地鐵區(qū)間隧道穿越人工回填卵石地層施工技術(shù)

萬飛，張旭昌，滕海渤

地鐵區(qū)間隧道穿越人工回填卵石地層施工技術(shù)

萬飛1，張旭昌2，滕海渤3

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京100088;2.新疆北新路橋集團(tuán)股份有限公司，烏魯木齊830011; 3.上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海200002)

針對烏魯木齊地鐵1號線三工站至宣仁墩站區(qū)間隧道，在穿越以卵石為主的人工填土區(qū)時的多次失穩(wěn)現(xiàn)象，對原施工方案進(jìn)行優(yōu)化，提出地表袖閥管注漿暗挖法施工方案，確定注漿順序、漿液配比、注漿過程控制、開挖方法、支護(hù)方案和專項措施。實(shí)際應(yīng)用表明，地表袖閥管注漿暗挖法施工方案加固土體效果良好，在注漿預(yù)加固作用下進(jìn)行開挖和支護(hù)，極大地降低了隧道失穩(wěn)的風(fēng)險。

地鐵區(qū)間隧道;人工填土;卵石;袖閥管注漿

修建地鐵隧道要面臨城市錯綜復(fù)雜的地質(zhì)條件，亦會遇到人為造成的填土地層。人工填土的組成成分復(fù)雜，分布不均，壓縮性高、自穩(wěn)性差。在此類地層中施工，地表沉降變形難以控制，隧道易發(fā)生冒頂、坍塌等危險［12］。深圳地鐵1號線延長線3A標(biāo)段在通過砂、軟土及素填土構(gòu)成的土層時，曾出現(xiàn)了2次地表塌陷事故。

烏魯木齊地鐵1號線三工站至宣仁墩站區(qū)間隧道，有270m段落上覆4～16.3m厚以無膠結(jié)卵石為主的人工填土層，局部填土層侵入隧道斷面。此類地層條件的施工，目前沒有直接的工程經(jīng)驗(yàn)可以參考，但可以借鑒砂卵石地層和人工填土地層的相關(guān)研究成果。北京地鐵和成都地鐵在工程實(shí)踐中進(jìn)行了砂卵石地層現(xiàn)場量測和計算分析，解決了施工中遇到的技術(shù)難題，并形成了相應(yīng)的施工關(guān)鍵技術(shù)［39］;重慶市主城區(qū)排水工程3#隧道實(shí)踐表明［10］，注漿會導(dǎo)致回填土層遇水軟化，需要重點(diǎn)控制注漿導(dǎo)致的地表沉降。

筆者以烏魯木齊地鐵1號線三工站至宣仁墩站區(qū)間隧道為背景，通過總結(jié)其在人工填土層施工時發(fā)生的工程問題，分析隧道失穩(wěn)的發(fā)生原因，優(yōu)化比選施工方案，確定施工措施、施工工藝及施工支護(hù)方案，保障了區(qū)間隧道施工的安全與質(zhì)量。

1 工程概況

烏魯木齊地鐵1號線工程三工站至宣仁墩站區(qū)間沿線地貌單元為山前傾斜沖、洪積礫質(zhì)平原區(qū)，卵石層厚度大于40 m，地形平坦，地勢南高北低。區(qū)間隧道拱頂埋深為8.8～15.5 m，區(qū)間結(jié)構(gòu)均位于V級圍巖砂卵石地層中，區(qū)間除下穿出入段及與6號線接軌段采用明挖法施工外，其余均采用暗挖法施工。其中，在YCK21+660～YCK21+750段和ZCK21+480～ZCK21+ 660段存在4～16.3 m厚的人工填土，隧道局部段落拱頂處于填土層中(見圖1)。該段人工填土為取土坑經(jīng)回填而成，地勘資料顯示回填土中有25%的建筑垃圾及生活垃圾，其余為砂卵石，卵石呈渾圓狀，母巖成分為灰?guī)r、砂巖等，顆粒不均，粒徑2～20 mm的約占10%，20～60 mm的約占40%，60～90 mm的約占10%，90 mm以上的約占5%，其余為雜砂礫及粉黏粒充填，巖芯呈散狀，中密，稍濕。

