基于三台阶法施工条件下软弱围岩超前注浆加固技术研究

基于三台阶法施工条件下软弱围岩超前注浆加固技术研究

段程鹏

中国铁路设计集团有限公司  天津  300308

摘要：沈白高铁荣华隧道穿越浅埋富水强膨胀性砂岩、泥岩地层，为防止隧道施工过程中发生塌方、变形侵限，加快施工进度，保证施工安全，在基于三台阶法的施工条件下，提出了上台阶采用超前周边注浆加固，开挖进尺后，及时补充中、下台阶径向注浆的加固处理技术。施工实践证明，在配合初期支护补强的措施下，可有效节约工期，避免全断面注浆工法调整大断面暴露的施工风险，是常规三台阶法施工条件下切实可行的处理方案，对类似超前注浆加固工程具有非常重要的借鉴意义。

关键词：三台阶法；富水软弱围岩；超前注浆；大锁脚加固

引言

目前行业中三台阶法施工在中等~特大跨隧道中已经可以成熟普及，广泛应用，当隧道遭遇富水软弱围岩不良地质时，往往会给施工带来巨大困难和挑战，超前注浆是常见围岩加固方案，一般采用设计中的全断面进行超前注浆加固，这就带来了施工工法与注浆方案不匹配的问题，为此国内学者也进行了很多研究，如赵福善、李朋亮采用了上断面进行全断面超前注浆施工技术研究，但上断面向前下方注浆存在施工盲区，存在一定的安全风险。本文依托沈白高铁荣华隧道穿越浅埋富水强膨胀性砂岩、泥岩地层处理方案，系统的研究了基于三台阶法施工条件下超前注浆加固技术，确定了上台阶采用超前周边注浆加固，开挖进尺后，及时补充中、下台阶径向注浆并配合初期支护补强的综合加固处理技术，行之有效的控制了隧道塌方、大变形等施工风险，保证了隧道顺利贯通。

1工程概况及风险

荣华隧道为单洞双线隧道，全长535m，设计时速350km/h，隧道最大埋深约37.66m。隧址主要为丘陵及低山区，间夹山间沟谷，测区内地表植被较为茂密,为林区。DK294+797～DK294+863段穿越浅埋富水强膨胀性砂岩、泥岩地层。

2023年5月9日隧道进口DK294+806掌子面其中左侧拱脚处因基岩裂隙水较发育软化周边泥岩及泥质砂岩较严重，发生小规模涌水涌泥。2023年5月16日荣华隧道进口上台阶施工里程至DK294+807.2处。上台阶左拱顶发生溜塌。2023年5月16日隧道DK294+797～DK294+807段左侧初支开始出现变形，5月16日～5月18日变形量猛增直至发生侵限，仍持续变形。

2 工程地质情况

DK294+797～DK294+863浅埋段埋深11m~19m，位于成岩时代差异极大的不整合接触带附近，为全风化～强风化的砂岩、泥岩及砂质泥岩地层，三种岩性互层状产出，节理极发育，岩体极破碎，层间结合极差，呈土夹角砾状，受地表降雨补给作用，地下水发育，岩体手捏可碎，围岩严重软化，掌子面无法自稳，且围岩具强膨胀性，易发生塌方、冒顶及其衍生地质风险大变形等。

3 初期支护参数补强

荣华隧道DK294+797～DK294+863段初期支护钢架由I22a型钢调整为I25a型钢，间距0.6m，喷射混凝土厚度调整为33cm；预留充足变形量，上、中、下台阶拱架左右两侧各增加2根8m长φ89mm锁脚锚管；超前支护调整为φ108超前大管棚+φ42超前小导管，防止塌方冒顶；工法采用三台阶临时仰拱法。

因基于三台阶法施工条件下对仅上台阶进行超前周边注浆加固，保证了开挖进尺和上台阶施工安全，但隧道中、下台阶开挖施工，仍存在沉降、收敛变形情况。通过对初期支护参数进行补强，及时补充中、下台阶径向注浆，并遵循“快挖、快支、快闭合、仅跟二次衬砌”原则施工，有效控制了中、下台阶的施工风险。

