淺埋大斷面隧道黃土地層注漿預加固技術應用

朱麗剛

（中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063030）

濕陷性黃土的滲水性和壓縮性較強， 一旦遇水浸濕后， 土質圍巖堅硬程度急劇減降低， 土體易出現變形、坍陷和滲漏等病害［1］。 在我國西北地區建設的公路或鐵路隧道不可避免穿越黃土軟弱圍巖富水區域，當淺埋大斷面隧道防滲水效果較差時， 如果大量的地表水和地下水通過隧道周邊圍巖縫隙和孔隙等通道流入或滲入隧道，會對隧道結構安全造成威脅。

為防止淺埋地段大斷面黃土公路隧道地表沉降及圍巖變形，施工中大多選擇雙側壁導坑法、交叉中隔墻法、三臺階預留核心土工法等施工方法，并結合帷幕注漿、超前小導管注漿、隧道環向注漿等方法［2］抑制隧道圍巖拱頂出現較大不規則沉降，防止隧道出現水平方向的較大位移，但這些方法不能有效規避地表沉降［3-5］。 目前研究人員大多選取軟弱圍巖中小斷面隧道進行地表注漿分析，對長距離濕陷性黃土大斷面淺埋隧道地表垂直預注漿加固技術研究較少。

本文以國道G309 線炸山嘴隧道工程為背景，采用MIDAS GTS 軟件研究采用地表垂直預注漿加固技術前后濕陷性黃土大斷面淺埋隧道的拱頂位移、 塑性區和地層滲流速度的變化， 以驗證地表垂直預注漿加固技術的可靠性和安全性。

1 工程概況

國道G309 線固原至西吉公路炸山嘴隧道位于寧夏西吉縣，海拔超過2 011 m。設計為雙線公路隧道。左線隧道起止里程是ZK23+533.91—ZK24+817.29，總長約1 283.38 m； 右線隧道起止里程是YK23+052.11—YK24+801.12，總長約1 749.01 m。拱頂埋深較淺，局部拱頂埋深不超過15 m，最淺埋處僅為10 m。 圍巖等級為Ⅴ級，開挖寬度為12.3 m，高度為9 m，斷面面積約為120 m2。

隧道所在的六盤山山脈呈南北走向，東南方向地勢較低緩，西北方向較陡峭，山脊高程為2 011～2 215 m。隧道兩端出口區域的地勢較低， 隧道中間區域地勢較高。 勘測后發現隧道所處區域的地質巖土層大多為沖洪積巖土層、風積黃土層、泥巖層、細砂質泥土巖層、砂礫巖層及泥砂巖層，結構較松散，滲透性較強，孔隙率較大，軟弱基巖中裂隙水、地表水和地下水的滲流作用明顯。

每年1~5 月和10~12 月， 隧道進口左側有部分地表水順著圍巖裂隙和孔隙滲透涌出， 涌水量約為3.1～5.2 m3/d，每年6~9 月地表水常在地表沖溝處匯集成季節性溪流。

2 隧道地表垂直預注漿加固范圍及三維有限元模擬分析

2.1 預注漿加固區間范圍

隧道Y23+091—121、Y23+272—309 和Y23+413—438 區間地質情況基本相同， 如圖1 和圖2 所示采用地表垂直預注漿加固技術，在隧道中軸線兩側各11 m覆蓋范圍內布設注漿區； 預注漿加固時與隧道掘進外輪廓線保持距離約為0.5 m； 在垂直于隧道中軸線的橫向區域， 確保隧道邊墻外側預注漿加固范圍與邊墻最外側輪廓線有0.5 m 的覆蓋區域，確保仰拱底以下0.3 m、拱頂以上0.8 m 區域內注漿覆蓋。

圖1 預注漿加固橫斷面布置圖

圖2 地表垂直預注漿加固俯視圖

2.2 模型構建及關鍵參數

采用MIDAS GTS 軟件構建隧道Y23+413—438 區間的三維有限元模型（圖3 和圖4），按工程項目實際結構設計隧道區間斷面（埋深10~15 m，長25 m，寬60 m）。模型頂部水平地表面為自由面， 垂直面為側面約束方式，底部邊界為固定約束方式。 根據炸山嘴隧道的地質勘測情況，圍巖的關鍵參數見表1。

表1 圍巖的關鍵參數

圖3 注漿加固隧道三維有限元模型

圖4 未注漿加固隧道三維有限元模型

2.3 數值計算結果分析

隧道內掘進作業時， 地表垂直預注漿加固前、后拱頂沉降云圖如圖5 和圖6 所示。 由圖5和圖6 可知，在沒有進行注漿加固的情況下，隧道拱頂最大沉降值是41.8 mm； 進行注漿加固以后，隧道拱頂最大沉降值為 22.5 mm。地表垂直預注漿加固對隧道開挖導致的變形得到明顯控制。

圖5 地表垂直預注漿加固前隧道拱頂沉降云圖

圖6 地表垂直預注漿加固后隧道拱頂沉降云圖

2.4 地層中流速分析

采用MIDAS GTS 軟件計算隧道地表垂直預注漿加固前、后的地層滲流速度如圖7 和圖8 所示。

圖7 預注漿加固前地層滲流速度

圖8 預注漿加固后地層滲流速度

由圖7 和圖8 可知： 預注加固前隧道周邊的地表水和地下水的滲透水頭逐漸減小， 預注漿加固后地表水和地下水的滲流速度明顯減小， 有效抑制了大涌水現象的出現； 證明隧道地表垂直預注漿加固的止水作用效果較好。

