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公路隧道软弱围岩大变形段注浆加固施工方法探究

日期：2016-8-17 14:51:40　来源：转载　浏览数：
　

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    随着公路建设的高速发展，对交通运输的便利程度要求越来越高，隧道呈现数量多、长大隧道多、风险隧道多的三多现象。其中软弱围岩隧道占有相当大的比例。如何提高软岩隧道施工水平，预防大变形、塌方，是摆在隧道施工者面前的一大难题。作者通过在采古隧道施工过程中得出的一些经验，阐述隧道在穿越浅埋偏压带和断层带，岩层破碎，稳定性差，围岩产生大变形等段落时，在传统注浆加固围岩的基础上，可以对围岩的特点进行详细分析，通过围岩松动圈确定和监控量测回归分析，制定有针对性的分阶段隔跳法进行注浆，使浆液最大程度注满岩体裂隙，形成一高强度的“承载拱”，限制围岩变形。通过分阶段注浆围岩加固技术，不仅有效控制了围岩的变形问题，而且有效地解决了上台阶施工与注浆作业间的干扰的问题，从隧道施工的安全、质量、进度和经济等各方面衡量，此方法不失为众多软岩隧道围岩加固方法中的一种较有效的施工方法。
    1· 隧道围岩变形力学分析
    隧道开挖破坏了岩体原有的平衡状态，引起应力重分布，使围岩产生变形。当重分布应力达到或超过了围岩的强度极限时，除弹性变形外还将产生较大的塑性变形，如果不及时阻止围岩变形的发展，将导致围岩破裂，甚至失稳破坏。隧道开挖使隧道围岩形成松动圈，其影响范围在特定的围岩条件下具有可确定性，是有规律可寻的，这使我们准确认识围岩变形成为可能，为采取合理的施工方案提供条件。围岩破坏力学模型如图1 所示，将围岩划分为松动圈和弹性区两部分，在两个区域的分界面，围岩应力达到峰值，处于弹、塑性状态，模型属于轴对称平面应变问题。围岩变形力学模型的建立，为分析围岩变形特性，确定松动圈大小提供条件。能准确的确定开挖后任一时刻松动圈的大小，这使我们注浆范围的半径更合理，注浆效果更有效。