圖1 人工填土區(qū)縱剖面Fig.1 Profile of artificial filled soil area

隧道在該區(qū)段施工時先后出現(xiàn)了2次工作面滑塌現(xiàn)象:

1)2015年4月16日17:45，三—宣區(qū)間左線橫通道上臺階開挖至28.25 m，準(zhǔn)備安裝鋼格柵時，拱頂出現(xiàn)局部滑落，滑落料主要為卵石，顏色呈黃色，卵石表面較為潔凈，粒徑在50～150 mm之間，級配極為單一，滑落方量約2～3 m3，其滑落位置在拱頂中心偏右。橫通道滑落區(qū)頂部地表發(fā)生輕微沉降，距滑落區(qū)3 m左右地表最大沉降速率為21.2 mm/d，累計最大沉降值為22 mm，距滑落區(qū)6 m左右地表沉降值未發(fā)生顯著變化。

2)2015年7月2日11:05，三宣區(qū)間暗挖隧道左線開挖至ZK0+946.058(進(jìn)尺9.75 m)，上臺階進(jìn)行噴射混凝土施工時，拱頂突然坍塌。塌落體主要為卵石，表面潔凈，沒有任何膠結(jié)物，卵石粒徑為50～200 mm，級配單一，中間夾雜磚塊、蛇皮袋等垃圾，塌落量約18 m3(見圖2)。坍塌范圍內(nèi)地表瀝青路面出現(xiàn)沉陷，呈鍋底型，面積約為20 m2，最大沉陷深度約為60 cm (見圖3)。

圖2 隧道拱頂坍塌Fig.2 Picture of the collapse of tunnel vault

圖3 地表沉陷Fig.3 Picture of the surface subsidence

2 滑塌原因分析

2.1 巖性分析

2015年7月2日的事故發(fā)生后，對坍塌料進(jìn)行室內(nèi)篩分實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果:大于60 mm的粒料占26.1%，20～60 mm的粒料占72.2%，而小于20 mm的粒料僅占0.7%，不均勻系數(shù)為1.9，曲率系數(shù)為1.2，砂礫級配不良好。粒徑較為單一，沒有膠結(jié)材料，穩(wěn)定性極差，坍塌時具有一定的流動性。對地表塌陷處揭露發(fā)現(xiàn)，塌陷區(qū)土體整體下沉，可視地層為垃圾土(含腐殖土、磚塊、塑料制品等)，如圖4所示。

圖4 地表塌陷區(qū)地層揭露情況Fig.4 Exposing situation of the surface subsidence area

2.2 無膠結(jié)堆石料區(qū)圍巖破壞模式

2015年4月16日滑塌事件主要影響地表監(jiān)測點(diǎn)如圖5所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1、2。

圖5 地表監(jiān)測點(diǎn)平面布置Fig.5 Plane layout of surfacemonitoring points

表1 塌陷區(qū)及周邊地表監(jiān)測點(diǎn)沉降值Tab.1 Monitoring points settlement of surface subsidence and the surrounding mm

表2 塌陷工作面相鄰斷面水平收斂Tab.2 Horizontal convergence of ad jacent section of collapse area mm

由表1、表2得出:

1)滑塌發(fā)生前，地表沉降速率較小，沒有增大趨勢;滑塌發(fā)生后，地表沉降值突然增大，并造成DB 01 38點(diǎn)破壞無法測量，周邊點(diǎn)DB 01 41當(dāng)天受影響最大，沉降值增量達(dá)－21.2 mm;