3 地表垂直預注漿加固施工工藝

隧道地表垂直預注漿加固施工流程如圖9 所示。

圖9 隧道地表垂直預注漿加固施工流程

1）孔位測放。施工現場完成“三通一平”作業后，依據施工方案和設計要求， 技術人員標注需要預注漿加固的孔位。 預注漿加固孔縱橫間距為2 m，采用梅花形布置形式。

2）鉆孔。 根據標注的預注漿加固孔位，選取地質鉆機垂直對準地面上的預注漿加固孔位鉆孔，要求鉆孔垂直度誤差小于1/150，鉆孔孔位水平誤差小于50 mm。

3）安裝注漿管和止漿閥。鉆孔結束后，將鉆桿垂直退出，朝下放置外直徑為90 mm 的無縫鋼管，一直到鉆孔底部位置， 再放置外直徑為50 mm、 壁厚為2.8 mm 的PVC 注漿花管，PVC 注漿花管尾部的預留止漿段長2 m，PVC 注漿花管上設置的注漿孔間距為0.25 m，注漿孔的直徑為6 mm。

4） 注漿。采用地表定向大口徑深孔注漿技術［6］，注漿工序如圖10 所示。 注漿作業時，遵循先外部注漿后內部注漿、間隔跳孔注漿的要求逐步施作，在施工區外部區域完成注漿孔注漿，完成外部約束圈后，再從外向內、不連續地跳孔注漿施工。

圖10 地表定向大口徑深孔注漿工序

5） 結束注漿標準。當單孔單段注漿壓力滿足設計終壓4~6 MPa，且可維持5~10 min 時，停止對此孔注漿，若實際注漿量為原設計注漿量的1.5 倍，注漿壓力不符合設計的最終壓力，應馬上調節漿液凝結時間。如果注漿壓力滿足最終壓力，結束注漿操作。如果所有注漿孔都符合單孔注漿要求，且未出現漏注，則完成全部注漿作業。

4 注漿效果分析

4.1 地表沉降

注漿后， 在施工現場依據工程測量規范（GB/T5026—2007）、 公路隧道施工監控量測技術規程（DB13/T 5153—2019），采用南方DL-201 電子水準儀進行沉降監測。施測方法為：對監測點和基點展開水準聯測，從而得出測量時刻監測點與基點之間高差，對比兩相檢測周期的高差就能夠知曉地表進行垂直預注漿前后工況一致、隧道不同斷面的地表不均勻沉降情況，具體沉降的變化曲線如圖11 和圖12 所示。

圖12 地表垂直預注漿加固后隧道不同斷面的地表沉降曲線

由圖11 和12 可知：采用地表垂直預注漿加固前，在隧道掘進時，地表沉降較大，經4 d 監測，隧道中線位置的地表累計沉降為108 mm， 距隧道中線8 m，地表累計沉降為59 mm；繼續掘進作業，地表沉降繼續增大，第19 d 地表基本不再沉降，距隧道中線8 m，地表位置累計沉降為133 mm， 隧道中線的地表累計沉降為206 mm。 要求隧道掘進后的地表沉降一般為100 ~200 mm， 未注漿的隧道地表沉降超出了規范要求，須采取注漿等措施嚴格控制隧道上方的地表沉降， 避免地表產生較大裂縫或塌陷等災害。地表垂直預注漿后，隧道上部的地表沉降顯著減小，第16 d 地表基本不再沉降，隧道中線的地表累計沉降為101 mm，滿足要求。

4.4 圍巖物理力學參數變化

對注漿前后地表垂直預注漿加固區域內的隧道相鄰斷面圍巖取樣，進行室內土工試驗，得到隧道地表垂直預注漿前、 后相鄰斷面周邊圍巖物理力學參數的變化，如表2 所示。

表2 隧道地表注漿前、后相鄰斷面圍巖力學參數的變化

由表2 可知：通過地表垂直預注漿加固后，隧道周圍巖石的平均含水率由18.1%降至15.9%，平均密度、壓縮模量、黏聚力和內摩擦角等略有增加；證明采用地表垂直預注漿加固技術可以提高圍巖自身的密實度，圍巖整體完整性增大， 提高了隧道圍巖的阻水性和穩定性。

5 結束語

以炸山嘴隧道工程為背景， 針對淺埋濕陷性大斷面黃土隧道在穿越富水區域施工過程中不易控制地表沉降、隧道穩定性差、不易成拱、滲水嚴重等施工難題，采用Midas GTS 軟件建模并進行數值分析和施工現場沉降監測。研究結果表明，淺埋濕陷性大斷面黃土隧道地表采取垂直預注漿加固工藝后， 可以在一定程度上抑制地表沉降，避免出現地表裂縫、坍陷、涌水和塌方等風險和病害。隧道圍巖物理力學參數顯著趨好，提高了圍巖自身的密實度和堅硬程度， 極大提升了隧道結構的阻水性與整體穩定性，確保了隧道掘進安全。

抑制淺埋地段大斷面黃土隧道地表沉降及防止圍巖變形的技術工序較繁瑣， 下一步研究可優化施工工序，進行理論分析和試驗論證，在確保施工質量和作業安全的前提下，提高施工效率和經濟效益。