随着国家在西南地区基础设施建设的增加, 大量的工程项目需穿越复杂地层, 堆积在坡脚的松散堆积体是较常见的复杂地质。松散堆积体是一种介于土石之间, 且力学性质不均匀、不连续的地质结构^[1], 地层是由不同粒径、不同空间分布的块石和充填其间的土体组成的混合体, 其工程特性与常规地层材料具有明显差异。在松散堆积体地层进行隧道施工易引起洞口坡体滑坡、掌子面坍塌、隧道基底不均匀沉降等问题, 风险极大。因此, 在松散堆积体地层隧道施工时, 采取合理的地层预加固措施十分必要。

目前, 国内外已有一些工程项目成功穿越松散堆积体地层, 学者针对松散堆积体地层的工程特点也提出相应工程措施。兰渝线的仓园隧道穿越泥石流堆积体地层, 颗粒组成为圆砾、千枚岩及细粒土, 地层含水量大, 结构松散, 受扰易塌落, 针对此地层董云等^[2]、朱正国等^[3]采用数值模拟手段, 分析隧道开挖稳定性, 提出在基底采用树根桩的地层加固措施。秦岭终南山隧道北端洞口穿越浅埋偏压地层, 地层由粒径不一的块石堆叠而成, 结构松散, 围岩稳定性差, 邓矿辉^[4]提出采用大管棚预注浆结合小导管注浆加固措施对穿越的地层进行处理。雅康高速公路的二郎山隧道右洞洞口段为山体崩塌形成的堆石体, 堆石体粒径大, 结构松散, 地层孔隙大, 隧道洞口开挖需采取预加固措施, 宋志荣^[5]提出采用锚喷网防护结合洞口修建仰斜式挡墙对堆石体进行支护, 并以管棚辅助隧道进洞。针对宜万铁路石院子隧道出现的掌子面坍塌, 马涛^[6]提出采用帷幕注浆结合超前小导管注浆的方式通过塌方段。扎绕隧道在DK376+415—DK376+722段通过沟谷, 围岩以片麻岩、卵石土及粉细砂组成, 结构松散, 冯爱^[7]提出采用锚喷支护处理边坡, 隧道基底设置旋喷桩等加固措施。针对工程面临松散堆积体地层, 主要采用锚喷注浆对边坡进行加固, 隧道洞口设置大管棚注浆辅助隧道进洞, 掌子面采用小导管注浆进行预支护, 基底可设置旋喷桩提高结构承载力。

综上所述, 针对隧道穿越堆积体所面临的隧道坍塌、围岩失稳等难题, 一般会选择控制加固围岩、隧道开挖进尺, 并采用台阶法分部开挖, 同时加强洞内外沉降、收敛等监测, 以安全通过堆积体围岩。其中, 向围岩中注浆可直接改变土体性质, 将不稳定的松散体变为稳定的结石体, 在隧道附近形成加固圈, 大大提高隧道开挖的安全性, 因此格外受到工程人员青睐。常用的注浆加固工艺包括大管棚注浆加固、超前小导管注浆加固或帷幕注浆加固等, 其中小导管注浆加固因其方便快捷而被广泛应用。但由于堆积体呈松散结构, 孔隙率较高, 采用传统的浆液注入地层范围不易控制, 且加固效果较差, 难以满足后续开挖需要。本文依托云南华坪—丽江高速公路罗打拉隧道, 提出适用于此地区堆积体地层的水泥膏状浆液, 并采用小导管注浆加固地层, 取得良好的应用效果, 以期为类似工程穿越松散堆积体工程提供技术参考。

华坪—丽江高速公路沿线部分山体长期受到风化作用, 表层岩体逐渐崩解, 并在重力、雨水冲刷等作用下被搬运至山脚, 从而形成所谓的松散堆积体。罗打拉隧道为华丽高速公路上一座分离式双洞隧道, 最大埋深250m, 全长2 800m, 在其丽江端洞口段约180m范围内穿越上述松散堆积体。该段属于V₂级围岩, 施工时采用三台阶预留核心土法开挖, 开挖手段以机械挖掘为主, 局部需对孤石进行钻爆破碎。

罗打拉隧道丽江端隧道左、右幅进口段属Ⅴ₂级围岩, 以稍密状碎石、硬塑黏土及强风化玄武岩为主, 节理裂隙发育, 隧道进口段围岩多呈碎石状松散堆积结构。隧道进出口段为土石松散堆积体, 围岩稳定性较差, 局部夹杂孤石, 开挖时不支护或支护措施不当可能发生塌落。根据隧道区的地质调查揭露结果表明, 拟建隧道区范围内地层主要为第四系泥石流堆积 (Q₄^sef) 、冲洪积层 (Q₄^al+p1) 、滑坡堆积体层 (Q₄^del) 、残坡积 (Q₄^el+dl) 及二迭系上统玄武岩组 (P₂β) 玄武岩。

