帷幕注浆施工技术在公路隧道穿越浅埋冲沟段的应用
于松波
(陕西高速公路工程咨询有限公司，西安 710061)
注浆加固技术多应用于地下工程岩体破碎带、富水、浅埋沟谷段等软弱复杂地质条件的施工环境，能有效解决隧道涌水突泥及围岩坍塌等施工难题，确保工程建设的安全顺利进行。经过诸多学者和技术人员多年的研究和实践，我国注浆加固技术在注浆加固理论、注浆工艺、注浆材料、注浆效果评价等方面都取得了许多先进的研究成果。近年来，注浆加固技术研究和应用的领域愈加宽广[1-2]。
彭学军等[3]利用“超前管棚+超前帷幕注浆”解决了隧道穿越“易滑地层”的加固技术，加固止水效果良好。方健[4]采用注浆资料分析和检查孔验证相结合的方法对超前帷幕注浆效果进行了评价。李嘉璐等[5]利用数值模拟与现场监控量测相结合的手段，评价分析了超前半断面帷幕注浆、全断面帷幕注浆的注浆效果。周运祥[6]采用堵排结合思路，研究了袖阀管注浆+钢管桩注浆技术治理隧道全风化花岗岩层段涌水涌砂加固的治理难题。刘鹏飞等[7]研究了帷幕注浆加固高含水黄土层施工技术，并采用地质雷达与数值模拟相结合的方法对注浆效果进行了评价。
专家学者们对注浆加固技术的理论研究和技术更新在工程实践中得到了较好应用与印证[8-12]。同时，由于注浆工程自身的模糊性、隐蔽性、随机性和复杂性[13-16]，不同施工环境下注浆加固技术实施难度和效果评价不同，应根据工程具体情况开展具体研究。本文以宋家凹隧道穿越浅埋冲沟段工程为例，开展帷幕注浆设计、实施和评价研究，以期同类工程参考。
宋家凹隧道是连霍二广高速联络线新安至伊川高速的重点控制性工程，双向4车道，分离式，左线长2 495 m，右线长2 508 m。隧址区属丘陵地貌，隧道沿线分布小规模断层及破碎带，以Ⅳ～Ⅴ级围岩为主，节理裂隙较发育，岩体较破碎，富含基岩裂隙水，围岩自稳能力及成拱能力差，穿越一浅埋冲沟段，沟内水量大。隧道设置3处车行横洞、7处人行横洞、1个斜井工程，结构物纵横交错，施工情况复杂。
1.1 工程地质
隧道穿越浅埋地表冲沟段，右线桩号为K38+105～K38+125，左线桩号为Z3K38+095～Z3K38+115，地形陡峭，高差20 m～40 m，隧道埋深为15 m～25 m，覆盖层为第四系粉质粘土，厚度为11 m～15 m；
基岩为强风化震旦系许山组安山玢岩，块状构造，紫红色，受破碎带影响，节理裂隙发育，岩体破碎，岩石强度较低，完整性差，开挖时易产生掉块及坍塌。
1.2 水文地质
冲沟内地表水及地下水丰富，汇水面积大，沟谷内有常年流水，常年流量约5 L/s～7 L/s，最大洪峰量为9 m3/s～12 m3/s。由已开挖施工段落可知，宋家凹隧道地下水丰富，地下水水位深为9.6 m～11.9 m。接近浅埋段，洞内掌子面常有股状水流出，最大涌水量为5.699 m3/(d·m)，且该浅埋穿越冲沟段开挖时间处于雨季，受地表水补给和围岩赋水的影响，施工期间掌子面极易发生涌水及冒顶事故，造成隧道掌子面失稳。
2.1 注浆施工方案设计
宋家凹隧道右线K38+105～K38+125(左线Z3K38+095～Z3K38+115)浅埋冲沟段，采用上台阶帷幕注浆，每段均按25 m施工，左右侧各施工2个循环，施工平面布置见图1。止浆墙混凝土为C25，混凝土厚度150 cm，采用2次浇筑成型。上台阶共布设注浆孔38个，其中第A环10孔，第B、C环均为14孔，开孔孔位布置可根据现场实际情况进行调整，在施工空间允许的情况下，孔位布置尽量靠近开挖轮廓线，注浆孔断面布置见图2。
单位：m图1 帷幕注浆施工平面布置Fig.1 Plane layout of curtain grouting construction
单位：cm图2 注浆孔横断面布置Fig.2 Cross-sectional layout of grouting holes
注浆孔布置由工作面向开挖方向呈伞形辐射状，钻孔布置3圈，并采用长短孔相结合的方法。第A环打设角度为3°，深度不低于25.5 m；
第B环打设角度为10°，深度不低于25.8 m；
第C环打设角度为20°，深度不低于10.9 m。帷幕注浆纵向设计见图3。
单位:cm图3 帷幕注浆纵剖面Fig.3 Longitudinal profile of curtain grouting
注浆前在止浆墙埋设Φ108无缝钢管作为孔口管，孔口管长1.8 m，孔口外露0.2 m～0.3 m，用于焊接法兰盘；
止浆墙前端应嵌入围岩不小于30 cm。注浆加固范围为开挖轮廓线外5 m，拱内2 m，注浆段长25 m，分2环实施，第一环长10 m，第二环长15 m，最后一个注浆段完成后，预留5 m不开挖，作为下一个注浆段的止浆岩盘。
2.2 注浆参数确定
注浆顺序按“由外到内、由上到下、间隔跳孔”的原则进行，以达到控域注浆加固的目的，注浆参数如表1所示。
表1 注浆设计参数Table 1 Grouting design parameters
2.3 注浆施工工艺及要点
1) 施工工艺
隧道进入软弱地层前应加强超前地质预报和超前探水工作，根据具体情况及时进行帷幕注浆作业。冲沟段帷幕注浆施工工艺流程见图4。
