地鐵隧道拱頂富水砂層加固技術(shù)

萬(wàn)廣臣，朱 琦，陳 健

（青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東青島 266000）

地鐵隧道拱頂富水砂層加固技術(shù)

萬(wàn)廣臣，朱 琦，陳 健

（青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東青島 266000）

地鐵區(qū)間隧道建設(shè)工程中，富水砂層極易導(dǎo)致涌水涌砂、塌方、地表沉陷等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)區(qū)間隧道安全開挖造成嚴(yán)重威脅。文章結(jié)合水文地質(zhì)及工程地質(zhì)情況和砂土層的物理力學(xué)性質(zhì)，采用合理的注漿加固方案和注漿工藝及注漿參數(shù)對(duì)富水砂土層進(jìn)行加固，并同時(shí)進(jìn)行地表及洞內(nèi)監(jiān)測(cè)，開挖結(jié)果表明，注漿加固效果良好。

地鐵隧道；富水砂層；注漿預(yù)加固；監(jiān)控量測(cè)

1 工程概況

青島地鐵 2 號(hào)線某區(qū)間隧道穿越市內(nèi)交通繁忙的主干道，區(qū)間拱頂范圍管線沿主干道方向主要有給水、有線、通訊、熱力、污水、雨水及電力管線等。該隧道埋深 15～18 m，采用鉆爆法施工，前期該區(qū)間采用旋噴樁止水加固措施未達(dá)到開挖所需要求，注漿孔鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)掌子面前方地下水仍較豐富，鉆孔內(nèi)涌水冒砂現(xiàn)象明顯，開挖過(guò)程中多次出現(xiàn)股狀涌水險(xiǎn)情；隧道開挖揭露砂層位于拱頂以下 1.5 ～2 m 砂層較厚，極易發(fā)生塌方，且周邊危險(xiǎn)性管線較多。為保證既有管線、地面交通及施工安全，本文結(jié)合水文地質(zhì)及工程地質(zhì)情況和砂土層的物理力學(xué)性質(zhì)，采用合理的注漿加固方案和注漿工藝及注漿參數(shù)，對(duì)富水砂土層進(jìn)行加固，并同時(shí)進(jìn)行地表及洞內(nèi)監(jiān)測(cè)。

2 注漿加固設(shè)計(jì)

2.1 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

注漿設(shè)計(jì)采用洞內(nèi)洞外相結(jié)合的方式，在原設(shè)計(jì)地面已施作旋噴樁加固地層的基礎(chǔ)上進(jìn)行洞內(nèi)半斷面補(bǔ)注漿止水并加固地層。

2.1.1 止?jié){墻設(shè)計(jì)

為防止?jié){液從注漿面的裂縫中反滲出來(lái)以及為固定注漿管，設(shè)置止?jié){墻。止?jié){墻內(nèi)埋設(shè)φ89 mm 無(wú)縫鋼管作為孔口管，孔口管長(zhǎng) 1 m，孔口外露 0.2～0.3 m。施作止?jié){墻范圍為掌子面上導(dǎo)開挖輪廓線以內(nèi)區(qū)域，止?jié){墻采用C25 模筑混凝土，厚度為 50 cm（圖1）。

2.1.2 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）注漿終壓 1.5～2 MPa，極限壓力 2.5 MPa。

圖1 止?jié){墻圖（單位：mm）

（2）選用水泥漿和水泥-水玻璃雙液漿作為注漿材料，水泥漿使用 42.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比為 1∶1；水泥-水玻璃雙液漿配比（體積比）1∶1，凝膠時(shí)間28.30 s。

（3）注漿擴(kuò)散半徑 0.7～1.0 m。

2.1.3 地質(zhì)孔及注漿孔設(shè)計(jì)

