礦山法施工的近海地鐵隧道圍巖注漿圈參數(shù)選擇

姚清松 任偉強 于 正

(1.中交第三航務(wù)工程局有限公司交建工程分公司，200940,上海;2.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上海//第一作者,高級工程師)

在我國,礦山法施工的地鐵隧道主要采用全包防水設(shè)計，采取“以防為主，剛?cè)峤Y(jié)合，多道設(shè)防，因地制宜，綜合治理”的防水設(shè)計原則。在節(jié)理裂隙發(fā)育和富水圍巖中，注漿圈是礦山法地鐵隧道的第一道防水措施，其防水效果對隧道的施工質(zhì)量、安全、運營期隧道滲漏水控制等有顯著影響。文獻(xiàn)[1-2]以及基于無限含水體中井理論，建立了可考慮注漿圈、初期支護(hù)和二次襯砌的隧道滲水量計算模型。文獻(xiàn)[3-5]利用隧道滲水量計算模型，分析了注漿圈厚度和滲透系數(shù)對海底隧道滲水量和滲流場的影響。文獻(xiàn)[6]利用數(shù)值分析，研究了半包防水山嶺隧道施工和運營過程中的滲水量變化規(guī)律，并對比了超前帷幕注漿、全斷面注漿和徑向注漿的止水效果。文獻(xiàn)[7-10]利用流固耦合分析，研究了海底隧道的合理注漿圈厚度。文獻(xiàn)[11-12]利用室內(nèi)模型試驗，研究了注漿圈厚度和滲透系數(shù)對隧道滲水量和水壓力的影響。文獻(xiàn)[13]利用室內(nèi)模型試驗和數(shù)值分析，研究了山嶺隧道初期支護(hù)和注漿圈滲透系數(shù)對隧道滲水量、滲流影響范圍和地下水位下降程度的影響。

根據(jù)既有研究成果可知，目前注漿圈參數(shù)研究主要是針對山嶺和海底公路隧道。對于礦山法地鐵隧道,由于其工程和水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變，且缺乏初期支護(hù)滲水量控制標(biāo)準(zhǔn)，因此較少見到相關(guān)研究報道。但礦山法地鐵隧道多位于城市區(qū)，環(huán)境保護(hù)要求高，隧道防水要求嚴(yán)格，不能直接套用山嶺和海底公路隧道的注漿圈參數(shù)。因此，本文結(jié)合青島地鐵13號線井岡山路站至嘉年華站區(qū)間(以下簡稱“井嘉區(qū)間”)近海礦山法地鐵隧道的施工實踐，對其初期支護(hù)防水要求和合理注漿圈參數(shù)進(jìn)行分析，以便為類似工程的防水設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

青島地鐵13號線井嘉區(qū)間隧道位于山東省青島市黃島區(qū)，部分線路沿黃海海岸線敷設(shè)。區(qū)間隧道為雙洞單線馬蹄形隧道，全長3 733.7 m，采用礦山法施工。隧道開挖寬度和高度分別為7.18 m、7.07 m，線間距約12 m，線路中心線與海岸線最小平面距離約17.2 m(線路平面圖見圖1)。初期支護(hù)采用格柵拱架和20 cm噴射混凝土，二次襯砌采用30 cm鋼筋混凝土，防水等級為二級，混凝土抗?jié)B等級為P10—P12。

隧道地質(zhì)縱斷面如圖2所示。隧道埋深較淺處部分穿越第四系土層。由于隧道開挖前已對拱頂?shù)谒南低翆舆M(jìn)行地表注漿加固，加固后滲透系數(shù)k≤1×10-6cm/s，可近似認(rèn)為不透水。因此，本文主要研究隧道穿越強風(fēng)化—微風(fēng)化花崗巖層段(以下簡稱“巖層段”)的注漿圈參數(shù)。穿越巖層段的隧道拱頂埋深17.2～32.8 m，圍巖滲透性等級為中等—弱透水，圍巖滲透性等參數(shù)如表1所示。隧道建設(shè)場地內(nèi)地下水位埋深1～2 m，根據(jù)古德曼經(jīng)驗公式，開挖后預(yù)測隧道涌水量為31.2 m3/(m·d)；此外，巖層裂隙水氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.010～0.019，說明裂隙水與海水連通，隧道開挖后將出現(xiàn)持續(xù)性涌水。