2)滑塌發(fā)生后，洞內(nèi)水平收斂值無明顯變化，受影響程度極小，說明已支護(hù)洞周段圍巖狀態(tài)未受到影響。

由以上分析可以得到，三—宣區(qū)間隧道穿越人工填土區(qū)的地層破壞模式為超前掌子面的不良地質(zhì)體失穩(wěn)后涌入隧道(見圖6)，滑塌體為地質(zhì)突變體，與原地層有明顯的分界面，破壞具有突變性。地質(zhì)突變導(dǎo)致原施工工藝不適用是造成此次事件的原因，應(yīng)該對施工工藝進(jìn)行改進(jìn)。

圖6 人工填土區(qū)失穩(wěn)模式Fig.6 Instabilitymode of artificial filled soil area

3 施工方案比選

由開挖揭露和地勘結(jié)果來看，區(qū)間左線隧道自坍塌點(diǎn)(ZJDK0+946.058)～ZJDK1+064.480近119 m范圍、右線隧道自掌子面臨時封閉處(YJDK1+032.230)～YJDK1+070.000近38 m范圍均為人工填土影響區(qū)。對這種隧道拱頂為粒徑單一，沒有膠結(jié)材料的卵石層，如采用原設(shè)計的雙排小導(dǎo)管超前支護(hù)措施，其注漿定向效果差，注漿范圍及注漿效果很難控制，再次發(fā)生類似坍塌事件的可能性極大。因此，提出了2種施工方案:1)在人工填土影響區(qū)采用明挖法施工;2)采取袖閥管地表注漿方式對人工填土進(jìn)行改良，將拱頂一定厚度范圍內(nèi)的填土固結(jié)，形成具有一定強(qiáng)度的拱殼結(jié)構(gòu)，在拱殼結(jié)構(gòu)保護(hù)下進(jìn)行施工。2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)見表3。

表3 施工方案優(yōu)缺點(diǎn)Tab.3 Advantages and disadvantages of construction scheme

綜合比較后，確定后續(xù)人工填土影響范圍的左右線隧道采取地表袖閥管注漿暗挖法施工。袖閥管注漿平面范圍為右線里程YJDK1+032.000～YJDK1+ 070.000、左線里程ZJDK0+936.308(馬頭門位置)～ZJDK1+064.480，沿開挖線外各3 m，深度范圍為拱腰至拱頂以上5 m范圍，如圖7所示。

圖7 注漿加固剖面Fig.7 Profile of grouting reinforcement

4 袖閥管注漿試驗(yàn)段設(shè)計方案

4.1 注漿范圍

在實(shí)施大面積注漿前，首先進(jìn)行了小范圍注漿試驗(yàn)。選取在ZK0+956.78～ZK0+966.78范圍內(nèi)進(jìn)行地表注漿試驗(yàn)段施工，并先進(jìn)行塌陷區(qū)的地表注漿，通過塌陷區(qū)地表注漿總結(jié)優(yōu)化施工參數(shù)，而后在試驗(yàn)段進(jìn)行地表注漿驗(yàn)證。注漿范圍見表4。

表4 塌陷區(qū)及試驗(yàn)段地表注漿范圍Tab.4 Surface grouting range of subsidence area and the test section

4.2 注漿順序

注漿按分區(qū)分塊、先四周后中間的順序，注漿采取跳孔施工，自下而上分段注漿，注漿孔布置如圖8所示(紅色點(diǎn)為帷幕注漿孔，黑色點(diǎn)為中間注漿孔)。

4.3 漿液配比方案

4.3.1 配比原則

1)在注漿設(shè)備可注能力范圍內(nèi)，漿液水灰比取小值，最大限度地提高漿液濃度，一方面減小漿液的擴(kuò)散范圍，另一方面提高早期強(qiáng)度。

AVO是在疊前道集上分析振幅隨偏移距的變化特征來識別巖性及預(yù)測油氣。Zoeppritz方程是AVO技術(shù)的理論基礎(chǔ)，該方程給出了地震縱波非零角度入射的縱、橫波反射系數(shù)及透射系數(shù)間的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，常常廣泛采用該方程的近似表達(dá)式，當(dāng)入射角較?。é龋?0°）時，縱波反射系數(shù)近似與入射角正弦值的平方成線性關(guān)系，即Shuey近似公式

