穿越松散堆积体围岩加固与隧道施工技术分析

穿越松散堆积体围岩加固与隧道施工技术分析 刘书培 无聊挖洞建设（杭州）有限公司 浙江杭州 310000

摘要：本文以某高速公路隧道工程为例，分析了隧道工程穿越松散堆积体时的围岩加固措施，该工程在邻近出口的部位需要穿越松散堆积体，为了保证该区域的施工安全，对堆积体的现状条件进行了采样和试验，通过构建模型和模拟计算，分析该区域的稳定性，根据计算结果对超前注浆加固方案和隧道施工方案进行了优化，试验结果表明加固后的隧道施工能够安全通过堆积体所在的区域。

关键词：松散堆积体；围岩加固；隧道施工

前言：松散堆积体的土层结构存在着不稳定、不均匀、不连续的特点，在该区域进行施工很容易出现坍塌的情况，还容易出现掌子面不稳和冒顶的问题，具有非常大的安全隐患。当隧道工程需要穿越松散堆积体时，必须要对该区域进行加固处理，确保隧道施工的安全性和高效性。

1工程概况和土质条件

某高速公路隧道的总长度是2790m，公路隧道属于分离式隧道，共包含4个车道，隧道断面的高度、跨度、面积分别是10.05m、12.5m、103.83㎡。在出口区域垂直方向180m范围内的部分会穿过松散堆积体，堆积体的厚度大概在25～40m之间，下层的基岩主要是强风化玄武岩，隧道部分的埋深在24m左右。

在掌子面的四个部位安排了四个采集点，第一个采集点是K106+910，第二个采集点是K106+900，第三个采集点是K106+890,第四个采集点是K106+880，采集的主要对象是没有发生变动的堆积体，每个地方都要采集重量为40kg的原状土样，采集后需要对其进行筛分，得到具体的级配信息。

对所有土石混合体的级配信息进行分析，发现粒径存在非常大的差异，最小为0.1mm，最大可达到10mm，而且在分布上比较杂乱，并不均匀。经过计算，得出两个系数，第一个系数是级配不均匀系数C_u，该系数的最低值为27，最高值为88.5；第二个系数是粒径的曲率系数C_C,该系数的最低值为0.23，最高值为1.17。在粒径＜0.075mm的情况下，颗粒质量在1%～4%之间；在粒径＜2mm的情况下，颗粒质量在35%～50%之间；在粒径＞60mm的情况下，颗粒质量在5%～18%之间。

对四组土样的粒径和颗粒质量进行分析，发现1组、3组、4组的颗粒大都为粗砾石，同时还存在较多的块石和卵石，2组大都为砂粒，粒径较小。总体来说，隧道出口部分的堆积体存在最多的就是块石，所以整体的结构并不紧密，颗粒之间存在非常大的缝隙，如果继续开挖，将会使该区域发生坍塌事故，有必要对该区域的地层围岩进行加固处理，确保隧道施工和后期使用足够安全。

2获取堆积体力学参数

（1）试验参数：为了得到准确的力学参数，保证加固的效果，使用了一种自制的CPGM型膏状注浆材料，材料的比重为1.65，初凝时间为37min，最开始设定的流动度为234mm，注浆3h后的析水率为3%,注浆1天后的抗压强度为1.32MPa。使用的仪器主要是大型动、静三轴剪切仪，直径和高度分别是300mm和600mm，试验中的轴向压力设置了三个数值，分别是300KPa、600KPa、900KPa。

（2）试验过程：在试验过程中，将橡皮膜和成型筒全部安装完成后，进行分层装样和分层捣实，总共有五层，注浆时需要使用小导管，根据原状土试样质量的8%进行控制，浆液全部注入后，静置7天^[1]。

（3）试验结果：经过试验分析，发现围压条件不同的情况下，轴向应力加大时，主应力差也会逐渐加大。围压条件相同的情况下，加固后主应力差的最高值比加固前的数值高，围压越大，最高值的差值就越大，这说明堆积体具有更高的强度。

