淺埋暗挖地鐵隧道特殊黃土地層注漿預加固技術研究

方國清

【摘 要】 以西安地鐵2號線某區(qū)間隧道為工程背景，對該區(qū)間穿越特殊黃土地層預加固的方法進行研究。結合區(qū)間隧道采用的淺埋暗挖施工技術，介紹了超前大管棚支護、小導管注漿支護技術，對比現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了注漿預加固技術在西安地區(qū)特殊黃土中的應用效果，對西北黃土地區(qū)其他城市的地鐵建設起到一定的參考和借鑒意義。

【關鍵詞】 淺埋暗挖 黃土地鐵隧道 注漿預加固技術 應用

位于西部黃土地區(qū)的西安市地鐵工程是我國第一條在黃土地區(qū)修筑的地鐵。西安地鐵施工大多采用淺埋暗挖法和盾構法施工，其中淺埋暗挖法是針對埋置深度較淺、松散不穩(wěn)定的上層和軟弱破碎巖層施工而提出來的施工方法。由于城市地鐵埋深淺、地面建筑物密集、地下管線密布，施工中為了保護既有建筑物及地下管線不受破壞，且盡量減少地表沉陷，常常需要采取有效的地層預加固措施來保證隧道施工的安全和穩(wěn)定，其中超前大管棚支護和小導管注漿支護是在淺埋暗挖地鐵施工中常用的地層預加固措施，它具有以下優(yōu)點：（1）在掌子面前方形成了超前支護體系，提高圍巖自身的穩(wěn)定性，使圍巖松弛變形得到有效抑制，保障安全施工；（2）預加固效果安全可靠，注漿質量易于控制；（3）通過調整注漿支護的漿液凝固時間，可以縮短開挖工序時間[1]。本文結合西安地鐵二號線某區(qū)間隧道工程實例，對該區(qū)間穿越特殊黃土地層預加固注漿技術進行研究。

1 工程概況

西安市地鐵二號線某區(qū)間隧道全長1176m，區(qū)間里程YCK20 +623～YCK21+799，右線軌面高程413.407～426.747m，北低南高，結構底板埋深約23.0～16.0m，相應隧道上覆土層厚度約15～8m。在YCK21+00～YCK21+500段為分繞段，在YCK21+220設一施工豎井通道（兼聯(lián)絡通道）。全區(qū)間隧道均采用淺埋暗挖法施工，施工豎井通道擬采用明挖法施工。

該區(qū)間屬黃土梁洼區(qū)，地面高程432.51～440.28m，全段南高北低，高差7.77m，單面坡，最大縱坡18‰，洞頂覆土7.9～19.7m，水位埋深為12.5～20.5m，飽和軟黃土連續(xù)分布，跨2條西安地裂縫（f11，f12），下穿南繞城高速立交橋。地層從上到下依次為人工填土、黑壚土、新黃土、古土壤、老黃土、飽和軟黃土、粉質粘土，洞身主要穿過古土壤、飽和軟黃土及老黃土層。

該區(qū)間處于濕陷性黃土地段，根據(jù)室內濕陷性試驗結果，結合場地地層條件，場地內濕陷性土層分別為1-2層素填土、3-1層新黃土、3-2-1層古土壤及4-1-1層老黃土。其中3-1層新黃土、3-2-1層古土壤為區(qū)間主要濕陷土層。區(qū)間濕陷土層厚度12.5～17.0m，沿線路呈北薄南厚，場地濕陷等級為Ⅱ級（中等）～Ⅳ級（很嚴重），全區(qū)間主要為Ⅱ級（中等），局部為Ⅲ級（嚴重），個別Ⅳ級（很嚴重）。

2 施工方案的提出

由于該區(qū)間隧道穿越地裂縫變形帶、厚層人工填土帶及黃土濕陷性嚴重地段，對地鐵淺埋暗挖法施工產生不利的影響，具體分析如下：

2.1 f11、f12地裂縫變形帶（Ⅵ級圍巖）

f11、f12地裂縫變形帶在同一變形區(qū)內，f11、f12地裂縫上（南）盤、下（北）盤因地下水位差異及斷距較大等因素存在明顯的地層上差異，并且同深度及同層土層表現(xiàn)上（南）盤較下（北）盤松軟，力學參數(shù)偏小。在地裂縫影響帶范圍內，因上下盤地層差異引起的隧道圍巖差異及軌基不均勻問題，將產生一系列的工程問題。

