青岛海底隧道断层破碎带注浆加固圈的拟定与验证

青岛海底隧道断层破碎带注浆加固圈的拟定与验证
王全胜
【摘要】为解决青岛海底隧道断层破碎带注浆加固圈合理厚度的问题,采用工程类比法、力学分析法、允许渗漏水量法初步判断主洞加固范围应为开挖轮廓线外5m 以上,并以结构变形为依据采用数值模拟对断层破碎带不同厚度注浆加固效果进行了分析,确定了不同注浆加固圈范围,并通过现场注浆试验、松动圈测试和注浆效果检验,得出了在Ⅳ级围岩下的断层破碎带注浆加固圈为开挖轮廓线外5m、Ⅴ级围岩下为开挖轮廓线外6m的结论,合理确定了不同围岩下的注浆堵水和加固范围.经过数个断层破碎带的注浆实施,验证了该加固范围,注浆后渗漏水量满足设计要求且开挖后结构变形较小,保证了施工和后期运营安全,取得了良好的注浆效果.
【期刊名称】《公路交通技术》
【年(卷),期】2018(034)0z1
【总页数】6页(P165-170)
【关键词】海底隧道;断层破碎带;注浆加固圈;数值模拟;松动圈
【作者】王全胜
【作者单位】中铁工程装备集团有限公司地下空间研究院,郑州 450016
【正文语种】中文
【中图分类】U459.5
海底隧道由于其高风险性，在遇到海底断层破碎带等不良地质体时，常采用超前帷
幕注浆和全断面注浆等方式来堵水和加固地层[1]，以确保安全顺利地通过不良地
质体，减小施工风险。

注浆加固可不同程度地提高地层强度和刚度，减小隧道围岩的破坏区范围，可提高围岩和衬砌结构的整体稳定性[2-3]。

不同地质条件下的注
浆参数往往不同。

注浆加固范围作为注浆的主要参数之一，需综合考虑注浆后加固圈的围岩承载力和抗渗性要求。

如果加固范围过小，承载力或抗渗性达不到预期效果，轻则会影响开挖，造成渗漏水，重则会危及施工及环境安全，达不到应有效果；如果加固范围过大，浪费材料、增加投资、延长工期，因此合理确定隧道注浆加固范围十分重要。

近年来，国内外学者针对注浆加固圈进行了大量研究，如李治国、徐海庭等[4-5]研究了厦门海底隧道风化槽及土石交界面注浆技术；王乾等[6]介绍了海底隧道围岩注浆加固和软弱破碎带注浆技术，主要依据经验并通过工程类比法确定注浆加固圈并应用于工程实践。

另外有学者根据流固耦合、岩土结构变形理论等理论，采用数值分析手段研究注浆加固圈参数变化对隧道涌水量及结构变形等影响，确定合理的注浆加固圈参数，如张明伟等[7]研究了不同注浆加固圈厚度作用
下马蹄形深埋隧道围岩特征曲线及最佳注浆加固范围；李鹏飞、何红忠等[8-9]采
用数值模拟手段分别分析了不同加固圈参数对隧道涌水及结构变形规律的影响。

上述注浆加固圈的研究主要通过既有案例、数值计算并结合试验来确定，本文根据青岛胶州湾海底隧道断层破碎围岩特点，采用工程类比法、力学分析法、允许渗水量法以及数值分析等综合手段初步确定断层破碎带加固圈范围，并通过现场注浆和未注浆段松动圈测试结果分析和验证注浆效果，根据不同围岩情况确定合理的断层破碎带注浆加固圈，以期为类似工程的注浆设计提供借鉴。

1 工程概况
青岛胶州湾海底隧道是连接青岛市主城区和黄岛经济技术开发区的重要通道，总长约7 120 m，其中跨越海域段约3 950 m，全隧采用矿山法施工。

隧道横断面设
计采用三洞型式，如图1所示，其中左右洞为主隧道，轴线间距约55 m，中间洞
为服务隧道。

主隧道设计净空高8.218 m，净宽约14.426 m，隧道纵坡采用“V”坡，其最大设计纵坡为3.9%，海域段主隧道围岩覆盖层厚度在25 m～35 m之间，服务隧道围岩覆盖层厚度在29 m～39 m之间，最大海水深度约42 m。