圖1 青島地鐵13號線井嘉區(qū)間隧道平面圖

圖2 青島地鐵13號線井嘉區(qū)間隧道地質(zhì)縱斷面圖表1 圍巖等級及滲透性參數(shù)

圍巖名稱圍巖等級圍巖完整性節(jié)理裂隙發(fā)育程度滲透系數(shù)k/(m/d)強風(fēng)化巖Ⅴ極破碎很發(fā)育—發(fā)育0.40中風(fēng)化巖Ⅳ較破碎發(fā)育0.20微風(fēng)化巖Ⅲ較完整—完整較發(fā)育—發(fā)育0.06

2 注漿圈參數(shù)選擇

2.1 井嘉區(qū)間隧道允許滲水量確定

井嘉區(qū)間隧道圍巖滲透性較強、預(yù)測涌水量較大且裂隙水與海水連通。隧道開挖后將出現(xiàn)持續(xù)性大量涌水，嚴(yán)重威脅隧道施工安全，且運營后會造成隧道滲漏水隱患。因此,需采用帷幕注漿、全斷面注漿或洞內(nèi)徑向注漿等手段形成注漿圈，通過減小圍巖滲透性及滲水量，以滿足礦山法地鐵隧道防水要求。GB 50108—2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》[14]中要求隧道二次襯砌施工完成后不允許漏水，隧道平均滲水量不超過0.05 L/(m2·d)，并對允許的濕漬數(shù)量和面積有明確要求；對初期支護(hù)一般要求施工完成后拱頂不滴漏、邊墻不淌水，但無定量控制要求。根據(jù)上述規(guī)范，結(jié)合井嘉區(qū)間隧道橫斷面二次襯砌的周長，計算得到井嘉區(qū)間隧道二次襯砌單位滲水量允許值為1.03×10-3m3/(m·d)。

文獻(xiàn)[2-4]研究表明，當(dāng)初期支護(hù)滿足拱頂不滴漏、邊墻不淌水的防水要求，且防水板和二次襯砌無質(zhì)量缺陷時，防水板可視為不透水。二次襯砌混凝土滲透系數(shù)僅為(1.3～1.8)×10-9cm/s[15]，其透水性遠(yuǎn)小于初期支護(hù)、注漿圈和圍巖的，鋪設(shè)防水板的二次襯砌表面單位滲水量基本可滿足0.05 L/(m2·d)的控制要求。因此，井嘉區(qū)間隧道圍巖注漿的主要目的是控制初期支護(hù)后的隧道滲水量，但目前尚無研究給出初期支護(hù)的滲水量定量控制標(biāo)準(zhǔn)。

隧道滲水量控制標(biāo)準(zhǔn)主要由圍巖滲透性、水頭高度、注漿施工水平和運營期排水要求等因素決定。渝懷鐵路圓梁山鐵路隧道和歌樂山鐵路隧道屬于高水壓富水區(qū)隧道，單位滲水量控制標(biāo)準(zhǔn)分別為5 m3/(m·d)和1 m3/(m·d)；廈門翔安海底隧道穿越海底風(fēng)化槽，單位滲水量控制標(biāo)準(zhǔn)為2.5 m3/(m·d)；挪威埃林索伊—瓦爾德里伊島海底隧道、青島膠州灣海底隧道、日本青函海底鐵路隧道主要穿越風(fēng)化巖層，單位滲水量控制標(biāo)準(zhǔn)分別為0.43 m3/(m·d)、0.4 m3/(m·d)和0.27 m3/(m·d)。由于上述隧道均采用透水二次襯砌，滲水量即為初期支護(hù)滲水量，根據(jù)上述工程和井嘉區(qū)間的工程特點，并結(jié)合城市礦山法施工的隧道的環(huán)境保護(hù)要求，確定青島地鐵13號線近海礦山法地鐵井嘉區(qū)間隧道的初期支護(hù)單位滲水量控制標(biāo)準(zhǔn)為0.3 m3/(m·d)。

