飽和軟弱黃土暗挖隧道塌方加固處理技術(shù)

文｜西安市軌道交通集團建設(shè)分公司 何小華

在西安城市軌道交通工程建設(shè)中，飽和軟黃土地層的風(fēng)險和技術(shù)難度遠大于其他地層，可以說是西安城市軌道交通建設(shè)中風(fēng)險最大的問題，重點是降水引起的地面沉降過大和暗挖隧道的穩(wěn)定問題。究其原因，主要是這層土孔隙大，含水量高，強度低，抗變形能力差，呈流塑狀態(tài)，與其他地層相比，工程性質(zhì)惡劣很多。在具體工程中，降水引起的地面變形大，時間長，不易穩(wěn)定，隧道開挖支護收斂變形大，易塌方。這層土在西安分布比較規(guī)律，以興慶公園為中心，方圓10km2內(nèi)均有層厚不同的飽和軟弱黃土。從地質(zhì)年代上講，飽和軟弱黃土主要有兩層：一是新黃土-飽和軟黃土，常稱為3-1-3 層，均是由于地下水毛細作用或者說地下水抬升過程中，濕陷性沒有發(fā)生，在長期浸潤作用下，黃土中支撐骨架聯(lián)結(jié)作用的鹽分進行重分布，強度大幅度降低；二是老黃土-飽和軟黃土，常稱為4-1-3 層，這層土分布在古土壤層底界的下方，也具有飽和軟黃土的性質(zhì)。

在近幾年西安城市軌道交通工程的實踐中，飽和軟弱黃土地層中發(fā)生了多起應(yīng)急搶險的事故。如一號線某豎井降水開挖后周邊建筑物沉降達到超過80mm；三號線某暗挖區(qū)間隧道發(fā)生塌方，造成較大安全事故；五號線某地裂縫暗挖區(qū)間降水和開挖引起沉降超過200mm，嚴重影響市政設(shè)施和周邊建構(gòu)筑物的安全。為此探討在這種地層中的加固技術(shù)有重要的實踐價值。本文以地鐵三號線飽和軟黃土地層中暗挖隧道發(fā)生塌方為背景，重點探討應(yīng)急加固技術(shù)的應(yīng)用，旨在為同行提供參考。

1 工程概述

1.1 工程概況

圖1 穿越地裂縫暗挖段縱斷面

西安地鐵三號線長樂公園-咸寧路站區(qū)間為盾構(gòu)+礦山法暗挖法，其中區(qū)間暗挖段隧道左線長187.187m，右線長194.359m，f5地裂縫穿越該暗挖段，暗挖斷面分為兩種，一是A 型斷面，開挖輪廓為10.1（寬）×10.32（高）m；二是B 型斷面，開挖輪廓為9（寬）×9.22（高）m，如圖1。支護型式采用復(fù)合式襯砌，即以小導(dǎo)管超前預(yù)注漿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和鋼架為初期支護，以模筑鋼筋砼襯砌為二次襯砌組成，初期支護與二次襯砌間設(shè)全封閉防水隔離層。采用CRD施工工法、洞外降水。

1.2 地質(zhì)情況

該區(qū)間暗挖隧道穿越f5地裂縫，通過地段巖性復(fù)雜，以f5地裂縫為界，以北地層依次為：人工填土（素填土）、新黃土（水上）、古土壤、老黃土（水下），隧道掌子面土層為老黃土和古土壤，巖性較好；以南地層依次為：人工填土（素填土）、新黃土（水上）、飽和軟黃土、古土壤、老黃土（水下）。其中新黃土（水上）具濕陷性及高壓縮性，可塑，土質(zhì)均勻，天然狀態(tài)下較好，受水浸泡后性質(zhì)變差，并有可能變?yōu)轱柡蛙淈S土；飽和軟黃土力學(xué)性質(zhì)差、流塑、具高壓縮性。f5地裂縫走向NW280°，傾向SE，傾角89°，縫寬3mm，斷層涌水量3-5m3/h。f5地裂縫西起蔣家寨，經(jīng)長樂公園至黃河實驗小學(xué)，是西安地裂縫活動較強烈地段之一，長樂公園車站附近地裂縫目前仍有明顯活動，垂直活動速率約為5mm/a 左右。地下水主要為潛水,區(qū)間西側(cè)約1km 處興慶公園的興慶湖，水深2m、長樂公園車站東北約400m 處有長樂公園人工湖，水深約2m。施工區(qū)域地下水與以上兩處湖水有地下水利聯(lián)系。