4注浆加固

4.1 注浆方案设计

荣华隧道DK294+797～DK294+863段注浆采用基于三台阶法施工条件下对上台阶进行超前周边注浆加固，中、下台阶开挖支护后，补充5m径向注浆。

图1注浆横断面示意图

图2 注浆加固纵断面示意图

4.1上台阶周前周边注浆工艺

（1）每一循环注浆长度30m，开挖25m，保留5m长止浆岩盘。注浆按浆液扩散半径为3.0m，每循环设4环注浆孔，共33孔。孔口管采用φ108mm，壁厚5mm的热轧无缝钢管，管长3m，孔口管应埋设牢固，并有良好的止浆措施。

（2）注浆参数：上台阶共布置33个注浆孔，共4环注浆孔。注浆开孔直径110mm，长度为3m，孔洞剩余部分直径均为91mm。单孔有效扩散半径3.0m。加固范围为隧道开挖轮廓线外5m。岩石地层注浆压力应根据水文地质条件合理确定，宜比静水压力大0.5~1.5MPa。

（3）注浆材料为水泥浆液。水泥采用425号普通硅酸盐水泥；水泥浆水灰比=0.8~1：1。

（4）注浆控制标准：单孔结束标准为注浆压力逐步升高至设计终压，并稳定10min；注浆量不小于设计注浆量的80%；进浆速度为开始进浆速度的1/4。

（5）全段结束标准:所有注浆孔均已复核单孔结束条件，无漏注现象；浆液有效注入范围大于设计值。

（7）注浆顺序为先内圈孔后外圈孔，先无水孔后有水孔。同一圈孔间隔施工。岩层破碎容易造成坍孔时，采用前进式注浆，否则采用后退式注浆。钻进过程中遇涌水或因岩层破碎造成卡钻时，应停止钻进，进行注浆扫孔后再行钻进。

（8）为防止未注浆段地下水涌向作业面及注浆时跑浆，注浆起始处掌子面前方5m范围采用φ42mm，壁厚3.5mm的钢花管进行注浆形成止浆岩盘。钢花管长5m，间距1.5m，梅花形布置。掌子面挂网喷射20cm厚C25混凝土封闭，钢筋网直径φ8mm，网格间距20*20cm。

（9）注浆后效果检查：

钻孔检查法：按总注浆孔的5%~10%设置检查孔，检查孔应在均布的原则下，结合注浆资料的分析布设；检查孔应无涌泥、涌砂，不塌孔，渗水量应小于0.2L/（min·m）或小于设计涌水量，否则应予补注。钻孔取芯法：通过钻孔取芯观察地层的注浆加固效果。压水试验法：对检查孔进行压水试验，当吸水量大于1L/（min·m）时，必须进行补充注浆。

4.2 中、下台阶5m径向注浆工艺

（1）注浆范围为种中、下台阶开挖轮廓线外5m，注浆孔按浆液扩散半径2m设计，注浆孔按梅花型布置，孔口环向间距约200cm，孔底环向间距约350cm，纵向间距200cm。

（2）注浆孔采用风钻开孔，孔径52mm。孔口管采用φ50mm，壁厚3.5mm的热轧无缝钢管，钢管长1m，孔口管应埋设牢固，并有良好的止浆措施。

（3）注浆采用水泥浆，注浆压力按1~1.5MPa。

（4）注浆压力结束标准：（1）单孔结束标准：注浆压力逐步升高至设计终压，则继续注浆10min以上，进浆量小于初始进浆量的1/4，检查孔涌水量小于0.2L/min。（2）全段注浆结束标准：所有注浆孔均符合单孔结束条件，注浆后隧道预测涌水量小于1m3/d*m。

5 结语

基于三台阶法施工条件下仅对上台阶进行超前注浆，并通过对初期支护进行补强，及时补充中、下台阶径向注的综合加固方案，相较于全断面超前注浆，避免了工法转换，具有更短的周期性，更高的经济性、安全性；在浅埋富水强膨胀性砂岩、泥岩地层成功应用，保证了隧道顺利贯通，为类似注浆加固工程提供了重要参考案例。

参考文献

[1]李朋亮.超前周边注浆技术在软弱围岩中的应用研究[J].山西建筑,2021,7:114-116.

[2]赵福善．半断面法超前周边注浆在煤层采空区治理中的应用［J］．兰 州 交通大学学报，2014，2 : 64-66．