谭兵
中铁二局第四工程有限公司 邮编：610031
摘 要 西北地区的黄土地质分布较广泛，在个别沟谷、坡脚平台等浅埋段，隧道洞身正好位于砂质黄土与黏质黄土的分界面，洞身地层富水和夹砂层透镜体，土体含水率高，土体软弱变形量大甚至发生涌砂突泥，隧道施工具有较大难度，安全风险等级高。本文通过宝兰客专上庄隧道过富水黄土地层段采用超前大管棚、帷幕注浆等加固技术的效果分析，论证了高含水率段落采用帷幕注浆加固确保开挖安全的必要性和可行性，同时本文就富水黄土隧道帷幕注浆钻孔、压浆、效果评定等进行了总结，对注浆工艺难点及采取的对策进行了阐述，对操作注意事项进行了介绍，对类似地下工程施工具有一定参考和借鉴意义。
关键词 富水黄土隧道 加固预防 施工技术
1[] 工程简介
宝兰客专上庄隧道位于甘肃省兰州市榆中县甘草店镇，全长4064m，单洞双线，洞身纵坡为4‰及3‰的单面下坡。洞身通过主要地层为第四系上更新统冲积砂质黄土（Q3al3）、中更新统风积黏质黄土（Q2eol3）和第三系上新统泥岩（N2MS）。隧道拱顶最大埋深203m，最小埋深19m，洞身于DK980+430、DK982+095处两次浅埋下穿黄土冲沟，拱顶埋深均为34m。隧道Ⅴ级围岩长1574m，占总长的39%，Ⅳ级围岩长2490m，占总长的61%。隧道采用进出口双口掘进，洞身于DK980+700处设一长370m的1号斜井辅助施工。后因隧道地质变化，增设2#、3#斜井辅助施工。
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图1 宝兰客专上庄隧道地质断面图
隧道区内地下水主要为黄土孔隙裂隙水，赋存于第四系砂质黄土的孔隙裂隙中，地下水接收大气降水的季节性补给。沟谷内汇水条件较好，雨水多以面流形式沿地面顺斜坡汇聚于冲沟内形成地表径流，地表水沿砂质黄土孔隙裂缝下渗补给深部地下水。
2[] 上庄隧道出现的主要不良地质情况
（1）1#斜井80m洞身通过29～31.2%高含水率浅埋黄土地层
1#斜井井身于2013年7月中旬施工至XK2+42时，掌子面揭示上台阶第四系上更新统冲积砂质黄土，下台阶中更新统风积黏质黄土，掌子面渗水，水量约60m3/d，土体呈软塑-流塑状，无自稳能力（见图二）。根据现场检测，土体含水率29～31.2%，基底承载力为46～89kPa。开挖过程中，掌子面核心土及环状土整体出现溜坍。
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图2 1#斜井XK2+42掌子面突泥、涌水失稳
（2）出口端450m洞身土体含水率高达32.1%
2014年1月初，掌子面开挖至DK983+054，掌子面围岩为Q2黏质黄土，开挖揭示拱顶位于Q3砂质黄土、Q2黏质黄土接触带，埋深35～40m，含水率25～28.5%，掌子面土体开挖10～25min后，表面即出现渗水，自稳性差，掌子面土体向外溜坍，实测土体含水率为25.9%，拱部土样取样实测含水率高达32.1%。
在DK983+034～DK982+941段地表布设了5个钻孔，根据钻探结果，出口端洞身范围内黏质黄土含水率在23～31％，土体含水率大，呈软塑～流塑状。
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图3 隧道出口DK983+054掌子面高
含水率黄土呈饱和状
（3）正洞1580m洞身上半断面穿过黄土与泥岩交界面富水砂层带
1#斜井兰州端2014年6月4日开挖至掌子面里程DK980+970，掌子面拱顶上部Q2的中～粗砂层在土石界面部位发生溜坍，溜坍高度为2.4～3.1m。坍体物以中粗砂为主，出水量约100m3/d。为了探明砂层分布情况，对地表补勘7个钻孔，根据钻探结果并结合掌子面揭示情况分析：DK980+970～DK982+550段洞身为黄土与砂层互层，砂层含水，多为粉细砂夹中粗砂，分布无规律，砂层固结差，隧道开挖极易出现坍塌和大变形，进度、安全风险的压力大。
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图4 掌子面DK980+970拱部砂层坍塌、
拱顶夹层中的砂砾土
3 上庄隧道黄土地层富水段常用技术简介
3.1高含水率黄土地层加固技术
上庄隧道勘探和补勘显示洞身穿越Q3砂质黄土与Q2黏质黄土分界处、洞身穿越土石界面地段，黄土含水率大，承载力低，易导致沉降大变形，甚至掌子面失稳滑塌。针对不同含水率地层采取以下措施：
（1）当土体含水率<25%时，土体呈硬塑-软塑状，采取加强初期支护，加强锁脚、加大拱脚和增设临时仰拱等辅助支护措施，加快仰拱施工快速封闭成环，有效控制了隧道持续大变形。
出口端DK983+280～+260土体含水率为22.3%～24.0%，呈硬塑-软塑状，初支最大沉降速率31.8mm/d，最大累计沉降值311.4mm，出现红色预警，通过上述措施，将最大沉降值控制到200mm内。