1.3 隧道開挖情況

地裂縫影響段坑外降水效果差，洞內(nèi)開挖臨近帶水作業(yè)。左線隧道開挖至地裂縫附近處，掌子面不斷發(fā)生細微塌方、涌泥現(xiàn)象，尤其是2013年1月19日凌晨2 時，左線隧道開挖鄰近地裂縫時，隧道掌子面后出現(xiàn)大量涌水涌泥現(xiàn)象及塌方，現(xiàn)場立即噴射砼封閉掌子面并及時引、排由地裂縫附近涌出的地下水，如圖2。為確保施工安全，保護洞內(nèi)作業(yè)人員及拱頂上方污水、給水、燃氣管線安全、維持地面正常的交通秩序，施工被迫停止。

圖2 左線隧道地裂縫處掌子面涌泥及局部塌方

2 坍塌原因分析

通過對該暗挖隧道工程現(xiàn)場踏勘及研判后認為，引起塌方和涌泥的主要原因有以下幾點：一是飽和軟弱黃土呈流塑狀，降水效果不好，穩(wěn)定性差，二是受f5地裂縫的影響，坑外降水無法疏干地裂縫f5內(nèi)涌出的大量地下水。三是地裂縫貫穿整個開挖的斷面，常規(guī)的超前小導(dǎo)管壓入單液漿無法起到應(yīng)有的效果。

圖3 區(qū)間左右線全斷面注漿平面圖

3 加固處理技術(shù)

坍塌情況出現(xiàn)后，項目部立即上報業(yè)主，由業(yè)主主持召開了專題會議，監(jiān)理、工點設(shè)計、總體設(shè)計單位、施工單位等相關(guān)人員共同參與研究制定了加固處理技術(shù)方案。主要有兩種方案，方案一是持續(xù)降水；方案二是全斷面壓入雙液漿。降水方案由于地層為飽和軟黃土，降水可能引起的沉降較大，類比同類工程經(jīng)驗，預(yù)期會超過50mm，在交通主干道，風(fēng)險較大，且依據(jù)本段降水經(jīng)驗看，降水后，地裂縫帶內(nèi)水無法完全疏干。最終選擇采用方案二，具體為在區(qū)間左、右線f5地裂縫前后8m 進行全斷面注漿加固，加固范圍為隧道開挖面及上下、左右各2m。全斷面注漿孔按1m×1m 梅花形布置，注漿管采用6m 長Φ48×3.5mm 鋼管。注漿材料為雙漿液（水泥:水玻璃為1:1），全斷面注漿分4 個循環(huán)施作。施工時，打設(shè)6m 鋼花管，注漿完成后，開挖進尺4m，余2m 止?jié){墻，然后開始下一循環(huán)。根據(jù)隧道的CRD 開挖工法，每個導(dǎo)洞每循環(huán)注漿結(jié)束并查明確認加固效果后再進行開挖，若加固效果不佳則應(yīng)補注。如圖3所示。

圖4 掌子面注漿孔、超前地質(zhì)探孔分布圖

3.1 注漿孔位布設(shè)

施工時注漿孔位布設(shè)分為兩部分，第一部分為開挖輪廓線外。第二部分為預(yù)留核心土西側(cè)、頂部的掌子面范圍內(nèi)。

第一部分注漿管（原設(shè)計超前小導(dǎo)管）采用6m 的注漿花管（以6m 花管為主要注漿管，若6m 無法打設(shè)，可打入3m 花管），在開挖輪廓線處注漿花管布設(shè)環(huán)向間距15-20cm、打設(shè)花管時盡量向開挖輪廓線外傾斜，（角度15-20°）。第二部分注漿花管沿預(yù)留的核心土西側(cè)、頂部間隔1m 梅花形打設(shè)6m 鋼花管。如圖4所示。