（1）超前地質(zhì)孔布設(shè)。注漿實(shí)施前，根據(jù)前期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，鉆 5～6 個(gè)超前水平鉆孔以探明地下水水發(fā)育情況，超前鉆孔起點(diǎn)在預(yù)測(cè)突水處以前 5～10 m，其終點(diǎn)超過(guò)預(yù)測(cè)突水段 5 m，超前地質(zhì)鉆孔位置如圖2 所示。

（2）注漿孔布設(shè)。半斷面注漿加固范圍為開挖輪廓外 4 m，開挖輪廓內(nèi) 1 m 范圍，如圖3 所示，注漿孔沿隧道開挖輪廓線內(nèi)環(huán)向布設(shè)，每個(gè)循環(huán)注漿加固長(zhǎng)度為 12 m，開挖長(zhǎng)度為 9 m，預(yù)留 3 m 已注段作為止?jié){巖盤；注漿孔由工作面向開挖方向輻射狀發(fā)散，確保漿液充分?jǐn)U散至地層中；鉆孔開孔直徑為 89 mm，孔間距不大于 2.5 m。

2.2 注漿工藝及注漿控制

（1）注漿工藝采用分段前進(jìn)式注漿，每注漿循環(huán)采用 4 個(gè)步序：①深孔加固拱頂砂層注漿；②加固破碎巖體；③注漿；④補(bǔ)充注漿。若注漿效果未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，增加設(shè)置小導(dǎo)管補(bǔ)充注漿。

（2）注漿終壓控制在 1.5～2.0 MPa，極限壓力2.5 MPa。

（3）單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力并繼續(xù)注漿 10 min 以上，方可結(jié)束注漿或者當(dāng)單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量并且注漿量小于 20～30 L/min 時(shí)，可結(jié)束本孔注漿。

3 注漿效果檢測(cè)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)觀察

掌子面開挖后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察掌子面注漿情況（圖4）和注漿加固塊（圖5），分析注漿效果。由圖4、圖5 可以看出，掌子面有大量明顯的漿脈，且圍巖穩(wěn)定，未發(fā)生坍塌失穩(wěn)、涌水、涌泥等現(xiàn)象；現(xiàn)場(chǎng)取樣過(guò)程中，掌子面土體比注漿前的土體堅(jiān)硬、密實(shí)，土樣不易破碎。從直觀角度判斷，注漿效果良好。

3.2 檢測(cè)孔檢測(cè)

圖2 超前地質(zhì)鉆孔布設(shè)（單位：mm）

圖3 注漿鉆孔布設(shè)（單位：mm）

每循環(huán)注漿段的注漿孔全部注完后，鉆 7 個(gè)檢測(cè)孔對(duì)注漿效果進(jìn)行檢測(cè)（圖6），檢測(cè)孔檢測(cè)范圍為隧道開挖輪廓外 2 m，具體位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整。檢測(cè)情況如下：

（1）取巖芯觀察漿液填充率達(dá)到了 80% 以上，巖心室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)度值大于 0.5 MPa，含水率小于 30%；

圖4 開挖時(shí)上臺(tái)階注漿效果

圖5 注漿加固塊

（2）對(duì) 7 個(gè)檢測(cè)孔滴水情況進(jìn)行檢查，其中 5 個(gè)孔滴水很小，滴水量均不大于 1 L/h，表明止水效果良好，對(duì)其進(jìn)行注漿封孔； 2 個(gè)檢測(cè)孔滲水較大，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)注漿，并在其附近補(bǔ)充 1 個(gè)檢測(cè)孔。

以上檢測(cè)說(shuō)明，通過(guò)注漿預(yù)加固施工，注漿液滲透土層孔隙，形成凝固體，降低了土體的滲透性，起到了良好的止水帷幕作用，達(dá)到了良好的止水效果。

4 監(jiān)控測(cè)量

4.1 洞內(nèi)監(jiān)測(cè)