2)注漿以填充固結(jié)提高土層自穩(wěn)能力為目的，不需要較高強(qiáng)度。在注漿過程中，漿液會下滲至暗挖掌子面區(qū)域，如強(qiáng)度過高會嚴(yán)重增大掌子面人工開挖難度。同時，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，可適當(dāng)減少水泥用量，摻加部分相對經(jīng)濟(jì)的膠凝材料。

3)周邊帷幕注漿漿液應(yīng)盡量縮短初凝時間，以便快速形成有效封堵，防止?jié){液向加固區(qū)外大范圍擴(kuò)散。

4.3.2 內(nèi)部注漿孔漿液配比

按照配比原則，參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，注漿采取單液混合漿，其中膠凝材料由水泥、粉煤灰、生石灰組成。在塌陷區(qū)地表注漿施工過程中，漿液觀感較濃，可注性較好。單液混合漿配比見表5。

圖8 地表注漿順序Fig.8 Surface grouting order

表5 單液混合漿配比Tab.5 Ratio of single fluid m ixture

4.3.3 帷幕注漿孔漿液配比

對于四周封堵帷幕孔必須加快初凝時間，減少漿液向加固范圍外擴(kuò)散。因此，在上述單液混合漿配比基礎(chǔ)上，現(xiàn)場摻加水玻璃以縮短初凝時間，用于四周封堵帷幕孔的注漿施工，封堵帷幕孔漿液配合比見表6。4.4注漿過程控制

表6 帷幕注漿孔漿液配比Tab.6__ Ratio of curtain grouting slurry

4.4.1 分段注漿

注漿試驗(yàn)之初，現(xiàn)場設(shè)計以注漿壓力發(fā)生顯著變化作為分段提管或終止注漿指標(biāo)。如初始注漿壓力為1.0 MPa，當(dāng)注漿壓力提升至1.2～1.5 MPa后，再持續(xù)注10min，則提管或終止注漿。塌陷區(qū)地表注漿前期部分注漿孔采取了壓力顯著提升作為分段提升或終止注漿指標(biāo)，但在施工過程中，各孔初始壓力在0.2～1.0 MPa之間不等，差異較大，單孔壓注持續(xù)近一個作業(yè)班次的時間未見注漿壓力顯著提升，并且出現(xiàn)加固孔位5 m以外的地表裂縫冒漿的情況。

坍塌段地表注漿初步試驗(yàn)表明，因土層空隙率大，以注漿壓力顯著提升作為控制指標(biāo)會使?jié){液在松散地層中大范圍擴(kuò)散而造成浪費(fèi)。鑒于此，現(xiàn)場注漿泵隨即采取大流量低壓力的檔位進(jìn)行，對單孔注漿以理論注漿量為控制依據(jù)，并采取間歇性注漿。

1)四周封堵帷幕孔。封堵帷幕孔間距為1 m，各孔注漿體必須形成有效搭接方能起到封堵作用，按搭接15 cm計，單孔理論擴(kuò)散半徑為0.65 m，則單孔每延米耗漿量為

式中，r為注漿擴(kuò)散半徑，0.65 m;n為土層孔隙率，取0.42(取自坍塌料室內(nèi)土工試驗(yàn)報告);β為漿液填充系數(shù)，砂卵石取0.8;α為漿液損耗系數(shù)(漿液會流失至加固區(qū)域平面、深度范圍以外)，《隧道施工規(guī)范》規(guī)定其取值在1.1～1.4之間，本工程試驗(yàn)段因孔隙率大，取大值1.4。