2.2 厚層人工填土帶（Ⅵ級圍巖）

區(qū)間右線在YCK21+160～YCK21+500段，填土厚度達2.70～10.0m，且主要以雜填土為主，填土距隧道頂0.0～6.0m，特別是在繞城高速高架橋段人工填土最厚，緊臨隧道頂，在暗挖施工時，若處理不當易冒頂，同時地層沉降會對高架橋的樁基產生負摩擦力，增加額外載荷。

2.3 地下水位以下地段（濕洞室）（Ⅵ級圍巖）

左右線YCK20+623～YCK21+300暗挖施工段（不含上述2個特殊帶），隧道頂及上半部分主要為水上濕陷土，隧道下半部及基底為飽和土，隧道開挖時要防止上部黃土因濕陷引起冒頂，又要避免基底土的擾動及側向大的變形。

2.4 地下水位以上地段（干洞室）（Ⅴ級圍巖）

左右線在YCK21+300至YCK21+799（不含2個特殊帶）暗挖施工穿越層主要為具濕陷性的3-1新黃土及3-2-1層古土壤，局部為4-1-1層。天然條件下，隧道洞室穩(wěn)定性較好，這些土層對水敏感，可因周邊管網(wǎng)滲漏及施工用水、雨水等滲入，引起自重濕陷，土體軟化，強度降低較快，易大塊崩塌，圍巖可由Ⅴ級變?yōu)棰黾?，特別是暗挖時初襯前及初襯施工過程對其影響較大。另外，這些土層含多量鈣質結核，對暗挖施工開挖土方影響較大。

結合該區(qū)間隧道的地質工程勘察報告，為了保證地鐵隧道安全順利地這些不良地質地段（V、Ⅵ級圍巖），考慮到施工現(xiàn)場的實際情況，采用超前大管棚支護、小導管注漿支護相結合的超前預加固輔助技術措施。在整個隧道開挖過程中，預加固技術的施工效果直接影響到隧道能否安全通過地裂縫變形帶、厚層人工填土帶及地下水上水下地帶等不良地質地段，而且直接影響到地上繞城高速立交橋、路面、地下管線和地上既有建筑物（群）的安全。

3 施工工藝

3.1 基本原理

超前大管棚支護、小導管注漿支護技術是在掌子面周邊按一定傾角將導管打入圍巖，借助注漿泵的壓力，使?jié){液通過導管滲透、擴散到巖層空隙或裂隙中，以改善圍巖的物理力學性能，這樣能在工作面四周形成一定厚度和強度的承載殼，可以截水堵水，而且導管還具有超前錨桿的作用，實現(xiàn)加固巖層，提高掌子面圍巖的自穩(wěn)能力[3]。二者的區(qū)別是大管棚所用的鋼管直徑較大為100mm～600mm，長度亦較長，一般都在20m～40m左右，且其外插角不能過大（一般≤5°），與小導管相比，其剛度更大，對地層的預加固效果也更理想，往往用于處理地鐵施工造成的超量不均勻下沉。它們是目前預加固地層使用較多的超前支護技術法，可以單獨使用也可以結合使用，廣泛應用于支護自穩(wěn)時間短的軟弱破碎帶、淺埋軟弱圍巖、嚴重偏壓隧道和下穿河床、湖底或海底以及高速公路、鐵路及各種建筑物地基的隧道，對砂層、砂卵石層、斷層破碎帶、涌水隧道也有很好的效果[4]。