    2· 隧道围岩注浆加固半径确定
    基于以上围岩破坏力学模型，把围岩松动的体积通过与可量测的隧道净空变化体积建立等式关系，计算出开挖后任一时刻围岩松动圈的范围，从而根据松动圈范围确定注浆加固范围，具体计算原理如下。
    任一时刻隧道半径和松动圈半径为关于距隧道开挖后经历的时间t 的函数，开挖初隧道半径为r0( t) ，围岩松动圈半径为rs( t) 。经过时间dt 以后，隧道半径为r0( t) + r’0( t) dt，松动圈半径为rs( t) + r’s( t) dt。在时间dt 内，单位轴向长度隧道空间体积改变量为:
    dv1 = 2π·r0( t) ·r’0( t) dt ( 1)
    单位轴向长度围岩松动体积为:
    dv2 = 2π·k·rs( t) ·r’s( t) dt ( 2)
    式中: k 为围岩扩容系数。
    dv1主要是由松动圈的扩张引起的，在时间dt内，由于弹性区弹性变形引起的隧道净空变化很小，可以忽略不计，因此有:
    dv1 + dv2 = 0， ( 3)
    将式( 1) 、( 2) 带入式( 3) 得:
    r0( t) ·r’0( t) + k·rs( t) ·r’s( t) = 0 ( 4)
    式( 4) 定量地描述了隧道收敛变形规律与围岩松动圈扩展规律之间的内在联系。隧道净空半径变化量在任一时刻t 是可以准确测量的，根据等式就可计算出围岩松动半径rs( t) ，再根据围岩松动半径确定我们需加固的围岩范围，即需注浆加固的围岩半径。
    3· 分阶段注浆时间确定
    监控量测数据是确定分阶段注浆时间的重要依据，开挖初期容许围岩产生一定量变形，使围岩内部出现裂隙，这有利于进行围岩注浆。因为像泥岩、炭质页岩等软岩岩体都比较密实，孔隙率小，如不让其内部产生一定的裂隙是很难将浆液注入岩体内的。在实际施工中，要通过监控量测，根据围岩变形数据，推断裂隙产生情况，确定注浆的最佳时机。下面以采古隧道K56 +970 大变形监测断面为例，介绍注浆时间的确定。
    根据监控量测数据，隧道开挖初期，围岩每天变形约5cm，4 天后围岩累计变形达到20cm，围岩空隙率增大，内部产生裂隙，在此时进行第一阶段注浆，效果较好。而且根据施工速度一阶段注浆时与注浆断面距施工断面约6 ～ 8m，两工作面相互影响较小，可以进行平行作业。当一阶段注浆完成变形后，从监控量测数据可见，围岩变形速率明显降低，但围岩仍然未完全趋于稳定，原因是通过第一阶段注浆，浆液未充分渗入岩体，相邻两个浆液面之间还有相当距离，还能产生裂隙，导致围岩进一步变形。当累积变形量达25cm ～ 30cm 时，相邻两个浆液面之间产生大量裂隙，在此时进行注浆，浆液将充分分布于整个岩体，注浆完成后围岩变形趋于稳定。
    4· 分阶段隔跳法注浆工艺
    4. 1 小导管加工
    采用Ф42 × 4mm 无缝钢管，加工端头呈锥形，长度不小于计算所得的注浆半径，采古隧道在注浆时采用5m 长的小导管，端部1m 以下梅花形打孔，孔间距15cm。端部安装止浆阀为宜。
    4. 2 打孔送管
    通过监控量测数据分析，进行小导管打孔施工，一阶段纵向间距为0. 5m 环向间距1. 0m，严格控制孔深及角度，钻孔深度大于导管深度10 ～ 15cm，清孔完成后及时送管，送管过程防止出现塌孔缩孔等现象。当一阶段注浆完成后监控量测显示，围岩变形速率明显减小，但未完全趋于稳定，围岩累积变形量达到18cm ～ 20cm 时，进行二阶段打孔，孔间距纵向0. 5m，环向0. 5m。
    4. 3 注浆参数
    水泥浆采用的1∶ 1 ～1∶ 0. 8 水灰比，水玻璃掺量为水泥用量的5% ( 质量) ，水玻璃深度35 玻美度，模数2. 4。注浆压力控制在0. 5 ～3. 0MPa。注浆时采用分阶段隔跳注浆，如图2 所示，环向先单号孔注浆，再双号孔注浆，纵向隔跳注浆。同时为确保注浆质量每孔进行多次注浆，注浆压力逐次增大，每孔反复注浆次数不小于4 ～5 次，每间隔3min ～4min 进行一次注浆。

    4. 4 封口安装止浆阀
    送管完成后进行封口作业，封口时采用锚固剂填塞捣鼓密实，防止注浆时由于浆液压力过大，浆液从封口处喷出，影响注浆质量，封口完成后导管尾部焊对丝连接接止浆阀，止浆阀注浆前应关闭，防止浆液串流从管口流出。
    5 ·分阶段隔跳法注浆技术总结
    通过对分阶段隔跳法注浆的采古隧道K56 + 970 断面进行量测发现，较以前传统注浆方案相比变形量减小15 ～20cm，且二衬施做前围岩变形已趋于稳定，进行分阶段注浆，注浆更充分，效果更明显，在实际应用中为提高注浆效果，还要注意以下几个方面的问题。
    ( 1) 松动圈半径的确定是采用分阶段注桨的基础，计算松动圈半径过程一定要准确，根据计算所得半径确定注浆加固半径，小导管长度应大于注浆半径50 cm，以保证所有松动岩体得到加固，确保注浆充分、高效;
    ( 2) 监控量测数据是注浆时机选择的依据，所以采取本方案施工时，要严格制定监控量测方案，根据具体情况确定量测频率和量测方法，防止由于量测不及时或量测数据不准确而耽误最佳注浆时机;
    ( 3) 浆液水灰比的控制也是分阶段注浆的成功与否的关键。由于炭质页岩具有遇水膨胀的特性，所以如果水灰比过大，浆液中的自由水也就增多，注浆控制变形的效果也就适得其反，水灰比太小，浆液不易在围岩中扩散，加固围岩的效果也会大大降低;
    ( 4) 采用分阶段隔跳法注浆的关键环节是注浆半径的确定和注浆时机的把握，其中第一阶段注浆时机的选择尤为重要，太早注浆效果不好，太迟有可能会由于过大变形而导致衬砌侵限，所以第一阶段注浆前监控量测频率应适当增大，杜绝人为随意减小注浆频率。