2)中部注漿孔。中部注漿孔間距為1 m，不考慮搭接，理論影響半徑為0.5 m，則單孔每延米耗漿量為

3)間歇注漿過程控制。先進(jìn)行四周封堵帷幕孔的間歇性注漿，再進(jìn)行中間孔的間歇性注漿。

為方便現(xiàn)場計量控制，在操作過程中注漿量盡量以每桶實(shí)際拌漿量的倍數(shù)控制。四周封堵帷幕孔第1次注漿以理論注漿量的80%進(jìn)行控制，中間孔注漿孔第1次注漿以理論注漿量的70%進(jìn)行控制。單孔注漿完成后，采用清水進(jìn)行洗孔，將袖閥管內(nèi)的漿液沖出，防止管內(nèi)積漿凝固而影響第2次注漿。

在四周封堵帷幕孔或中間孔的第1次注漿全部完成后，重新在袖閥管內(nèi)下放注漿器進(jìn)行第2次注漿，四周封堵帷幕孔第2次注漿以理論注漿量的20%進(jìn)行控制，中間孔注漿第2次注漿以理論注漿量的30%進(jìn)行控制。

4.5 注漿工藝

鉆孔采用ф157 mm鋼制護(hù)管跟管干式鉆進(jìn)，成孔直徑為150 mm。成孔后，在套管內(nèi)下入袖閥管，袖閥管露出地面30 cm左右，注入套殼料，套殼料采用膨潤土現(xiàn)場配置，配比(重量比)為水泥∶粉性黏土∶水=1∶1.5∶2。套殼料注滿后，快速拔出套管，然后連接注漿設(shè)備注漿。注漿結(jié)束后采用1∶2水泥砂漿封口，封口的長度應(yīng)保證在1.5 m以上。

袖閥管施工工藝流程如圖9所示。

圖9 袖閥管施工工藝流程Fig.9 Procedure of sleeve valve pipe construction technology

5 注漿效果檢驗(yàn)

上述兩組配比的漿液在塌陷區(qū)及試驗(yàn)段進(jìn)行了應(yīng)用。經(jīng)跟管引孔和開挖情況驗(yàn)證，2組漿液均能滿足加固要求。

5.1 跟管引孔檢驗(yàn)加固效果

對塌陷區(qū)地表注漿區(qū)域進(jìn)行了跟管引孔檢驗(yàn)加固，效果如下:

1)對比加固前后的引孔施工可知，加固前單節(jié)1.5 m長鉆桿鉆進(jìn)僅需10 s，期間存在掉鉆情況;加固后成孔難度加大，單節(jié)鉆桿需60～80 s，同時在引孔過程中存在抬鉆情況。

2)對比加固前后出渣情況可知，加固前引孔基本不出渣或出渣較少;加固后引孔出渣較多，渣樣表面黏附有水泥等黏結(jié)料，土層密實(shí)度有了顯著提高。

3)引孔后拔出護(hù)管前，對引孔深度進(jìn)行了實(shí)測，而后對加固深度范圍內(nèi)的護(hù)管進(jìn)行了拔除，間隔30 min后，再次實(shí)測孔深，孔深未變化，說明孔壁土體自立性較好。

4)孔內(nèi)拍攝圖像顯示(見圖10)，加固區(qū)孔壁較為光滑，可見明顯加固漿脈。

圖10 鉆孔壁Fig.10 Drill hole wall

5.2 塌陷區(qū)隧道開挖過程加固效果檢驗(yàn)

掌子面開挖進(jìn)入原狀土后，拱頂以上袖閥管周邊可見明顯的注漿固結(jié)體，卵石全部被固結(jié)成塊(見圖11)，拱頂以下掌子面1～2 m范圍內(nèi)亦可見明顯注漿固結(jié)體，部分固結(jié)體仍有一定的可塑性，但已將周邊土體固結(jié)成整體，可滿足暗挖施工要求。