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图5 DK983+280～+260段加强锁脚、纵向连接
和增设大拱脚
（2）当25%<土体含水率<28%时，土体呈软塑状，掌子面具有一定的自稳能力，将原设计三台阶法调整为CRD法施工，并加强初期支护和辅助支护措施控制围岩产生持续沉降大变形。
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图6 DK984+180～+200 CRD工法施工
隧道出口端土体含水率27.0%～28%地段，呈软塑状，初支最大沉降速率37mm/d，最大累计沉降值338.2mm，出现红色预警，通过采取上述措施，并对隧道底部采取钢管桩加固措施，将最大累计沉降值减小到258mm，承载力由140Kpa提高到280Kpa（复合承载力），效果显著。
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图7 仰拱基底钢管桩施工
（3）当土体含水率>28%时，土体呈饱和状态，流塑状，掌子面无法自稳，采用全断面或半断面帷幕注浆超前预加固，加强超前支护和辅助支护措施稳定掌子面，有效控制了较大持续沉降变形。
隧道出口端DK983+054～+064段土体含水率30.0%～32.1%，呈饱和流塑状，掌子面无法自稳；采用帷幕注浆后，围岩自稳能力得到极大提高，注浆后围岩挤密、固结效果明显。
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注浆前后围对比岩照片
3.2 富水砂砾层地段加固技术
上庄隧道洞身穿越冲积黏质黄土和泥岩界面处的饱水砂砾层，土石界面附近饱水，开挖易掉落或坍塌，局部地段出现股状水；根据开挖揭示地质和监测数据，调整围岩级别和优化支护参数，并根据砂层厚度、富水情况以及与隧道位置关系，采取超前预注浆加固技术措施。
（1）砂层位于拱顶且厚度小于3m，或位于中、下台阶，水量较小时，围岩尚能自稳但易塌落时，对砂层范围设置密排φ42超前小导管预注浆加固，初支完成后径向注浆加固周边地层。
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图10 密排φ42超前小导管与初支背后
径向注浆加固
（2）砂层位于拱顶上部，厚度大于3m，水量较小，掌子面能够自稳但拱部易坍塌，拱部采用φ89中管棚+φ42密排小导管预注浆加固。
上庄隧道1#斜井兰州端DK981+050砂层位于拱部，厚约3.5m，砂层出水量约25m3/d；采用φ89中管棚+φ42密排小导管后，有效控制了拱部坍塌。
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图11 拱部中管棚+超前小导管
（3）砂层厚度大、地下水较大，围岩无法自稳，易产生流沙、涌泥时，掌子面采用局部（或半断面）超前帷幕注浆加固，采用帷幕注浆加固（双液浆）。
上庄隧道1#斜井兰州端DK981+127.8段拱顶和上台阶黏质黄土夹多层细砂，细砂单层厚度0.2～0.4m，细砂层总厚约3.5m，出水量约60m3/d；围岩无自稳能力，易流沙、涌泥。采用拱部超前帷幕注浆加固后，为开挖提供条件，最大沉降量由1.2m控制到0.6m以内。
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图13 注浆加固后浆脉情况
4 帷幕注浆施工技术
4.1 注浆材料的选择及浆液配比
（1）原材料质量
浆液是由水泥、水玻璃、速凝剂或缓凝剂。和水组成。水泥一般选择P.O42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃选择工业水玻璃，水玻璃模数为2.6～2.8，波美度35～40Be’，水为无污染的地下水。
（2）水泥-水玻璃双液浆比例
采用C-S双液浆，在同时满足强度、工作性、耐久性和经济性四项基本要求的前提下，还考虑水玻璃浓度、水泥浆水灰比、C-S液的体积比、胶凝时间。由于注浆区地下裂隙发育，吸浆量大，浆液凝结时间要求较短，但胶凝时间过短易导致堵管，故胶凝时间必须适中。配制如下两种配比的浆液：
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4.2 钻孔方法
（1）不跟管钻进
前进式注浆采用不跟管钻进，钻孔2.5m深度后，设置φ127mm孔口管，外露20～30cm，作为钻孔导向管。钢管外壁缠麻丝，用早强速凝锚固剂固定在钻孔中，安装牢固，角度与设计钻孔角度一致。
（2）跟管钻进
当土体软弱，含水率高，钻孔时常发生塌孔，钻孔过程中采用边钻孔边下套管的办法进行钻注施工，套管孔径为φ127mm，同时更换钻机钻头为冲击（直径为110mm）偏心器，偏心器外安装套管，钻孔时偏心器不断冲击岩石，由于偏心器的作用，钻孔孔径略为大于导管直径，从而致使套管自动下降。