海域段Ⅴ级围岩段初期支护采用拱部T76s型自钻式管棚和Φ42小导管超前预支护, 初期支护为厚30 cm的钢格栅+锚喷网支护，格栅间距0.5 m；Ⅳ级围岩段采用Φ42小导管超前预支护, 初期支护为厚25 cm的钢格栅+锚喷网支护，格栅间距1.0 m。

海域段Ⅳ级、Ⅴ级二次衬砌均为厚度70 cm的 C50钢筋混凝土衬砌。

单位：mm图1 胶州湾海底隧道横断面布置示意
隧址区共发育有18条断层破碎带，大部分为高角度、中新代脆性断裂构造，以压扭性为主，宽度在几m至几十m不等，其中海域段共穿越4组14条断层破碎带，断层内围岩以压碎岩、碎裂岩、糜棱岩为主，断层附近围岩因岩体破碎，施工风险极大。

为了探明前方地质状况以采取有针对性的注浆措施，针对不同风险等级确定了综合超前地质预报和注浆应对措施，根据地勘资料，并结合综合超前地质预报成果，注浆施工既要封堵地下水，防止突涌水并满足设计渗漏水要求，又要对破碎带围岩进行加固，以保证开挖时围岩的稳定性并减小初期支护变形，确保施工安全。

2 注浆加固圈确定
2.1 工程类比法初定
据我国水电部门的资料统计，加固注浆厚度一般在0.5～2.0倍隧洞的半径；我国
煤炭部门巷道注浆加固厚度为2 m～3 m；前苏联在巷道注浆加固带的厚度取3 m～5 m。

根据山岭隧道和海底、水底隧道的施工经验，在一般富水的节理、裂隙地层，注浆加固范围为隧道开挖轮廓线外(0.5～1.0)D(D为隧道直径)；在高压富水区和岩溶特别发育地区，注浆加固范围为隧道开挖轮廓线外(1.0～2.0) D；日本青函隧道注浆时考虑到海底涌水危险及断层破碎带等地层的不良地质因素，注浆加固范围设计为隧道开挖轮廓线外(0.5～1.0)D，厦门翔安海底隧道在穿越海底风化槽
和岩土交界面等软弱带时加固圈服务隧道为3.5 m左右，主隧道为6 m左右。

随着注浆新材料的研发、技术的进步、施工质量的不断提高，超前预注浆和径向注浆加固范围有缩小的趋势。

考虑到海底隧道地质条件、施工难度及工程成本，从偏于安全考虑，青岛海底隧道主洞和服务隧道超前预注浆加固范围初拟为开挖轮廓线外(0.5～1.0)D，主洞开挖宽度达14 m以上，服务隧道宽度约6.0 m，则主隧道
加固范围应大于6.0 m，服务隧道加固范围应大于3 m。

2.2 力学分析法估算
采用厚壁圆桶的弹性力学解析方法[10]进行检算，将隧道看成厚墙圆桶，其外部作用有水压力P1和土压力P2，隧道半径为r0，注浆加固圈半径为r1，水压力和土压力均匀作用于注浆加固圈周围，忽略重力影响，按厚壁圆桶的弹性力学轴对称问题进行分析，距离隧道圆心某一距离r处的应力表达式如下：
(1)
(2)
τrφ=0
(3)
式中：P为外荷载；σr为径向应力；σφ为切向应力；τrφ为剪应力。

在估算时可假定注浆加固圈半径，计算出σr、σφ、τrφ；通过室内和现场试验，
测试出注浆加固体的物理和力学指标，并通过强度理论或变形理论检验注浆加固体厚度是否满足要求。

室内试验及现场试验表明，采用单液水泥系浆液，如果水灰比小于1∶1，则注浆
胶结体28 d的抗压强度大于15 MPa。

由于断层破碎带的水压力和土压力较小，
计算表明主洞断层破碎带Ⅴ级围岩加固范围大于5 m才能够满足隧道稳定的要求。

2.3 允许渗水量法估算
芬兰、瑞典等北欧国家用于估算隧道注浆后的渗漏水量公式如下[11]：
(4)
式中：Q为隧道每m的渗漏水量，m3/(s·m)；Ki为注浆圈的渗透系数，m/s；K
为注浆区外岩体的渗透系数，m/s；h为水头高度或隧道埋深，m；R为隧道半径，m；t为注浆圈厚度，m；ζ为与隧道周边压力降有关的表面系数，从-4～9变化，一般取2～7。