3堆积体隧道稳定性研究

3.1数值模型和参数

模型的长度、宽度和高度分别为100m、40m、80m，整体的模型中包含两个类别的地层，第一类地层是堆积体碎石土层，厚度和水稻埋深分别是40m和25m；第二类地层强风化玄武岩。将开挖进尺和加固厚度的参数分别设置为1m和1.5m，同时还对堆积体、玄武岩、加固区、初期支护、二次衬砌这五个部分的密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力等参数进行了设置。注浆加固的区域主要在掌子面前方4m处，在隧道拱顶120°区域内进行施工，在构建模型时使用了M-C本构模型。

3.2对计算结果进行分析

（1）加固前：围岩拱顶处沉降了52.7mm，超出了50mm的限定标准，隧道底部中心处隆起了29.3mm，边墙部位的水平收敛值为35.8mm。（2）加固后：围岩拱顶沉降量为38.4mm，满足限定标准，隆起变形量和水平收敛值分别是28.5mm和33.2mm，数值都有所降低。以上数据说明超前加固处理能够对拱顶沉降量进行有效控制，但是对隧道底部和边墙部位的影响不够明显。

3.3超前注浆参数的优化方案

根究模型进行计算和分析后，发现小导管的角度、长度以及注浆时的扩散性、压力会对加固效果产生较大影响，为了进一步优化注浆参数，对加固部位的厚度进行了设置，根据厚度的不同进行划分，工况1的厚度为1m，工况2的厚度为1.5m，工况3的厚度为2m，工况4的厚度为2.5m。经过计算，工况1的最大沉降量是46.3mm，工况2的最大沉降量是38.4mm，由此可见，拱顶沉降量与加固厚度和开挖进尺有一定关系，沉降量与开挖厚度是负相关的关系，工况4的沉降量最小；沉降量与开挖进尺是正相关的关系，当开挖深度加深时，沉降量也会增加，并且会在14m之后趋于稳定。虽然增加厚度能够减少沉降量，但是加固层越厚，就要使用越多的材料，施工的时间也会增多，在考虑成本和进度的情况下，要选择一个合适的厚度，可以将厚度控制在1.5～2m之间，这个厚度能够保证隧道施工的安全

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4隧道施工工艺的改进措施

4.1优化隧道施工方案

根据参数设置和结果分析，隧道工程的施工单位决定使用三台阶+预留核心土法，同时进一步优化了各个部位的参数。（1）在超前支护的参数设计中，使用的材料主要是热轧无缝钢管，材料的参数为Φ42×4mm，用该材料对隧道拱部环向120°范围内的区域进行支护，垂直方向需要搭接1.5m的小导管。加固过程中还要使用超前注浆材料，该材料是技术人员自主配置的膏状注浆材料，材料中使用了多种添加剂，停止注浆时，让压力处于1.5～2.0MPa范围内。（2）对上台阶弧形导坑和核心土进行施工时，要注意开挖的要求，将前者的进尺控制在0.8～1.0m范围内，将后者的长度保持在0.5～1.0m范围内。（3）对中台阶和下台阶进行施工时，两者的台阶长度都是8m，进尺参数与上台阶相同。

4.2超前注浆加固效果分析

对优化方案和原方案进行对比：（1）原方案：由于围岩结构不够密实，灌入浆液后，浆液很容易在颗粒缝隙处流窜，原方案将会浪费较多的浆液，两个工序在衔接时，还会耽误较多时间，注浆压力也无法满足要求，总体来说，原方案的加固效果较差。（2）优化方案：使用了自制的膏状注浆材料，施工人员能够更好地控制注浆过程，使注浆量和扩散半径达到设计的需求，压力和时间也能得到有效控制，整个注浆过程大约需要3h，注浆后，隧道拱部围岩有着非常好的胶结效果，可以对该区域进行开挖施工。

结论：本文使用了一种自主配置的膏状注浆材料，经过实验得到了土样的力学参数，根据参数进行建模，按照设定的参数模拟超前注浆加固过程，对加固前后的变化进行对比和分析，发现超前注浆加固能够有效控制支护结构的沉降问题，减少隧道各部分结构的变形量，但是隆起变形和水平收敛的控制效果较差。经过优化和分析，发现1.5～2m范围内的加固厚度能够保证隧道施工的安全。

参考文献：

[1]闫伟.穿越松散堆积体围岩加固与隧道施工技术研究[J].绿色环保建材,2021(03):135-136.

[2]张佳贞.穿越松散堆积体围岩加固与隧道施工技术[J].交通世界,2020(18):94-95+97.