本项目采用钻杆钻进利用钻头注浆，注浆完成后通过钻机高频率震动退回钻杆，再继续钻孔和注浆。
（3）注浆压力
注浆容许压力公式: p=p0+m1m2D（p0为容许注浆压力初值,m1为注浆方法系数,m2为注浆次序系数,D为注浆段埋深）。深孔注浆的压力一般在4～8MPa之间，综合考虑隧道的埋深、布孔方式止浆墙厚度及后方初支强度进行计算确定。确定帷幕注浆压力在4.0～6.0MPa之间，施工中应根据实际情况调整注浆压力，确保浆液扩散半径不小于2.5m。
（4）扩散半径
计算注浆扩散半径的公式方法较多，而各适用条件不同，采用不同的方法对注浆扩散半径进行计算，以求得合理的注浆扩散半径R。
通过理论计算与工程类比法，确定帷幕注浆扩散半径为1.5～3m。
4.3 注浆施工
（1）注浆方式
①后退式注浆
当钻孔能较好成孔，孔壁较规则，为避免重复钻孔工作，一次性钻至设计孔底，然后由后到前分段式注浆，每段长度5～8m，在分段位置安设止浆塞，该长度范围注浆完成后，待合适时间提出止浆塞固定到下一个8m位置，再实施注浆，直至止浆墙位置。
②前进式注浆
当钻孔易坍孔或水量极大，孔壁严重不规则，止浆塞不能安装，坍孔处理也十分费工费力，在这种情况下，采用从前到后分段前进式注浆，分段长度5～8m。先钻注5～8m，然后再钻注下个8m，如此循环至设计深度。
上庄隧道由于黄土高含水率土体软弱容易坍孔，均采用前进式分段注浆。
（2）注浆顺序
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，加结的目的。
（3）钻孔注浆工艺
①先用钻机开孔深1.2m，直径Φ135mm的钻孔，安设固结1.2m长Φ127mm孔口管。
②通过孔口管钻设Φ115mm注浆孔，钻到10m深时开始实施注浆作业。
③采取前进式分段注浆工艺与深孔后退式注浆工艺相结合的方式，注浆分段长度5～10m。即钻进5～10m，注浆一次，注浆结束后再钻5～10m进行注浆，依次循环，直至结束该孔注浆。钻孔至设计深度后，之后再进行注浆。
前进式注浆主要运用在钻孔施工中，地层易坍塌，成孔较困难的情况下，通过由外向内注浆逐步改良地层，确保成孔率。
后退式注浆主要运用在钻孔施工中，地层不易坍塌，可一次性成孔。
④若钻孔过程中遇到突水、涌泥，则应立即停止钻孔进行注浆。
（4）注浆结束标准
①单孔注浆结束标准
注浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐下降，当注浆压力达到4～6MPa并稳压10min后，且注浆量大于设计量，即可结束该孔注浆。
②全段结束标准
a.设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象。
b.按总注浆孔的5%设计检查孔，检查孔满足设计要求。
（5）注浆质量检测方法与标准
黄土地层注浆效果评定采用分析法，包括注浆量分析、注浆P-Q-T曲线分析；检查孔法，包括成孔状态、取芯芯样检查。
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A12孔0-8m P-Q曲线 A1孔0-8m P-T曲线
图15 注浆P-Q-T曲线图
③钻孔检查法
检查孔法是根据检查孔成孔状态，芯样情况，含水率情况以及钻进速度等因素进行分析，在取芯钻机进度较慢的情况下采用高压风钻钻孔取砟样检查。主要检查砟样中水泥浆充填情况、砟样含水率变化等。
4.4 钻孔注浆过程中的问题及处理方法
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5 体会
（1）帷幕注浆在高含水率黄土地层加固效果很好；在黄土夹富水砂层段由于砂层晶体孔隙小，注浆充填效果差，加固效果不理想，通过水玻璃改性、超细水泥等能够改善注浆效果，再通过加密注
浆能满足设计要求；在全砂层段要慎用。
（2）采用KR909-1多功能大型钻机具有液压自震功能，注浆采用前进式分段注浆利用钻杆作注浆导管，注浆完成后震动钻杆继续作钻孔使用，避免重复钻孔，节省成本和工期。但必须在注浆间隙要利用钻机抖动钻杆，以免凝死。
（3）止浆墙承受注浆压力达到4～8Mpa，止浆墙质量必须合格；同时注浆效果检查存在薄弱处，不能侥幸必须补注，否则功亏一篑。
（4）注浆作业需专业队伍施作，注浆时时隧道施工人员和设备要停工，注浆预算时应充分考虑专业注浆市场价格和停窝工成本。
（5）黄土地层特别是砂质黄土，垂直节理发育，遇浆液霹雳挤压，土体吸浆量大，由于实例较少，大家主观意识通常认为土层注浆充填率小。
参考文献
[1] 黄德发.王宗敏.杨彬.地层注浆堵水与加固施工技术. 徐州：中国矿业大学出版社，2003。
[2] 关宝树.隧道工程施工要点集（第二版）. 北京：人民出版社，2011。
[3] 张倬元.王士天.王兰生.工程地质分析原理.北京：地质出版社，2002。
[4] 兰新铁路甘青有限公司.标准化建设管理手册. 北京：中国铁道出版社，2013。