2.2 注漿圈厚度與滲透系數(shù)

文獻(xiàn)[3-4]研究表明，初期支護(hù)表面的滲水量隨注漿圈滲透性減小和注漿圈厚度增加而減小，但注漿圈厚度超過6～8 m后，繼續(xù)增大注漿圈厚度對滲水量的影響較小,效益較低。此外，由于井嘉區(qū)間隧道采用雙洞單線隧道，隧道凈空較小,導(dǎo)致注漿管最大長度限制為6 m。因此，需確定注漿圈滲透性和厚度的合理組合，在滿足近海礦山法地鐵隧道初期支護(hù)防水要求的同時，滿足施工凈空和效益的要求。

當(dāng)隧道拱頂埋深滿足3～5倍洞徑后，可將隧道形狀按照周長等效為圓形，采用隧道滲水量計算模型確定注漿圈、初期支護(hù)和二次襯砌設(shè)計參數(shù),以及進(jìn)行隧道滲水量分析[2]。隧道滲水量計算簡化模型如圖3所示，假設(shè)圍巖、注漿圈、初期支護(hù)和二次襯砌均為各向同性均質(zhì)材料，地下水運動服從達(dá)西定律，則初期支護(hù)和二次襯砌施工完成后的滲水量分別如式(1)和式(2)所示。

圖3 隧道滲水量計算簡化模型

(1)

(2)

式中:

Q1,Q2——分別為隧道初期支護(hù)和二次襯砌的單位滲水量，初期支護(hù)允許值[Q1]=0.3 m3/(m·d)，二次襯砌允許值[Q2]=1.03×10-3m3/(m·d)；

H——隧道中心的水頭高度,m；

k1,k2,kg,kr——分別為隧道初期支護(hù)、二次襯砌、注漿圈、圍巖的滲透系數(shù),m/d；

R0,R1,R2,Rg——分別為隧道凈空內(nèi)徑、初期支護(hù)外徑、二次襯砌外徑、注漿圈外徑,m。

根據(jù)周長等效原則,取R0=3.0 m，且存在關(guān)系R2=R0+t2，R1=R2+t1，Rg=R1+tg，其中t1、t2、tg分別是初期支護(hù)、二次襯砌、注漿圈厚度,m;取t1=0.2 m、t2=0.3 m、注漿圈厚度最大值[tg]=6 m。根據(jù)研究，可取初期支護(hù)滲透系數(shù)k1=5.0×10-4m/d[3,6,9]，二次襯砌滲透系數(shù)k2=1.2×10-6m/d[15]。注漿圈滲透系數(shù)kg一般與圍巖滲透系數(shù)和注漿施工水平有關(guān)，常采用注漿圈與圍巖的滲透系數(shù)比α=kg/kr作為衡量注漿效果的標(biāo)準(zhǔn)。我國現(xiàn)有的普通水泥漿裂隙注漿工藝和施工水平可滿足α=2%左右的注漿質(zhì)量要求[7]。