3.2 設計原則

采用地層預加固注漿技術的目的在于防止開挖時掌子面前方圍巖不能自穩(wěn)而出現(xiàn)較大地面沉降或不均勻沉降，以至不能滿足隧道設計施工的要求，影響地下管線、地上建筑物的安全，甚至出現(xiàn)涌水、流沙、圍巖坍塌等工程事故。在方案設計時，應充分考慮支護時間、支護類型和支護參數(shù)的選擇：（1）導管的間距應根據(jù)掌子面前方的地質情況和自穩(wěn)能力確定，通常按每米3～4根布置；（2）導管的外插角（是指導管與隧道開挖輪廓的夾角α）應考慮導管的長度和格柵鋼架的間距；（3）考慮一次掘進進尺及前后導管之間的搭接長度，一般不宜小于1.0m。

3.3 施工技術研究

3.3.1 超前大管棚支護

大管棚是保證施工過程中地層的安全穩(wěn)定、控制施工引起的地表沉降的重要措施。

管棚采用管徑108mm，壁厚5mm的鋼管，環(huán)向間距40cm，外插角2～3°。鋼管內灌注1：1水泥水玻璃漿液。

（1）大管棚施工工藝流程：大管棚施作示意見圖見圖1，大管棚施工工藝流程見圖2。

（2）大管棚施工。

①大管棚施工準備——管棚制作：長管棚采用3.5m的管節(jié)，由內套管聯(lián)結，為保證同一斷面上的管接頭數(shù)不超過50%，隔一制作長2.5m鋼管作短管，鋼管堆放時避免其翹曲。

施做工作室：在洞內施作大管棚，需設0.75m高、4.0m長的加高段來滿足鉆機操作空間。在長管棚施作斷面前4.0m處開始施做。因大管棚施作時間較長，為避免掌子面長時間失穩(wěn)，采取錨噴砼封閉掌子面。

②測量定位——在工作斷面前搭設鉆機操作平臺，由測量放出開挖輪廓線，在開挖輪廓線以外20cm范圍內畫出鉆孔的位置。

③鉆孔——鉆機定位：移動鉆機至鉆孔部位，調整鉆機高度，使鉆機轉軸和鉆桿在一條直線上，并用儀器量測這一直線的角度。鉆孔：經(jīng)儀器量測，并在鉆桿方向和角度滿足設計要求后方可開鉆。鉆孔開始時選用低檔，待鉆到一定深度后，退出、接鉆桿，繼續(xù)鉆進。鉆孔過程中要始終注意鉆桿角度的變化，并保證鉆機不移位。每鉆進5m要用儀器復核鉆孔的角度是否正確，以確保鉆孔方向偏斜修正每隔5m測定鉆孔中和壓入鋼管時的偏斜，調整鉆機高度和轉軸角度進行修正。

④下管：下管前要預先按設計對每個鉆孔的鋼管進行配管和編號，隔一安設2.5m長鋼管作短管，以保證同一斷面上的管接頭數(shù)不超過50%。由于地質條件較差，因此下管要及時、快速，以保證在鉆孔穩(wěn)定時將管子送到孔底。前期靠人工送管，當阻力增大，人力無法送進時，借助鉆機頂進。每節(jié)管間采用內襯套滿焊連接。內襯管用同級鋼管切割成所用管具內徑管焊接，內套管長200mm。每節(jié)間連接如圖3所示。

⑤孔口封閉：首先用帶連接注漿管的鋼板與管棚鋼管焊接牢固（注漿連接管采用閥接式），見圖4，然后再將管棚鋼管與鉆孔的環(huán)形空間用干硬砼料封堵密實，噴射10cm混凝土進行封堵。

⑥注漿：大管棚全部頂進、孔口封閉后，注入水泥水玻璃，保持注漿壓力為0.6～1.0Mp，使管棚填充密實。

（3）大管棚施工質量控制及措施：①嚴格要求按設計圖及技術交底施工；②大管棚管節(jié)堆放嚴禁翹曲；③精確定位、調整鉆機鉆軸，確保鉆具鉆進角度及方位的精度；④在鉆進過程中，經(jīng)常用羅盤量測鉆具的角度變化，發(fā)現(xiàn)異常及時調整；⑤下管要及時、準確、快速；⑥保證注漿量能填滿管內空間；⑦保證施工鉆機的正常運轉，配備足夠的維修技術人員和零配件。

