深回填土区隧道群帷幕注浆效果评价研究

申国顺

(中铁二十一局集团第五工程有限公司， 重庆 402160)

土石混合回填土由作为骨料的碎石或块石和作为充填物的粘土或砂土等构成，是一种非均匀、不连续、内部构造复杂且无规律的地质体，其物理力学性质介于纯土体和破碎岩体之间，为了保证土石混合体区地下工程施工的稳定性，常常进行帷幕注浆。帷幕注浆的作用主要表现在：1) 提高围岩强度和刚度，增大了围岩粘聚力与内摩擦角，有效降低了围岩内部块石的相对滑动；2) 与衬砌共同作用，减轻衬砌结构承受的荷载；3) 改善了工程地质环境[1]。在帷幕注浆效果评价研究方面，一些学者[2-12]针对破碎围岩和岩溶注浆加固进行了比较深入的研究，主要采用检查孔法、P-Q-t曲线法等对注浆效果进行评价。在土石混合体注浆研究方面，钟祖良、罗祺月等[13-15]对土石混合体注浆扩散机制、注浆体参数等进行了一些研究。已有研究成果表明，隧道帷幕注浆效果评价方法还不完善，特别是对回填土区注浆效果评价的研究更少。

本文以重庆轨道交通十号线二期兰花路站—南湖路站区间工程为背景，开展土石混合回填土区隧道群(3线隧道)施工期帷幕注浆效果评价研究。

1 基于帷幕注浆量的效果评价

复杂地质条件下的隧道施工可能会导致塌方冒顶、地表及隧道沉降、突水突泥等施工安全问题，根据不同围岩地质可采用全断面帷幕注浆、局部帷幕注浆等作为隧道开挖预加固措施。帷幕注浆通过浆液填充围岩空隙，使得颗粒间相互粘结形成注浆体，增大了土石混合体粘聚力c与内摩擦角φ，增加了地层粘结强度及密实度，既加固了隧道围岩，又形成了新的隔水层，降低了土层透水能力。

1.1 隧道帷幕注浆方案

依托工程区间隧道穿越深回填土区，如图1所示，拱顶填土厚度为24.1 m～32.6 m，隧道底板填土厚度为0 m～18.5 m。土石混合体呈褐灰色，主要由粘性土夹砂岩、砂质泥岩碎块石组成，碎块石等骨架颗粒含量20%～40%，粒径一般为20 mm～400 mm，填土呈松散-稍密状，稍湿，堆填时间约5年～10年不等，填土剪切波速为158 m/s～170 m/s，为中软土。

1) 注浆孔布置

依托工程深回填土区隧道采用全断面帷幕注浆加固方案，如图2所示。注浆布孔从外向内共分为5环，第1环和第2环均为27孔，第3环为24孔，第4环为11孔，第5环为5孔，探孔3个，检查孔4个，其中第1、2、3环单孔有效扩散半径为1 m，第4、5环为1.5 m，注浆孔长度共计1 555.71 m，加固长度20 m，并留有5 m的止浆盘。注浆范围为隧道开挖轮廓线外3 m范围。

(a) 掌子面注浆布孔

(b) 纵向注浆布孔

2) 注浆材料及配比

帷幕注浆作业采用预埋孔口管和导孔注浆，每循环钻孔注浆长度20 m。使用Φ108、壁厚5 mm钢管作为止浆和孔口保护，水泥、水泥+水玻璃等注浆加固、堵水材料。普通水泥浆液水灰比为1∶1，双液浆水∶水泥∶水玻璃为1∶1∶0.665。

注浆优先采用普通水泥浆液，但为了加强注浆效果和浆液控制，注浆加固圈外围1 m范围内采用普通水泥-水玻璃浆液。

3) 注浆压力

注浆范围为隧道开挖轮廓线外3 m范围，第1、2、3环单孔有效扩散半径为1 m，第4、5环单孔有效扩散半径为1.5 m。正常注浆压力为0.5 MPa～1.2 MPa，注浆终压为1.5 MPa，稳定压力持续10 min。初期按注浆终压1.5 MPa，调整后的注浆压力控制为第1、2、3环注浆终压1.5 MPa，浆液凝结时间60 s～80 s；第4、5环注浆终压2 MPa，注浆流量基本控制在60 L/min～100 L/min。