根據(jù)式(1)和式(2)，已知單位滲水量控制標(biāo)準(zhǔn)[Qi]時需通過試算確定注漿圈厚度和滲透系數(shù)的合理組合(tg,opt，αopt)。根據(jù)線路地質(zhì)縱斷面可知，強風(fēng)化—微風(fēng)化花崗巖層的埋深變化范圍較大，因此,針對強風(fēng)化—微風(fēng)化花崗巖層，分別試算隧道中心水頭高度H=18～30 m時，不同α條件下的初期支護(hù)單位滲水量和注漿圈厚度關(guān)系曲線(以下簡稱“Q1-tg曲線”)。水頭高度取值范圍為14 m≤H≤30 m，ΔH=2 m，共9級；注漿效果的取值范圍為0.5%≤α≤2.0%，Δα=2‰～5‰，共6級。以中風(fēng)化花崗巖層為例,說明注漿圈厚度和滲透系數(shù)的合理組合確定方法。其試算得到的部分Q1-tg曲線如圖4所示。

a) H=16 m

b) H=18 m

c) H=20 m

d) H=22 m

e) H=24 m

f) H=26 m

g) H=28 m

h) H=30 m圖4 中風(fēng)化花崗巖層部分不同水頭高度時的Q1-tg曲線

由圖4可知，中風(fēng)化花崗巖層中初期支護(hù)單位滲水量隨α的減小和tg的增大而逐漸減小，當(dāng)tg≥6～8 m時，繼續(xù)增大注漿圈厚度對減小初期支護(hù)單位滲水量的效果有限，此結(jié)果與既有研究結(jié)論(見文獻(xiàn)[6-8])吻合。根據(jù)初期支護(hù)防水要求、隧道施工凈空和效益要求，需在Q1≤0.3 m3/(m·d)和tg≤6 m圍合的范圍內(nèi)確定注漿參數(shù)合理組合(tg,opt，αopt)。

為降低施工難度，優(yōu)先選擇α和tg均較大的組合。以H=16 m為例，注漿圈參數(shù)合理組合(tg,opt，αopt)=(4.75，2.0%)；當(dāng)初期支護(hù)單位滲水量較大時，逐級減小α直至出現(xiàn)滿足要求的tg，以H=26 m為例，注漿圈參數(shù)合理組合(tg,opt，αopt)=(6.0，1.2%);以此類推可得各水頭高度下的注漿圈厚度和滲透系數(shù)的合理組合。強風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖層中的計算同理，其中初期支護(hù)單位滲水量根據(jù)表1取圍巖滲透系數(shù)代入式(1)試算(限于篇幅不再贅述)。強風(fēng)化—微風(fēng)化花崗巖層中的隧道注漿圈厚度和滲透性合理組合如圖5所示。

a)強風(fēng)化花崗巖層

b)中風(fēng)化花崗巖層

c)微風(fēng)化花崗巖層圖5 強風(fēng)化—微風(fēng)化花崗巖層中的隧道注漿圈厚度和滲透性合理組合

由圖5可知，當(dāng)注漿效果α不變時，注漿圈厚度基本隨水頭高度線性增大；提高注漿效果要求后，注漿圈厚度顯著減??；強風(fēng)化、中風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖層中注漿圈合理厚度tg,opt分別為3.75～6.00 m、3.5～6.0 m和0.75～2.75 m，注漿圈滲透系數(shù)應(yīng)分別為巖層的0.5%～1.2%、1%～2%和2%。

根據(jù)初期支護(hù)防水要求確定井嘉區(qū)間隧道注漿圈厚度和滲透系數(shù)合理組合后，需驗算二次襯砌單位滲水量是否滿足隧道防水要求。由于初期支護(hù)和二次襯砌之間鋪設(shè)塑料防水板(可認(rèn)為無質(zhì)量缺陷或施工缺陷的防水板不透水)，偏保守估計塑料防水板和二次襯砌整體的滲透系數(shù)為k2=5×10-7m/d。將塑料防水板和二次襯砌整體滲透系數(shù)以及注漿圈參數(shù)合理組合代入式(2)，計算得到強風(fēng)化—微風(fēng)化花崗巖層中隧道二次襯砌的單位滲水量如圖6所示。由圖6可知，采用注漿圈厚度和滲透系數(shù)合理組合的隧道二次襯砌單位滲水量隨埋深和水頭高度增大，最大單位滲水量為Q2=0.99×10-3m3/(m·d)，Q2<[Q2]。因此,采用上述注漿圈、初期支護(hù)、塑料防水板和二次襯砌參數(shù)可滿足礦山法地鐵隧道防水標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 隧道二次襯砌單位滲水量