（4）管棚施工注意事項：①鉆孔前鉆機安裝要牢固。②精確測定導向管的位置和方向。管棚鋼管不侵入開挖線以內，相鄰的鋼管不得相撞和相交。③鉆孔中防止鋼管在導向管上震動。④鉆孔過程中在開孔后2m處、孔深1/2處、終孔處進行三次斜度量測。若誤差超限及時改進鉆孔工藝進行糾偏。⑤鋼管節(jié)之間采用內襯套滿焊連接，使各管節(jié)連成一體，受力后不脫開。

3.3.2 超前小導管注漿支護

小導管超前注漿加固技術是淺埋暗挖法施工中非常重要的手段之一，小導管不僅起到了超前管棚的作用，而且通過注漿工藝提高了圍巖的自穩(wěn)能力，超前小導管注漿工藝流程圖見圖5。

（1）小導管制作。超前小導管采用熱軋鋼管，管長2.5～3.0m，注漿管一端做成尖形，在另一端0.5～1.0m處開始鉆孔，鉆孔沿管壁間隔100～200mm呈梅花形布設，孔位互成90°，孔徑6～8mm。

注漿鋼管沿開挖輪廓線布置，外插角一般取5°～10°，處理坍體時可適當加大?？v向前后相鄰兩排小導管搭接的水平投影長度一般不宜小于1m。注漿小導管環(huán)向間距應按設計要求或通過試驗確定，無試驗條件時，視地質條件按0.2～0.4m選用。注漿試驗的主要目的是選定注漿壓力p、注漿半徑r及注漿量。在選定注漿半徑r后，可按兩圓相交形成厚度等于30cm確定孔距。

（2）注漿工藝流程。注漿工藝流程見圖6。

注漿前先掛網(wǎng)噴混凝土封閉掌子面以防漏漿，對于強行打入的鋼管應先沖凈管內積物，然后再注漿，注漿順序由下向上，漿液用攪拌桶攪拌。

3.4 效果檢驗評價

（1）圍巖預支護效果。經(jīng)過對加固土體進行開挖證實，目測注漿加固范圍，從掌子面開挖效果看，漿脈分布較為明顯，注漿孔周圍有明顯的擠密土體。超前大管棚、小導管注漿把隧道界面開挖輪廓線四周一定范圍內的破碎圍巖固結成整體，形成了堅固的支護體，提高了掌子面前方巖體的剛度和強度，大大減小了因隧道開挖導致的圍巖松弛、坍塌或地面沉降，從而保證了掌子面前方土體的安全穩(wěn)定。

（2）地面沉降控制。自2010年7月該區(qū)間開工以來，地鐵隧道施工已經(jīng)穿越了地裂縫f11、厚層人工填土帶等不良地段，隧道拱頂下沉在采用超前注漿預加固施工措施后，得到了有效控制，根據(jù)地表沉降監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析得知， 收斂增長較緩，均滿足設計要求。無論地表沉降監(jiān)測點還是地下隧道內沉降監(jiān)測點最大累計沉降值均遠小于預警值（30 mm），隨后的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示此段沉降已穩(wěn)定。同時經(jīng)施工過程中觀察，地面沒有出現(xiàn)因沉降引起的裂紋，充分說明了注漿超前支護對防止圍巖惡化，控制隧道變形作用是顯著的。

4 結語

（1）超前大管棚支護、小導管注漿可以在隧道開挖輪廓線外形成一個環(huán)向的支撐體，有效地阻止了軟弱圍巖出現(xiàn)坍塌，同時導管又起超前錨桿的作用，改善掌子面聯(lián)成一個受力整體。

（2）在西安特殊的黃土地質情況下，超前大管棚支護、小導管注漿技術在淺埋暗挖、軟弱圍巖地鐵隧道施工中是一種有效的地層預加固方法，尤其是在穿越地裂縫、黃土厚度大濕陷嚴重的地質條件下首次嘗試，預加固效果良好。

（3）應用實踐表明， 超前大管棚支護、小導管注漿加固地層的方法可以提高圍巖的自穩(wěn)能力、截水止水效果明顯、明顯減小地表下沉和不均勻沉降，對西北黃土地區(qū)其他城市的地鐵建設起到一定的參考和借鑒意義。

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