1.2 注浆量计算

浆液单孔注浆量按公式(1)进行核算。

Q=π·R2·l·n·α·(1+β)

(1)

式中：Q为浆液注入量，m3；R为浆液有效扩散半径，m；l为注浆段长度，m；n为围岩孔隙率；α为浆液充填率；β为浆液损失率。

以兰南区间左线隧道ZK2+520～ZK2+540为例，对比分析理论注浆量与实际注浆量的差别，以评价注浆效果。

1) 理论注浆量

参考文献[1]，兰南区间土石混合体的孔隙率n取0.15、浆液充填率α为70%，浆液损失率β为10%，则第1、2、3环单孔注浆量为：

Q=π·R2·l·n·α·(1+β)=3.14×1×20×0.15×0.7×1.1=7.253 4 m3

第4、5环单孔注浆量为：

Q=π·R2·l·n·α·(1+β)=3.14×1.52×20×0.15×0.7×1.1=16.32 m3

总注浆量为：

Q总=7.253 4×78+16.32×16=826.89 m3

2) 实际注浆量

ZK2+520～ZK2+540实际注浆浆液841.17 m3，其中双液浆225.05 m3，水泥浆616.12 m3，实际注浆量略大于理论注浆量，在理论上回填土区达到了预期注浆效果。

为进一步验证注浆效果，采取钻检查孔法进行验证，检查孔数为总钻孔数的3%～5%，且不少于5孔，为此选取5个孔进行检查。其中2个孔位于开挖范围内，3个孔位于开挖范围外，检查孔长18 m，均取芯，用于校验单孔出水情况及岩体注浆的饱满程度。注浆加固前，钻孔渗水量为3 L/(min·m)，注浆后检查孔完整，无渗水(渗水量小于0.2 L/(min·m))和涌泥。

注浆完成后，隧道掌子面开挖特征是水泥浆与土石混合体粘结作用明显，已形成新的固结体，力学强度提高，具备自稳能力，如图3所示。

图3 注浆完成后开挖揭示的隧道掌子面特征

2 基于多波多分量工程地震探测的效果评价

2.1 工作原理

多波工程地震仪器由DGY-1型主机和智能多分量地震检波器组成。其反射波法的工作原理为：在隧道掌子面固定智能分量地震检波器，再使用人工抡锤锤击隧道掌子面，在掌子面处形成纵向的震动波，当震动波遇见不同波阻的岩土体时，会在岩土体界面产生反射波。如果隧道掌子面前方围岩条件较好，地震仪接收的震动波信号图像则会呈明显的对称分布；如果掌子面前方有软弱围岩或破碎带、地下水等不良地质，仪器发出的震动波与反射回来的震动波的波形信号图像会呈现明显的不对称性，且如果遇到不良地质情况，接收到的反射波信号则会较弱。

2.2 现场测试及结果分析

在隧道掌子面沿水平测线或任意位置布设1～3个高分辨率三分量检波器，然后锤击掌子面垂直方向，由多波多分量探测系统主机接收震动波信号，并将信号输入计算机，通过专业软件的分析处理，得出相应结论。在隧道掌子面对深回填土帷幕注浆前后进行了2个断面的试验测试，测试结果对比如图4、图5所示。

(a) 注浆前

(b) 注浆后

(a) 注浆前

(b) 注浆后

从图4、图5可以看出，注浆前隧道掌子面纵向距离回填土区围岩较为破碎、软弱地层结构特征明显，检测结果图像呈现明显的不对称性，且局部含有地下水。注浆后围岩性能大大改善，锤击掌子面发出和接受的震动波信号较为完整，检测图像呈明显的对称性，说明注浆过程很好地充填了围岩裂隙，浆液与土石混合回填土形成力学性能良好的固结体，隧道围岩整体承载性能大幅度提高。