本工程设计规定青岛胶州湾隧道注浆堵水后的排水量主隧道不得大于0.4
m3/(d·m)，服务隧道不得大于0.2 m3/(d·m)。

由地勘报告和现场压水试验可知，注浆前地层的渗透系数为1.2×10-6 m/s，实测水头高度为40 m，隧道半径取6 m，注浆后渗透系数可减小为7.0×10-8 m/s左右，则注浆圈的厚度应至少在5 m～6 m。

2.4 数值模拟分析法
2.4.1 计算模型及参数选取
断层破碎带由于岩体破碎，自稳能力差，施工中极易发生塌方和突水突泥现象，从而危害工程安全。

其中Ⅴ级围岩段的破碎带地质最差，承受的水压也最大，是最容易发生危险的地段，因此选择Ⅴ级围岩3个典型断面进行模拟，如图2所示，地
质情况见表1。

采用莫尔-库仑模型准则，通过平面有限单元法模拟不同注浆圈厚度条件下的注浆
效果，合理确定围岩加固圈厚度[12]。

考虑到类似工程中Ⅴ级围岩以上注浆厚度一般取5 m～8 m，为此，数值计算时注浆圈厚度分别按0 m、2 m、4 m、5 m、
6 m、
7 m和
8 m进行模拟，通过隧道拱顶的竖向位移大小来判断注浆圈厚度的
合理性。

根据JTG D70—2004《公路隧道设计规范》附录A中围岩分级有关规定来选取围岩参数，注浆区参数、超前预支护参数和初期支护参数见表2。

(a) Ⅰ型断面
(b) Ⅱ、Ⅲ型断面单位：mm图2 隧道典型横断面表1 典型断面地质情况
模拟断面断面Ⅰ断面Ⅱ断面Ⅲ地质情况受断层及风化的影响,岩体内裂隙极发育,且呈压碎-破碎状;岩体大部分呈碎石角砾状,结构松散,并含少量地下水为北东向断层与西北向断层交汇处,受构造和风化影响,岩体破碎,呈角砾状散状结构,无自稳能力;地下水径流和海水入渗条件良好受构造影响严重,岩体极破碎,呈碎裂散状结构,与绿泥石的蚀变带裂隙密集,部分裂隙为张性裂隙,地下水量较大
表2 数值模拟计算参数参数名称围岩重度γ/(kN·m-3)弹性模量E/MPa泊松比μ粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)抗拉强度σ/kPa围岩181 2000.415025100注浆圈203 0000.3520030200超前预支护254 0000.330035500初期支护2510 0000.2---
2.4.2 模拟结果分析
根据数值模拟计算结果，统计3个典型计算断面在不同注浆圈厚度下的拱顶位移值，见表3，其变化趋势如图3所示。

从表3和图3可以看出，随着注浆圈厚度的增加，隧道拱顶位移值逐渐减小。

当注浆圈厚度小于5 m时，隧道拱顶位移值变化较大，但注浆圈厚度大于5 m后，拱顶位移值开始趋于平缓。

表3 各断面在不同注浆圈厚度下隧道拱顶位移值注浆圈厚度/m0245678拱顶位移值/mm断面Ⅰ29.824.221.620.720.119.819.6断面
Ⅱ57.644.038.336.735.534.433.9断面Ⅲ46.736.432.731.530.529.829.2
图3 不同注浆圈厚度下隧道拱顶位移变化
对3个断面的模拟结果进一步分析，注浆圈厚度增加时，相应的拱顶位移增量变化值和变化率见表4和表5。

由表4、表5可知，随着注浆圈厚度的增加，拱顶位
移的增量变化值在注浆圈厚度为2 m时变化最大，此后随着注浆圈厚度的增加而
逐渐递减；而隧道拱顶位移的变化率的数值在不断增大，结合图3及表4可知，
该增大趋缓正逐渐趋于平缓，表明注浆圈厚度达到一定值后其对隧道拱顶位移的影响将越来越小。

以拱顶位移的变化率改变值小于2%考虑，断面Ⅰ的注浆圈厚度可取5.5 m，断面Ⅱ的注浆圈厚度可取6 m，断面Ⅲ的注浆厚度可取5.5 m。

2.5 加固范围初定
根据施工图设计文件、超前地质预报资料及已施工段揭示的围岩特点，结合钻孔取芯、水量测试与压水试验结果，分析判断断层破碎带各段主要以破碎岩体和发育裂隙为主。