洞內(nèi)監(jiān)測(cè)分為水平位移量測(cè)、豎向沉降量測(cè)、爆破振速測(cè)量 3 個(gè)部分。隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置見圖7。該區(qū)間每 20 m 設(shè) 1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置 2 個(gè)水平收斂（位移）量測(cè)點(diǎn)（沿?cái)嗝骓槙r(shí)針編號(hào) 2和 4）、2 個(gè)豎向沉降量測(cè)點(diǎn)（沿?cái)嗝骓槙r(shí)針編號(hào) 1 和 3）、2 個(gè)爆破振速監(jiān)測(cè)點(diǎn)（Z1 和 Z3）；監(jiān)測(cè)斷面自小里程向大里程編號(hào) JC01～JC13； JC01-1 表示第 1 個(gè)斷面的第 1 個(gè)點(diǎn)，依次類推。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值見表1。

4.1.1 水平收斂測(cè)量

水平收斂量測(cè)主要是指對(duì)隧道壁面兩點(diǎn)間水平距離的變形量的量測(cè)（圖7），水平收斂測(cè)量采用全站儀觀測(cè)的方法進(jìn)行，內(nèi)業(yè)計(jì)算將各期觀測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)變化量投影至線路法向方向，計(jì)算水平位移值。經(jīng)過(guò)對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，各監(jiān)測(cè)斷面水平收斂數(shù)據(jù)整體穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)曲線光滑平緩，變化量較小，說(shuō)明各斷面均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。各監(jiān)測(cè)斷面中水平收斂量最大的是 JC03 監(jiān)測(cè)斷面，該斷面中 JC03-2 測(cè)點(diǎn)和JC03-4測(cè)點(diǎn)間的水平收斂時(shí)程曲線見圖8，由圖8 可見，最大水平收斂值為 3.2 mm，在允許范圍之內(nèi)，表明注漿過(guò)程中圍巖較穩(wěn)定，滿足洞內(nèi)注漿作業(yè)安全要求。

4.1.2 沉降測(cè)量

圖6 注漿檢查孔布設(shè)（單位：mm）

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)整體穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)曲線光滑平緩，變化量較小，說(shuō)明各點(diǎn)均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。各監(jiān)測(cè)斷面中監(jiān)測(cè)斷面 JC11 沉降較大，其底板監(jiān)測(cè)點(diǎn) JC11-1 和拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn) JC11-3 沉降監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線見圖9，由圖9 可見，拱頂測(cè)點(diǎn) JC01-3 累計(jì)最大沉降為 3.5 mm，在允許范圍之內(nèi)，表明注漿過(guò)程中圍巖較穩(wěn)定，滿足洞內(nèi)注漿作業(yè)安全要求；由于隧道基底為中等風(fēng)化花崗巖，底板監(jiān)測(cè)點(diǎn) JC11-1 累計(jì)最大沉降約為 1 mm。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)斷面量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值

圖8 水平收斂監(jiān)測(cè)曲線

4.1.3 爆破振速測(cè)量

表2 給出了采集到的爆破振速數(shù)據(jù)，由表2 可知，所有爆破數(shù)據(jù)值均未超出振速預(yù)警上限，最大爆破振動(dòng)速率出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn) JC12-Z2，最大值為 V= 1.38 cm/s，滿足爆破振動(dòng)速率控制值 V= 2 cm/s（預(yù)警值 V= 1.6 cm/s），表明爆破單位控制藥量合理。

圖9 拱頂下沉量監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線

表2 爆破振速匯總表 cm/s

4.2 地表監(jiān)測(cè)

根據(jù)“監(jiān)測(cè)一段、開挖一段、支護(hù)一段、封閉一段”的施工工藝，每一監(jiān)測(cè)段長(zhǎng) 15 m、監(jiān)測(cè)斷面寬 12 m；監(jiān)測(cè)斷面從掌子面開始沿隧道開挖方向間隔3 m等距離布置 6 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面間隔 3 m 等距離布置 5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì) 30 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖10）。