图4 注浆工艺流程Fig.4 Grouting process
2) 施工要点
采用前进式分段注浆工艺进行钻孔注浆施工，注浆分段长度10 m，即钻进10 m注浆1次，依次循环注浆。在止浆墙内预埋Φ108导向管，管长1.8 m，外露端焊接法兰盘，再用钻机开孔。通过孔口管钻设Φ89注浆孔，钻到10 m深时开始实施注浆作业，注浆结束后再钻10 m进行注浆，依次循环，直至结束该孔注浆。注浆施工要点如下：
(1) 注浆顺序按“由外到内、由上到下、间隔跳孔”的原则进行。
(2) 注浆过程中，注浆压力逐渐上升，注浆流量逐渐下降，当注浆压力达到2.5 MPa～4 MPa并稳压10 min后，即可结束单孔注浆。
(3) 设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象，即可结束该段注浆。
(4) 注浆过程中，如发生其他孔串浆，可关闭该串浆孔继续注浆，但若发生频繁时，应加大钻孔与在注浆孔的间隔或钻1孔注1孔，减少串浆现象。
(5) 注浆过程中，如跑、漏浆现象严重时，可通过间歇注浆技术或通过调整浆液配比缩短凝胶时间的方法进行封堵，但若无效时，可暂停该孔注浆，分析原因，采取其他措施。
(6) 若钻孔过程中遇到涌水、突泥，应立即停止钻孔进行注浆。
宋家凹隧道左线于6月29日至7月28日进行注浆施工，右线于6月29日至7月30日进行注浆施工。同时分别在左右线冲沟段沟底相应位置布置监测断面，对拱顶下沉和地表沉降变形进行分析，并结合监测曲线及开挖过程中掌子面、拱顶涌水突泥观测情况对宋家凹隧道穿越浅埋冲沟段帷幕注浆效果进行验证。
3.1 拱顶下沉和地表沉降
在洞内右线YK38+116、左线ZK38+105断面处布置拱顶下沉监测点，并在对应的地表处布置地表沉降变形监测点，按照《公路隧道施工技术规范》(JTG F60—2009)规定的监测频率进行数据量测，得到拱顶下沉和地表沉降曲线，见图5。
图5 拱顶下沉和地表沉降曲线Fig.5 Curves of vault settlement and surface settlement
由图5可知，右线YK38+116和左线ZK38+105断面处拱顶下沉变形规律、地表沉降变形规律一致，拱顶下沉在掌子面开挖后7 d内增加明显，7 d～10 d内拱顶下沉趋势变缓，10 d以后拱顶变形处于稳定状态，左线拱顶最大下沉值为8.3 mm，右线拱顶最大下沉值为6.8 mm。左右线穿越地表冲沟沟底地表沉降在开挖后7 d内增加明显，但整体增加趋势平缓，7 d后地表沉降处于稳定状态，最大值分别为1.0 mm、1.1 mm。由上述分析可知，帷幕注浆在左右线加固效果不同，但整体注浆效果良好，起到了加固岩体的目的。
3.2 注浆压力及注浆流量与注浆时间的关系
在帷幕注浆过程中，在左右线注浆孔中选定注浆效果检查孔，记录注浆过程中不同时间段的注浆压力和注浆流量，以便观察注浆压力、注浆流量在注浆过程中的变化特征，变化曲线见图6。
图6 注浆压力及注浆流量与注浆时间的关系Fig.6 Relationship of grouting pressure and grouting amount with time
由图6可知，注浆过程中随着时间的推进，注浆压力逐渐增大，注浆流量减小，注浆开始的40 min内，注浆压力从0 MPa增大到2.8 MPa、3.0 MPa，注浆流量从89 L、92 L减小为44 L、54 L，该过程为渗透注浆阶段；
之后的注浆过程，注浆压力基本保持不变，处于补充注浆阶段；
60 min以后，注浆压力趋势处于稳定状态，压力维持在3.3 MPa、3.6 MPa，注浆量下降，表明注浆处于饱和状态，稳压10 min后岩层不能再进浆，符合注浆结束标准。
在掌子面开挖过程中，掌子面岩体完整，浆液在岩体中扩散效果较好，浆脉纹路清晰、均匀分布、填充饱满，未发现渗漏水、突泥、坍塌现象，见图7。由图5～图7可知，帷幕注浆效果良好，起到了很好的围岩加固效果，确保了宋家凹隧道穿越浅埋冲沟段开挖施工安全顺利进行。
图7 注浆后掌子面开挖效果Fig.7 Effect of tunnel face excavation after grouting
1) 针对宋家凹隧道冲沟浅埋段围岩地质条件及可能存在的施工问题，制定了帷幕注浆施工方案，给出了具体注浆参数、施工工艺流程及施工要点。
2) 通过对注浆段施工过程中布设拱顶下沉、地表沉降监测断面，结合注浆压力及注浆流量与注浆时间的记录，综合分析相关数据，获得了拱顶下沉和地表沉降变化规律，注浆压力、注浆流量与注浆时间的关系曲线。其中注浆段拱顶最大下沉值为8.3 mm、地表沉降最大值为1.1 mm，注浆终压为3.3 MPa、3.6 MPa，围岩稳定，表明注浆效果良好。
3) 帷幕注浆施工后，掌子面开挖过程中未出现围岩渗漏水、突泥及坍塌情况，围岩变形在规范要求范围内，表明注浆效果较好。
4) 在浅山丘陵地区，公路隧道穿越浅埋且汇水冲沟段时，采用帷幕注浆技术能有效提升围岩自稳能力，且堵水效果良好，确保了隧道开挖支护的顺利实施。
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