考虑到注浆既要满足开挖时控制支护变形的安全施工要求，又要满足开挖后允许渗漏水量要求，综合以上分析和模拟计算结果，初步确定主洞断层破碎带帷幕注浆和局部注浆时，Ⅳ级围岩按5 m、Ⅴ级围岩按6 m加固范围进行现场试验。

表4 增加注浆圈厚度时相应的拱顶位移的增量变化注浆圈厚度/m0245678拱顶位移改变值/mm断面Ⅰ05.62.60.90.60.30.2断面Ⅱ013.65.71.61.21.10.5断面
Ⅲ010.33.71.210.70.6
表5 各断面在不同注浆圈厚度下隧道拱顶位移变化率注浆圈厚度/m0245678拱顶位移变化率/%断面Ⅰ018.827.530.532.633.634.2断面
Ⅱ023.633.536.338.440.341.1断面Ⅲ022.130.032.534.736.237.5
注：拱顶位移变化率是指注浆前后隧道拱顶位移的差值占未注浆时拱顶位移的百分比。

3 注浆方案与效果检验
3.1 试验方案及参数
根据地质预报结果和围岩情况，先后在3个断层注浆段进行了全断面、周边帷幕
和局部断面超前预注浆试验，其方案和参数见表6。

3.2 现场测试情况
1) 围岩松动圈测试
对于需要进行注浆堵水和加固的裂隙发育段和断层破碎带，为达到注浆堵水和加固目的，其注浆堵水和加固范围可根据围岩松动圈的厚度间接确定和验证。

因此，为了确定围岩松动圈的大小和验证注浆效果，现场委托第三方监测单位在F4-4断层进行了围岩松动圈测试，测试结果见表7。

表6 注浆方案及主要参数试验段注浆方案纵向注浆长度/m径向注浆范围注浆压力/MPa浆液扩散半径/m钻孔直径/mm终孔间距/m注浆工艺围岩级别F4-4断层全断面超前预注浆30开挖面及轮廓线外5 m3～41.5～2Φ1082.2全孔一次性、前进式、后退式Ⅳ级、局部Ⅴ级F2-1断层隧道周边帷幕注浆33开挖轮廓线外5 m3～42Φ653全孔一次性Ⅳ级F4-2断层局部断面超前注浆35局部轮廓线外6 m3～42～3Φ108/91<3.5全孔一次性局部Ⅴ级
表7 围岩松动圈测试结果段落测点地层特点松动圈深度/m围岩等级是否断层测试范围平均值未注浆段右线左线辅洞YK4+439Ⅲ断层影响带1.03～
1.531.35YK3+950Ⅱ～Ⅲ一般段0.70～1.241.04YK6+540Ⅲ一般段0.92～
1.081.00ZK7+095Ⅲ一般段0.88～1.131.00ZK7+469Ⅳ裂隙发育1.05～
1.661.27FK4+534Ⅳ裂隙发育1.29～1.411.35FK3+734Ⅲ一般段1.04～
1.311.18断层注浆后右线YK4+463ⅣF2-1断层0.90～1.171.04YK6+931ⅣF5-4断层0.87～1.291.02
由表7可知，在受断层破碎带影响的Ⅳ级围岩裂隙发育段，开挖后测试的围岩松动圈最大可达1.6 m，据此推算断层带部位的松动圈至少应大于1.6 m。

断层处的Ⅳ级围岩注浆后松动圈约为1 m左右，与未注浆的Ⅲ级围岩段松动范围相当，表明断层带Ⅳ级围岩段采用5 m注浆加固圈加固后相当于提高了一个围岩等级。

若以未注浆的裂隙发育段Ⅳ级围岩和断层影响带围岩的松动圈测试结果的最大值为准
计算，5 m加固范围约相当于其值的3倍。

因此，对于需要注浆堵水的破碎带Ⅳ级围岩注浆加固范围，可按裂隙发育段松动圈的3倍左右计算确定。

2) 径向检查孔与支护监测
为了确定径向注浆加固效果，在各注浆段开挖支护完成后，施作系统锚杆(L=3.5 m)和锁脚锚杆(L=4.0 m)施工过程中，钻孔均未出水。