注漿過(guò)程中對(duì)每個(gè)注漿孔每 10 min 進(jìn)行 1 次監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果比較，監(jiān)測(cè)斷面 4 上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表變形最大，監(jiān)測(cè)斷面 4 上的 5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn) 4-1～4-5 地表變形時(shí)程曲線如圖11 所示。從圖11 可知：步序 1 注漿 19 t，該過(guò)程地表基本無(wú)變形；步序 2 注漿 29.5 t，地表變形（隆起）增加緩慢；步序 3 注漿 15 t，該過(guò)程注漿開始后變形（隆起）增長(zhǎng)速度不斷加快，是地表變形（隆起）發(fā)展的主要階段；步序 4 補(bǔ)充注漿 13 t，注漿結(jié)束，地表變形（隆起）達(dá)到極值，累計(jì)最大變形（隆起）量為22 mm。整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域地表未發(fā)生大面積變形（隆起、沉降），路面及建筑物總體安全可控。

圖10 地表測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：mm）

5 結(jié)論

（1）地鐵隧道存在上覆砂層時(shí)，極易發(fā)生涌水涌砂、塌方等災(zāi)害，應(yīng)對(duì)地層進(jìn)行預(yù)加固堵水處理，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)；

（2）通過(guò)注漿對(duì)掌子面前方 12 m 富水砂層注漿堵水加固，確定注漿擴(kuò)散半徑、漿液配比等注漿參數(shù)，采用單液、雙液混合注漿，既能控制漿液擴(kuò)散范圍，又能保證砂層加固后的強(qiáng)度，實(shí)踐證明該段砂層及破碎圍巖加固效果良好；

（3）通過(guò)單孔注漿量和注漿壓力對(duì)注漿過(guò)程雙重控制，對(duì)控制地表隆起效果較好，為最大限度控制地面沉降，應(yīng)采用分段前進(jìn)式注漿；

（4）由外向內(nèi)由上向下，跳孔間隔注漿，施工效果較好。

［1］ 來(lái)弘鵬.地鐵區(qū)間隧道黃土地層注漿預(yù)加固技術(shù)研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2014，5（1）.

［2］ 孔恒，王夢(mèng)恕.城市地鐵隧道淺埋暗挖法地層預(yù)加固機(jī)理及其應(yīng)用研究［D］.北京：北方交通大學(xué)，2003.

［3］ 青島地鐵集團(tuán)有限公司.青島地鐵2號(hào)線監(jiān)測(cè)報(bào)告［R］.山東青島：青島地鐵集團(tuán)有限公司，2015.

［4］ 孫立功.廣州地鐵3號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間同步注漿技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，2010（10）.

［5］ 孔恒，王夢(mèng)恕.淺埋暗挖隧道工作面正面土體超前預(yù)加固的力學(xué)行為分析［C］.第九屆海峽兩岸隧道與地下工程學(xué)術(shù)及技術(shù)研討會(huì)論文集，2010.

［6］ TB10012-2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

［7］ TB10003-2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

圖11 地表隆起變形監(jiān)測(cè)時(shí)間歷程

責(zé)任編輯 朱開明

Reinforcement Technology of Metro Tunnel Vault Water Rich Sand Stratum

Wan Guangchen， Zhu Qi， Chen Jian

In metro tunnel construction engineering，water rich sand stratum is extremely prone to the gushing water and sand， collapse， ground subsidence and other geological disasters， bringing serious threat to tunnel excavation.By taking into consideration of the physical and mechanical properties of the geological，hydrogeological and engineering geological conditions and the sand soil stratum， the paper suggests to use optimal grouting reinforcement schemes and grouting technology for reinforcement while having the surface monitoring and inside monitoring on grouting parameters at the same time on the water rich sand and soil stratum.The excavation results show that the grouting reinforcement effect is satisfactory.

metro tunnel， water rich sand stratum，grouting reinforcement， monitoring and measurement

TU45

萬(wàn)廣臣（1982—），男，工程師

2015-12-08