法在防止突泥、涌水方面效果較好，然而，由于超前帷幕注漿法具有作業半徑較小、鉆孔靈活性差、功效低、耗時長等缺點，一直是隧道施工技術發展的瓶頸；而且超前帷幕注漿法一般適用于含水砂層、破碎帶等不良富水復雜地質帶，其在富水黃土隧道中應用效果并不理想。

因此，采用二重管無收縮雙液注漿技術(WSS工法)進行加固處理。WSS工法是近年來隧道施工中較為先進的一種注漿方法，其采用二重管、雙漿液進行后退式注漿，可實現瞬結性一次噴射和浸透性二次噴射，并通過調節兩次噴射的復合比率可有效控制注漿體滲透系數，同時采用特殊的端點監控器，使得注漿操作控制性較好。尤其在富水黃土隧道中，WSS工法可有效改良原土體的物理性質，降低其滲透系數，實現地下水平衡，且其系統設備簡單、可操作性強，具有較好的可靠性、經濟性。

6 結 論

1)對于富水黃土隧道，“防排結合，以排為主”的傳統防排水方法極易引起襯砌背后空洞，威脅襯砌結構安全，且長期、大量排水與當前生態環境保護精神背道而馳。因此，從保護地下水環境、降低工程造價的角度出發，基于地下水平衡理念，采用“有限排放，定量堵水”的原則，不失為一種解決富水黃土隧道防排水問題的思路。

2)隧道毛洞涌水量計算過程中，由于地下水尚未達到降深穩定的狀態，仍處于非穩定狀態，采用佐藤邦明法最為恰當。利用地下徑流模數法計算地下水補給量，從而利用地下水平衡理念建立涌水量與補給量的關系式，擬定出注漿體滲透系數。

3)采用二重管無收縮雙液注漿加固技術進行水平注漿后，掌子面土體含有大量漿脈，其分布層理清晰。在施工過程中，掌子面土體未出現泌水現象，土體穩定性較好，未發生掉塊、塌方等病害，且土體強度較注漿前有大幅提升。由此可初步判斷，采用二重管無收縮雙液注漿法在水平注漿方面取得了良好的效果。

4)采用二重管無收縮雙液注漿加固技術進行輻射注漿后，富水黃土隧道土體的滲透性有較大幅度降低，注漿處理后的土體形成了止水圈，其滲透系數滿足地下水平衡的要求。

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Grouting Pre-reinforcement Mechanism and Effect Evaluationin Water-Rich Loess Tunnel

Xue Xiaohui, Zhang Jun, Su Zhongming, Sun Zhijie

(Key Laboratory of Highway Construction & Maintenance Technology in Loess Region,Shanxi Provincial Research Institute of Communications, Taiyuan 030006, Shanxi, China)

In order to solve the problem of water-rich loess tunnel in construction process, based on the idea of underground water environmental balance, the Kuniaki Sato empirical formula and underground runoff modulus was used to build correlation function and get the permeability coefficient. Combining the engineering practice condition of the Qiaoyuan tunnel, the duplex pipe grouting was used to reinforce the water-rich loess tunnel, and its grouting effect was also evaluated in detail. Results show that there are a lot of obvious grouting veins on tunnel face, and the bedding is clear. There is not bleeding phenomenon on tunnel face. The surrounding rock is stable, no such phenomena occur as collapse, instability, gushing water or mud, etc. The soil strength increases dramatically, and the permeability reduces significantly. The permeability coefficient of grouting soil meets the requirements of underground water environmental balance.

tunnel engineering; idea of underground water environmental balance; water-rich loess tunnel; grouting pre-reinforcement mechanism; effect evaluation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.06

2014-05-21；

2014-10-13

山西省交通運輸廳科研項目(2013-1-3，2015-1-18)；交通運輸部應用基礎研究項目(2014319771190)

薛曉輝(1986—)，男，山西芮城人，工程師，碩士，主要從事隧道及地下工程方面的科研工作。E-mail:582991719@qq.com。

U457+.2

A

1674-0696(2015)04-034-05