3 工程應(yīng)用

根據(jù)注漿圈參數(shù)合理組合的研究結(jié)果，結(jié)合隧道施工進(jìn)度，首先對井岡山路站出站端23 m范圍內(nèi)的隧道進(jìn)行徑向注漿止水。注漿段的拱頂埋深18.5 m，圍巖為中風(fēng)化花崗巖，已完成初期支護(hù)，拱底開槽設(shè)盲管收集初期支護(hù)滲漏水，并沿隧道縱坡排至集水坑。注漿管采用φ25 mm鋼管，長5 m，間隔1～1.5 m呈梅花形布置，局部滲水量較大處加密布置，并在距前端注漿口3 m處設(shè)止?jié){塞。

為保證注漿圈滲透性滿足要求，采用二次注漿工藝施工：注漿管采用φ25 mm鋼管，長5 m,間隔1～1.5 m梅花形布置，采用止?jié){塞和水泥水玻璃雙液漿預(yù)封孔。預(yù)封孔5～10 min后,首先采用水泥水玻璃雙液漿封堵圍巖裂隙，雙液漿水灰質(zhì)量比1∶1，雙液體積比1∶1，膠凝時間≤1 min，注漿壓力保持1 MPa并持續(xù)10 min后停止注漿;注漿孔和圍巖裂隙初步封堵后，加設(shè)孔口管并改注硫鋁酸鹽水泥漿，水泥單液漿水灰比0.8∶1.0，注漿壓力保持1 MPa并持續(xù)10 min后停止注漿。

為研究注漿后的初期支護(hù)滲水量，在盲管下游端鑿設(shè)0.30 m(長)×0.40 m(寬)×0.15 m(深)的水位測試坑，如圖7所示。注漿完成后7 d，分3次量測水位測試坑中的水位變化量，并用式(3)估算注漿后的初期支護(hù)單位滲水量。根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，注漿后初期支護(hù)單位滲水量為Q1test=0.29 m3/(m·d)，Q1test<[Q1]。說明注漿后的青島地鐵13號線近海礦山法地鐵井嘉區(qū)間隧道的初期支護(hù)滿足防水要求。

圖7 注漿后初期支護(hù)滲水量水位測試坑

(3)

式中:

Q1test——注漿后初期支護(hù)單位滲水量,m3/(m·d)；

l和b——水位測試坑的長度和寬度，分別取0.3 m和0.4 m；

ti——第i次測試時間,min；

L——注漿段隧道長度，取L=23 m；

Δhi——第i次水位變化量(如表2所示)；

n——試驗次數(shù)。

表2 水位變化量測試結(jié)果

4 結(jié)論

(1)借鑒高水壓富水區(qū)隧道和海底隧道防水標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合地鐵隧道環(huán)境保護(hù)要求，確定青島地鐵13號線礦山法近海地鐵井嘉區(qū)間隧道的初期支護(hù)單位滲水量控制標(biāo)準(zhǔn)為0.3 m3/(m·d)。

(2)根據(jù)隧道滲水量計算簡化模型，井嘉區(qū)間隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級強風(fēng)化—微風(fēng)化花崗巖層中隧道注漿圈合理厚度分別為3.75～6 m、3.5～6 m和0.75～2.75 m，合理滲透系數(shù)分別為圍巖的0.5%～1.2%、1%～2%和2%。

(3)現(xiàn)場試驗表明，采用注漿圈厚度和滲透系數(shù)合理組合后，井嘉區(qū)間隧道初期支護(hù)單位滲水量為0.29 m3/(m·d)，滿足初期支護(hù)防水要求，說明注漿圈參數(shù)選擇合理，可為類似工程的注漿設(shè)計和施工提供參考。