同时在Ⅴ级围岩的局部注浆段隧道顶部钻设了3个径向检查孔，孔深5 m，探测结果表明3个孔均未出水，说明在Ⅴ级围岩采用6 m注浆厚度满足堵水要求。

未注浆段初期支护拱顶最大位移约35 mm，注浆段最大拱顶位移约18 mm，注浆后围岩的整体稳定性得到了提高。

3.3 注浆实施效果
通过试验段和后续几个段落的实施和效果检查，表明注浆后各段的隧道渗漏水量均小于设计规定渗漏水量，见表8。

表8统计说明断层段Ⅳ级围岩条件下采用5 m 加固范围、Ⅴ级围岩条件下采用6 m加固范围达到了设计要求和预期效果，满足隧道安全开挖和正常运营的要求。

表8 部分地段注浆后渗水情况注浆段YK6+936～911YK6+645～615YK6+514～479YK4+444～477ZK7+046～016加固范围(开挖轮廓线外)/m55655围岩等级Ⅳ级、局部Ⅴ级Ⅳ级Ⅴ级Ⅳ级Ⅳ级所属断层F4-4F4-2F2-1F4-5注浆后渗水量(Max/∑)/(L·min-1)0.8/1.130.7/1.20.7/1.811.96/3.631.2/1.72
注：Max为注浆段内最大单点渗水量；∑为注浆段内各点渗水量之和。

4 结束语
本文采用工程类比、力学分析、允许渗水量、数值计算等方法初步确定了注浆圈厚度，根据地质条件设计了相应的注浆方案，通过现场试验和效果检验，结果表明取得了良好的注浆效果。

主要获得以下认识：
1) 随着注浆加固圈厚度的增加，隧道拱顶沉降位移逐渐减小，当注浆加固圈大于
5 m后，拱顶沉降位移变化趋于平缓，并以数值模拟拱顶沉降位移的变化率改变
值小于2%时对应的加固圈厚度，作为初步确定不同断面、不同围岩条件下隧道注浆加固圈的厚度，并结合围岩松动圈测试等方法拟定后，通过径向检查孔等试验加以验证，即可确定加固圈的厚度。

2) 不同围岩等级下，海底断层破碎带的注浆加固圈厚度不同。

Ⅳ级围岩下断层破
碎带注浆的合理加固圈宜为开挖轮廓线外5 m，Ⅴ级围岩下的合理加固圈宜为开
挖轮廓线外6 m，且在该注浆范围下进行注浆设计和加固，注浆后Ⅳ级、Ⅴ级围
岩相当于提高了一个围岩等级。

参考文献
【相关文献】
[1] 崔玖江，崔晓青.隧道与地下工程注浆技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2] 薛晓辉，张军，姚广，等.公路隧道衬砌注浆加固力学特性研究[J].公路交通科技，2017，34(4)：93-100.
[3] 巫建晖，刘瑞全，王连成.寒区隧道浅埋富水区深孔注浆堵水加固工艺研究[J].公路交通技术，2016，32(5)：91-95.
[4] 李治国.厦门翔安海底隧道进口左线F-1风化槽注浆技术探讨[J].现代隧道技术，2008，45(S1)：407-413.
[5] 徐海廷，王全胜，孙国庆，等.厦门翔安海底隧道土石交界软弱地层全断面注浆试验研究[J].铁道工程学报，2009(1)：67-71.
[6] 王乾，曲立清，郭洪雨，等.青岛胶州湾海底隧道围岩注浆加固技术[J].岩石力学与工程学报，2011，30(4)：790-802.
[7] 张明伟，金纯，田斌华，等.深埋破碎围岩隧道围岩特征曲线及注浆加固范围[J].山西建筑，2017，43(8)：152-154.
[8] 李鹏飞，张顶立，赵勇，等.海底隧道复合衬砌水压力分布规律及合理注浆加固圈参数研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31(2)：280-288.
[9] 何红忠，王星华.海底隧道修建中注浆加固圈参数研究[J].公路交通技术，2008(5)：99-102.
[10]朱栋梁，李成学，徐干成，等.别岩槽隧道注浆加固圈及二次衬砌厚度的确定[J].铁道建筑，2006(11)：70-72.
[11]TOLPPANEN P，SYRJNEN P. Hard Rock Tunnel Grouting Practice in Finland[J]. Sweden，and Norway-Literature Study by Finnish Tunnelling Association，2003.
[12]汪磊.胶州湾海底隧道预注浆加固不良地质段的稳定性分析[D].北京：北京交通大学，2009.。