3 基于钻孔高清视频检测的效果评价

在注浆后的隧道掌子面钻孔，采用管道高清视频检测仪对钻孔周围进行摄像，以检验掌子面前方围岩实际注浆效果。该仪器由管道高清视屏检测主机、LPS显示器以及外接360°无限旋转的高清摄像头组成，且摄像头配有LED灯。通过伸缩线缆连接的管道高清摄像头探入隧道掌子面钻孔内，检查钻孔周边围岩浆液与回填土的粘结情况，现场检测结果如图6所示。

(a) 断面Ⅰ

(b) 断面Ⅱ

由图6可以看出，原有回填土隧道结构松散、破碎，土石混合分布不均匀，力学性能差。土石混合体通过注浆加固作用形成注浆体，可以看出其已经具备自稳能力，浆液充填土石混合体之间的间隙，使得原有的松散回填土具备粘结成块的能力，其围岩强度大大提高，保证了深回填土区暗挖隧道群的施工安全。

4 基于注浆前后土石混合体参数变化的效果评价

节理、裂隙、断裂带的存在降低了围岩的整体性、强度和刚度，注浆作用可显著改善结构面的力学性能。回填土区原有土石混合体结构松散、均匀性差、各向异性突出，且其力学指标较差，抗剪强度低。帷幕注浆后，注浆体的物理力学性能指标将得到显著提高，可通过土石混合体注浆前、后的物理力学性能指标变化来评价回填土帷幕注浆的实际效果。

参考区间勘察报告岩体设计参数取值建议，岩体的变形模量、弹性模量标准值取岩石室内试验平均值的0.7倍，泊松比取岩石室内试验平均值；岩体抗剪强度由岩石室内抗剪强度折减确定，内摩擦角φ的折减系数取0.90，粘聚力c的折减系数取0.3。

室内单轴、三轴压缩试验的岩样由现场钻孔取到的较完整的岩芯加工而成，考虑到注浆效果的不均匀性，对试验计算结果中的粘聚力与弹性模量又进行了0.1倍的折减，据此求得的注浆体物理力学参数见表1。

表1 土石混合体注浆前后物理力学参数

由表1可以看出，注浆后土石混合体的物理力学参数得到了显著提高，注浆后粘聚力c、内摩擦角φ、弹性模量E较注浆前分别提高了4倍、1.1倍和7倍，帷幕注浆后注浆加固区粘聚力c与弹性模量E增幅明显。

5 结论

通过回填土区帷幕注浆量的理论设计值与实际施工注浆量对比分析，同时结合室内试验与现场地震波探测、探孔视频检测的方法综合评价了深回填土区帷幕注浆效果，得出以下相关结论：

1) 回填土区左线隧道ZK2+520～ZK2+540帷幕注浆实际注浆量为841.17 m3，略大于理论设计注浆量826.89 m3，实际帷幕注浆效果高于理论预期，回填土区土石混合体与浆液粘结成块，原有的松散回填土石混合体结构变得更加密实。

2) 多波多分量工程地震探测与探孔高清视频检测分析结果表明，帷幕注浆前后回填土注浆加固区围岩性能差异较大。注浆前围岩较为破碎、软弱地层结构特征明显，图像明显不对称，且局部含有地下水。注浆后检测信号完整，图像对称，探孔视频检测显示浆液与土石混合体粘结形成固结体，探孔内无塌孔现象，浆液充分填充了回填土区土石混合体的空隙，粘结、硬化效果较好，很好地改善了围岩力学性能，使其具备自稳能力。

3) 土石混合体注浆前后试验结果显示，注浆加固区的粘聚力、内摩擦角、弹性模量等较注浆前分别提高了4倍、1.1倍和7倍，注浆加固区粘聚力与弹性模量增幅明显。