在右幅丽江端进口段掌子面选取4个试验点采集100kg土石混合体材料, 用于室内筛分试验获得土石混合体级配曲线。根据各粒组质量, 进行土石混合体粒径级配分析, 计算得到试样的含石率、不均匀系数、曲率系数等, 试验结果如表1所示, 粒径分布曲线如图1所示。

由表1及粒度级配曲线可知, 所取断面的土石混合体粒径分布范围较大, 在0.1～100mm, 且分布不均匀, 粒径级配不均匀系数C_u分布在27～88.5, 曲率系数C_c分布在0.23～1.17。因此, 地层密实性较差, 孔隙率较大, 开挖易引起掌子面坍塌, 必须对地层采取注浆加固措施, 从而保证作业安全和施工进度。

松散堆积体地层中的土石混合体是介于岩石与土体之间的地质体, 由于地层中块石粒径差异较大, 地层孔隙率大, 使得堆积体地层注浆与一般的岩土体注浆存在较大差异, 主要体现在以下方面:堆积体地层中块石杂乱无章, 孔隙构成的裂隙较普通的砂层、砂砾层和普通岩层的孔隙和裂隙相比更加复杂, 浆液在地层扩散路径复杂;堆积体地层孔隙率大, 浆液易流失, 注浆范围难以控制, 在注浆过程中既要确保受注堆积体充填密实, 又要避免过多浆液流失到受注体外造成浪费;为保证隧道施工工序的顺利衔接, 注浆后能尽快形成具有一定强度的结石体, 时间宜≤2h, 保证掌子面开挖时不会发生垮塌, 但结石体强度不宜过高, 否则将不利于后续的开挖作业, 因此注浆结石体强度应适中。基于堆积体隧道注浆存在上述问题, 考虑施工现场的现状, 需选取合适的注浆材料和参数。

在松散堆积体地层, 采用超前小导管注入水泥浆液, 注浆量难以控制, 地层加固效果较差, 导致隧道掘进施工进度较慢, 掌子面易垮塌。因此, 需采取一种适用于松散堆积地层的新型注浆材料, 才能满足工程需求。考虑松散堆积体注浆的特殊性, 本文选取的注浆材料为水泥、水玻璃和高分子材料聚乙二醇。由水泥和添加剂配制的可控水泥膏浆具有下列优点:浆液黏度低、流动性好;浆液的稳定性好, 注浆过程中不发生离析;浆液凝胶时间在一定范围内通过调节浆液配合比可进行调整, 能达到控制浆液扩散距离的目的;浆液结石体抗压强度可通过调节浆液配合比在一定范围内调整, 浆液可在2h内产生强度, 早期强度高。因此, 针对松散堆积体地层超前小导管注浆, 可控水泥膏浆能满足工程要求。

采用超前小导管将浆液注入掌子面前方, 超前小导管注浆参数包括浆液配合比、注浆压力、单孔注浆量、注浆孔布设等。根据已有研究成果及现场工程经验, 采用如下注浆参数。

1) 浆液配合比注浆浆液为水泥膏状浆液, 水灰比为1∶1, 水泥为42.5R级普通硅酸盐水泥, 水玻璃的波美度为40～45°Bé, 水玻璃和高分子材料聚乙二醇的含量都为水泥含量的4%。浆液所用添加剂都是液体材料, 现场加水配制成相应浓度后备用。

2) 注浆压力由于松散堆积体地层孔隙率较大, 刚开始注浆时压力较难上升, 压力一般都较小, 根据现场注浆试验和相关注浆施工经验, 确定终止注浆压力取为1.5～2.0MPa。

3) 单孔注浆量确定注浆量=注浆范围×填充率, 其中填充率取5%, 计算得到单孔注浆量约为0.11m³。

采用隧道风动凿岩机进行注浆孔钻设, 孔位布置及现场钻设如图2所示。注浆孔布设为拱部环向各60°范围内进行布设, 环向间距0.3m, 共45个, 单孔深度为4.5m, 孔位仰角控制在5°～15°。现场发现堆积体地层中进行钻孔时, 容易遇到孤石, 钻进较困难, 钻进时可适当调整位置或加补超前小导管根数。现场采用42小导管, 管壁前段按梅花形布置孔径为8mm注浆孔, 纵向间距15cm, 小导管环向间距0.3m。

现场采用搅拌机进行浆液配制, 每次向搅拌机加入水泥150kg, 速凝剂A和高分子材料B现场加水配制成相应浓度后直接加入搅拌机, 搅拌5min存于储浆桶。由于松散堆积体地层孔隙率较大, 浆液浓度应进行调整先稀后浓, 从而使被加固地层获得较好的注浆效果。

