中铁三局运输工程分公司 山西晋中 030600
摘要：关西隧道（Guanxi Tunnel）是新建赣深客专四标最复杂的长大隧道，隧道洞身大部分位于强风化凝灰质砂岩地层中，围岩软弱，自稳能力差，地下水主要为基岩裂隙水，一般不发育，局部较发育。该隧道针对不良地质情况下，掌子面围岩软弱破碎，开挖困难，施工难度大等特点，总结应用了地表袖阀管注浆施工工艺并结合掌子面采用三台阶预留核心土发开挖施工，加固效果达到了预期效果，开挖过程中检测结果无明显突变，进度指标可控，施工安全，因此，该注浆技术为类似工程可供借鉴。
关键词：软弱围岩；地表注浆；预留核心土
关西隧道为赣深客专四标最复杂的长大隧道，位于赣州市龙南市境内，全场4843m，隧道位于地表水发育地段，地表水具有山区季节性河流特征，地下水类型为基岩裂隙水，按其赋存空间及区内地层岩性及构造可分：松散岩层孔隙水、风化裂隙水、构造裂隙水及岩溶水，隧道长期处于富水地区；隧道洞身大部分处于强～弱风化凝灰质砂岩地层中。综合以上因素，给隧道开挖带来了极大的不利，对施工方法提出了巨大的挑战。
一、注浆目的
关西隧道2#斜井正洞～出口段开挖过程中，局部有渗流水现象，开挖支护后由于岩体稳定性差，岩体自然剥落，初支变形侵限，并有小规模溜塌等工程问题，导致隧道开挖进度受限，安全风险增加。根据地质状况及工程现状采用DDD工法，通过地表超前预注浆加固方式对关西隧道2号斜井DK110+910～DK110+940段进行注浆加固，其主要目的：
1.1对隧道开挖面上台阶及开挖轮廓线外一定范围进行充填加固，减少地下水对开挖面及周边一定范围地层的软化。
1.2封闭风化岩裂隙，封闭地下水通道，减少水对围岩软化，并通过劈裂、挤密土体降低地层含水率，提高地层稳定性，确保隧道开挖安全和开挖进度。通过注浆加固，对周边土体力学性能改善，控制隧道结构变形。
二、注浆方案
2.1注浆范围及布置
2.1.1为保证注浆质量和开挖安全，对隧道埋深地表加固宽度左右侧至轮廓线外5m；加固深度：隧道中部由拱顶以上8.0m加固至拱顶以上4.5m；两侧底部加固至墙脚底下1.0m。
2.1.2注浆孔浆液扩散半径1.5-2.0m，按间距2.0m×2.0m梅花型布置。
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图1 注浆孔平面布置图
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图2 袖阀管注浆横断面图
2.2注浆工艺及方式
2.2.1钻孔
采用全站仪、钢尺等工具按设计要求定出注浆孔孔位，然后采用地质钻机按标出的孔位垂直于地面进行钻孔，钻孔孔位水平偏差≤5cm，钻孔垂直度误差≤1/150。
2.2.2安装袖阀管、注套壳料
钻孔完成后先退钻杆，分节下放外径60mm无缝钢管至孔底，注浆段采用设有溢浆孔的袖阀管，非注浆段下入无孔袖阀管，管节采用Φ73mm外套管插管满焊连接。在管壁与孔壁间注入套壳料。
2.2.3注浆
单孔注浆采取后退式分段注浆工艺，即在注浆段内由孔底进行注浆，分段步距1m，注完第一注浆段后，后退注浆芯管，进行第二注浆段的注浆，以此循环，直至完成注浆段注浆。注浆过程中应做好详细的注浆记录，确保注浆施工效果。
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图3地表袖阀管分段注浆流程图
2.3注浆加固参数
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表1 地表袖阀管注浆设计参数表
2.4注浆材料及参数
套壳料采用膨润土-水泥浆，水：水泥：膨润土=1.6：1：0.5；
注浆材料周边注浆孔以普通水泥-水玻璃双液浆为主形成止浆帷幕，中间孔以早强硫铝酸盐水泥单液浆为主（或掺HPC注浆外加剂普通水泥浆）；浆液配比，单液浆配比：W：C=0.6：1～0.8：1，HPC注浆外加剂掺量15～20%，普通水泥-水玻璃双液浆配比：W：C=（0.8～1）：1，C：S=1：1，普通水泥采用P.0 42.5硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥标号42.5。如表3所示。
原材料：
袖阀管采用Φ60×3.5mm无缝钢管、Φ70×3.5mm无缝钢管；
硫铝酸盐水泥：快硬早强，标号42.5；
普通硅酸盐水泥：P.O42.5；
水玻璃：浓度：40Be’（运至现场可调），模数：2.4～2.8。
所使用材料必须合格、保质、新鲜。
表2 浆液配比参数表
2.5注浆顺序
加固顺序为分区段，先周边后中间，由外向内，间隔跳孔
2.6注浆结束标准
2.6.1单孔单段注浆结束标准
a.注浆压力达到设计注浆终压，并维持10min以上；
b.注浆结束时的进浆量在5L/min以下；
c.如单孔（或每段）压力达不到设计终压，但注浆量达到设计注浆量。
2.6.2单孔注浆结束标准
单孔每个注浆段均达到单孔单段注浆结束标准。
2.6.3全段结束标准
所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注现象。
三、注浆效果检查评定
地表注浆效果评定采用钻孔、掌子面开挖面验证分析法综合评定，包括注浆量分析、注浆P-Q-t曲线分析。
3.1注浆量分析
注浆结束后，根据过程数据对注浆效果进行分析，DK110+910~DK110+940段注浆孔均达到设计注浆压力，均按设计工艺要求施工完成。
图5 单孔注浆量随时间变化图