6 開挖支護(hù)方案及專項措施

6.1開挖支護(hù)方案

塌陷區(qū)暗挖采用正臺階預(yù)留核心土法，初支參數(shù)見表7。

表7 塌陷區(qū)初支參數(shù)Tab.7__ Primary support param eters of collapse area

6.2 專項措施

1)為加快初支封閉速度，減少圍巖暴露時間，同時減小打設(shè)小導(dǎo)管對拱頂土體的擾動，格柵架設(shè)完成后，在超前小導(dǎo)管打設(shè)部位預(yù)留PVC導(dǎo)向管，而后對除核心土之外的工作面和掌子面噴砼封閉。在噴砼形成強(qiáng)度后，再進(jìn)行超前小導(dǎo)管的打設(shè)及注漿施工。

2)加固范圍內(nèi)注漿體的均勻性不甚理想，有些部位注漿體強(qiáng)度較高，而局部注漿體強(qiáng)度尚未完全形成。為此，采取如下針對性措施:

在開挖前，沿拱頂傾斜向上進(jìn)行人工開挖探孔，一方面掌握掌子面及拱頂一定范圍的加固情況;另一方面，局部暴露加固體，通過隧道內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)改善養(yǎng)護(hù)條件，提高塑性注漿體強(qiáng)度。

掌子面開挖后，根據(jù)加固效果，動態(tài)調(diào)整小導(dǎo)管的布置。對拱頂注漿體已形成強(qiáng)度的區(qū)域，可適當(dāng)減少小導(dǎo)管。對拱頂局部加固不均勻或尚未形成一定強(qiáng)度的區(qū)域應(yīng)加密小導(dǎo)管布置。

7 結(jié)論

針對烏魯木齊地鐵1號線三工站—宣仁墩站區(qū)間隧道施工難題，提出了一套適用于淺埋隧道穿越無膠結(jié)卵石區(qū)段的施工技術(shù)，其中袖閥管地表注漿措施是穿越工程的關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)跟管引孔和圍巖揭露情況檢驗(yàn)結(jié)果證明，袖閥管注漿方案可控制注漿范圍并保證注漿質(zhì)量，大大增強(qiáng)了土體的穩(wěn)定性。

目前，區(qū)間隧道已順利通過該人工填土區(qū)段，說明研究提出的袖閥管注漿方案、正臺階預(yù)留核心土法、支護(hù)方案和專項措施等適用于該地層隧道施工，達(dá)到了安全施工的目的，為隧道穿越以無膠結(jié)卵石為主的人工填土區(qū)施工積累了經(jīng)驗(yàn)、提供了技術(shù)保障。

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(編輯:郝京紅)

Construction Technology of Metro Tunnel Crossing Artificially Filled Pebble Stratum

WAN Fei1，ZHANG Xuchang2，TENG Haibo3
(1.Research Institute of Highway，Ministry of Transport，Beijing 100088; 2.Xinjiang Beixin Road＆Bridge Group Co.，Ltd.，Urumqi830011; 3.Shanghai Foundation Engineering Group Co.，Ltd.，Shanghai200002)

Instability has occurred formany times when the tunnel from Sangong Station to Xuanrendun Station in Line 1 of UrumqiMetro passed through the areaw ith artificially filled pebble soil.The original construction schemewasmodified to solve the instability.It is proposed that the surface sleeve valve pipe groutingmethod of underground construction should be adopted，and the grouting order，ratio of grouting material，grouting process control，excavation method，support scheme and special measure were determ ined.It proved that the surface sleeve valve pipe groutingmethod of underground construction can significantly reinforce soil，and the risk of tunnel instability，appearing in the stage of excavation and supporting，was greatly reduced w ith grouting pre-reinforcement.

metro tunnel;artificial filled soil;pebble;sleeve valve pipe grouting

U231.3

A

1672- 6073(2017)02- 0063- 07

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.013

2016- 11 02

2016 11 21

萬飛，男，博士，助理研究員，主要從事隧道及地下工程方面研究，dyw f5167@163.com

中央級公益性科研所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金項目(2016- 9014)