3.2 注漿配比及凝結(jié)時間

將40Be 的水玻璃稀釋成30Be，水玻璃模數(shù)為2.4，盛放在帶標簽的容器內(nèi)待用。根據(jù)現(xiàn)場試驗，按一定比例將稀釋硫酸與水玻璃配制成水玻璃溶液，通過雙液注漿泵將水泥-水玻璃雙液漿注入前方預(yù)加固土層。水泥漿水灰比1:1-0.6:1，水泥標號425，注漿材料應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件反復(fù)試驗比選確定，最終配比為：水泥漿水灰比1:1；水泥漿水玻璃體積比1:1，緩凝劑摻量為1.9%，凝膠時間為60s。

3.3 鉆孔及設(shè)備

TXU-75D 鉆機1 臺、SJB-300×2 連續(xù)供料攪拌器2 臺、ZTGZ-60/210 型注漿泵1臺，測定儀1 臺。

圖5 30BE 水玻璃不同水灰比下凝結(jié)時間折線圖

圖6 上導(dǎo)洞掌子面雙液注漿

3.4 注漿壓力及壓力控制

起始注漿壓力0.2～0.4mPa，最大注漿壓力2～3.5mPa。在進行漿液壓注時，壓力控制采用一次升壓法，注漿開始短時間內(nèi)將壓力升到最大壓力，并一直保持至壓漿結(jié)束。在恒定的壓力下每一級濃度漿液累計吸漿量達到一定限度后由試驗部門調(diào)整配比。

3.5 注漿順序

首先對掌子面及拱腰位置的明水進行集中明排，注漿時先對開挖輪廓線的花管注漿，再注掌子面。先注無流水孔，后注有流水孔，從拱頂向下的順序依次注漿。如圖6。

3.6 注意事項

（1）注漿過程中為防止掌子面冒漿，對掌子面掛網(wǎng)噴射150mm 左右的砼對其封閉。

（2）注漿首先采用1:1 單液漿填充隧道塌方形成的空洞，待空洞填充密實后，壓注雙液漿加固開挖掌子面。

（3）下導(dǎo)洞打設(shè)2 個Φ108 排水孔，使前方地層水沿排水孔集中明排。下導(dǎo)安排專人將積水抽至橫通道排水溝。

3.7 注漿后開挖

注漿后通過超前地質(zhì)探孔查明地層加固情況，并觀察掌子面是否有滲漏水現(xiàn)象。若加固情況良好則進行開挖。為加快封閉成環(huán)速度盡量避免過大范圍的擾動加固地層，開挖時CRD 工法的上部兩個導(dǎo)洞各分兩次進行。首先開挖CRD 工法的左上導(dǎo)洞拱頂下2m 高范圍掌子面土方，然后初噴混凝土，再架設(shè)此部分格柵，預(yù)埋超前小導(dǎo)管套管（2 榀一道），噴射格柵混凝土，同時封閉上半部分掌子面；開挖上導(dǎo)下半部分掌子面，邊開挖邊初噴掌子面，1m（高）/1 次，開挖完成后，架設(shè)下半部分鋼格柵，預(yù)埋超前小導(dǎo)管套管（2 榀一道），并及時架設(shè)臨時仰拱，噴射砼封閉。上下導(dǎo)洞錯開3m 后，開始下部導(dǎo)洞全斷面注漿、開挖方法同上部導(dǎo)洞。同樣的方法全斷面注漿后施工右上、右下導(dǎo)洞初期支護。

3.8 加固效果評價

注漿后隧道開挖過程中持續(xù)對影響范圍洞內(nèi)收斂及地表沉降進行監(jiān)測，已加固段開挖過程監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，凈空收斂及地表沉降較未加固段效果明顯，初支結(jié)構(gòu)及地表沉降得到很好地控制。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析如下：

4 結(jié)語

經(jīng)雙液漿加固后，地裂縫段飽和軟弱黃土加固體強度高、密實度好，止水效果佳、施工效率、開挖的安全性顯著提高，確保了區(qū)間如期穿越了f5地裂縫段，開挖的安全風(fēng)險得到較好控制。對于西安淺埋暗挖穿越地裂縫類似工況，在洞外降水無法達到預(yù)期效果時，采取雙液注漿措施固結(jié)土體能保證無水作業(yè)。f5區(qū)間隧道的順利實施所積累的經(jīng)驗對設(shè)計、施工均有一定的指導(dǎo)意義。

圖7 注漿前后地表沉降日數(shù)據(jù)周變化曲線對比圖

圖8 注漿前后凈空收斂日數(shù)據(jù)周變化曲線對比圖