（1）由注浆量分布图可看出，外圈孔注浆量偏大，中间孔注浆量偏小，表明通过由外向内的注浆过程中，先对加固范围周边进行注浆区域控制，中间孔注浆时，浆液仅在加固区域内部扩散、挤密，实现了控域注浆。
（2）由单孔注浆量随时间变化图可看出，先序孔注浆量偏大，后序孔注浆量偏小，表明随着注浆工作的进行，地层已被逐渐加固密实，随着注浆工作的进行，注浆压力逐渐上升至设计压力，结束注浆，地层已被加固密实。
（3）单孔延米注浆量计算：
对于单孔单段注浆量采用下式进行计算：
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式中：Q为单孔单段注浆量（m3）；R为浆液扩散半径（m）；H为注浆分段长度（m）；n为地层孔隙率（裂隙度）；α为地层空隙或裂隙填充率；β为浆液损失率。
地表注浆设计单孔/米注浆量为：
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DK110+910~+940段地表注浆总注浆量3957m³，平均隧道延米注浆量131.9m³，平均单孔延米注浆量1.3m³/m。
实际单孔延米注浆量与设计单孔延米注浆量相符，符合设计要求。
3.2浆液填充率分析
（1）浆液填充率计算。注浆段需加固体积15075m³，设计地层孔隙率12%，根据其他类似地层施工经验，地层孔隙率取值一般为15~45%（[铁路岩溶隧道设计规范T/CRS C0801-2018]，5.5.10），实际注浆过程中注浆量达到设计量后注浆压力未达到设计值的注浆孔，继续注浆至1.5倍注浆量后，调节浆液凝胶时间，使注浆压力达到设计值，停止注浆。
（2）本次地表注浆加固取其孔隙率值14%，据此计算浆液填充率为：
3957÷2÷（15075×14％）=93％
浆液充填率高于80%，达到设计方案要求，满足注浆加固目的，可以满足开挖要求。（[城市轨道交通工程注浆技术规程DB11/1444-2017]，10.2.2条）。
通过发散-约束型注浆，注浆孔均达到设计注浆压力，地层空隙已被有效填充，并形成劈裂注浆，进一步提升了地层的承载力，达到设计注浆目的。
3.3典型注浆P-Q-t曲线分析
通过DK110+910~DK110+940段注浆施工过程，对典型注浆孔注浆压力和注浆量随时间变化绘制P-Q-t曲线见下图。
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图6 注浆P-q-t曲线（无水段）
上图为DK110+910~DK110+918段地表注浆施工过程表现出来的P-Q-t曲线。该段注浆孔注浆过程中，因地层较密实孔隙率较大，注浆时压力上升较慢，随着注浆的进行，地层逐渐密实，地层吸浆能力较大，当地层被挤压到一定密实度后，压力上升注浆流量下降形成劈裂效果对地层进一步挤密，劈开后压力下降注浆流量上升，地层空隙被填充完成后，注浆流量随注浆压力上升迅速减小，注浆压力达到设计值结束注浆。
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图7 注浆P-q-t曲线（有水段）
上图为DK110+918~DK110+940段地表注浆施工过程表现出来的P-Q-t曲线。该段地层较为密实，压缩空间较小吸浆能力较DK110+910~DK110+918段较小，注浆过程中压力上升较快，对地层形成劈裂挤密，表现为注浆压力短时间内压力上升、下降、上升，注浆流量下降、上升、下降，最终注浆压力上升至5MPa后趋于稳定，结束注浆。
通过上述注浆P-Q-t曲线变化情况得出，随着注浆工作的进行，地层由填充密实至反复劈裂挤密，压力上升过程逐渐缩短，地层无继续压缩空间，注浆效果达到要求。
四、注浆效果评定意见及结论
4.1综合效果评定意见
4.1.1单孔延米注浆量变化数值符合地层填充挤密规律，注浆P-Q-t曲线变化规律符合地层加固机理。表明注浆符合注浆加固堵水评定要求，本次地表注浆效果达到了注浆加固的要求。
4.1.2依据注浆效果分析表明可以进行DK110+910~DK110+940里程的隧道开挖。
4.2结论
本次注浆施工严格按照设计注浆方案进行施工，通过分析法对注浆效果进行分析评定，综合注浆效果评定方法分析，可以得出以下结论：
4.2.1注浆量区域分布及单延米注浆量变化符合地层填充挤密规律，注浆孔均能达到设计注浆压力的3~5MPa，终孔流量均小于5L/min，地层得到有效加固，达到了注浆加固的目的，满足开挖施工要求。
4.2.2注浆P-Q-t曲线规律符合地层加固机理，满足开挖需求。
4.2.3依据注浆效果分析可以进行DK110+910~DK110+940里程的隧道开挖。
五、开挖建议
建议采用预留核心土三台阶法（必要时增设临时仰拱）进行开挖施工，并采取机械配合人工开挖（非爆破开挖），对于开挖提出建议如下：
（1）隧道开挖按“管超前、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则施工，充分发挥围岩和支护的共同作用；
（2）开挖范围内的袖阀管，用气割割断，严禁使用破碎锤锤断、严禁使用挖机拔弯，以免扰动拱顶地层，造成拱顶掉块；
（3）隧道开挖上台阶每次不应超过2榀，必要时施做临时仰拱；
（4）中台阶开挖不应超过2榀，采取大锁脚锚管控制变形；
（5）下台阶开挖不应超过2榀，并及时施做仰拱，尽早封闭成环；
（6）开挖过程中拱脚采用混凝土块或者钢板垫块，并及时清除拱脚积水，防止水浸泡拱脚造成拱脚软化。
（7）开挖后及时施做初支背后回填注浆，控制初支变形；
（8）施工过程中应时时监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全和质量。