注浆设备包括注浆泵、注浆管、空压机、流量计、储浆桶、封孔设备等。其中, 注浆泵的工作压力为2.5MPa, 注浆管为40 PVC胶管, 前端为无缝钢管, 插入小导管, 固定好封孔装置后, 检查注浆泵、管路及接头牢固程度, 开动注浆泵进行注浆, 注浆时需注意注浆压力变化, 若发现异常需及时处理。注浆时按跳孔注浆, 单孔停止条件为达到终浆压力 (1.5～2.0MPa) 或单孔注浆量 (0.11m³) 。

为验证本文所提出的注浆技术能更好地加固地层, 需合理评价其注浆效果。由于隧道处于松散堆积体地层中, 夹杂较多大体积堆积体, 难以通过钻孔取芯、测定岩样强度的方法评价效果, 故采用直接观测与结构变形监测相结合的方法, 评价新型浆材的地层加固效果。

注浆结束约3h后, 现场进行下一进尺开挖, 此时浆液已凝固, 可直接开挖注浆断面。开挖后的掌子面如图3所示, 从图中可明显看出浆液与岩体胶结后形成的浆脉, 以及浆液在孔隙中的胶结情况与扩散范围。这说明浆液已充填块石之间的空隙, 地层中的块石胶结良好, 形成结石体, 地层得到良好加固。开挖过程中掌子面具有稳定性, 未发生坍塌、石块掉落等现象, 可认为注浆加固效果完全满足开挖作业要求。

为进一步体现水泥膏浆对围岩的加固效果, 将采用上述注浆材料的断面作为注浆试验段, 现场每进尺2榀拱架进行1次注浆, 试验段长度共9.6m。在试验段中选取2个监控量测断面, 在监测断面的拱顶及两侧布置测点, 监测该断面的拱顶沉降, 作为注浆材料加固地层效果的评价指标, 拱顶沉降测点布置如图4所示, 监测断面里程为YK106+857.9, YK106+859.1。此外, 还选取采用普通水泥作为浆液的断面YK106+836.7作为对比断面, 通过对比采用不同浆材加固地层后支护结构的拱顶沉降, 评价新型注浆材料的加固效果。测试频率为:第1周每日1次, 第2周2日1次, 第3～4周每周2次, 测试周期为初支施作后至二衬施作前。

拱顶沉降测试结果如图5所示, 断面1表示对比断面YK106+836.7, 断面2为试验断面YK106+857.9, 断面3为试验断面YK106+859.1, 图中每个断面拱顶沉降值为该断面3个测点的平均值。由图5可知, 采用水泥浆液注浆的断面1拱顶最大沉降为51.2mm, 在开挖18d后沉降趋于稳定;断面2拱顶最大沉降34.8mm, 在掌子面开挖14d后沉降趋于稳定;断面3拱顶最大沉降为37.8mm, 在掌子面开挖14d后沉降趋于稳定。采用水泥膏浆加固后的断面, 开挖后初支的拱顶沉降值均小于正常施工状态下的拱顶沉降控制值50mm, 而采用水泥浆液加固的断面则不能满足正常施工需求。因此, 采用水泥膏状浆液能更有效地加固地层, 开挖时其拱顶沉降较小, 且快速达到稳定, 加固效果相对较好。

1) 华丽高速公路罗打拉隧道洞口松散堆积体地层粒径分布范围较大、均匀性较差, 因此地层密实性较差、孔隙率较大, 开挖易引起掌子面坍塌, 提出采用超前小导管注入水泥膏状浆液的地层预加固方案。

2) 适用于松散地层注浆的水泥膏状浆液, 采用42.5R级普通硅酸盐水泥、速凝剂和高分子材料配制而成, 其中水灰比为1∶1, 速凝剂的波美度为40～45°Bé, 且速凝剂和高分子材料含量分别占水泥量的4%。在拱部左、右各60°范围内打设小导管, 并注入水泥膏状浆液, 当注浆压力达到1.5～2.0MPa或单孔注浆量达到0.11m³时, 即可取得理想的加固效果。

3) 采用水泥膏状浆液加固松散堆积体地层, 浆液能有效充填块石之间的空隙, 地层中的块石胶结良好, 形成结石体, 地层得到良好加固。监测结果显示, 相对于水泥浆注浆断面, 采用水泥膏状浆液注浆的断面拱顶沉降较小, 且小于正常施工时的拱顶沉降设计控制值, 并能快速达到稳定。

4) 隧道在松散堆积体中施工时, 面临掌子面坍塌、沉降过大等风险, 采用本文所提供的超前小导管注浆技术, 仅是保证安全施工的措施之一。