花崗巖殘積土軟弱地層在礦山法施工中存在的問題及解決措施分析

賈劍虹

摘要：在城市軌道交通施工中，考慮在線路短，地層較復雜，區(qū)間聯(lián)絡通道或受地面空間限制無法采用其他工法時仍采用礦山法施工。在遇到花崗巖殘積土地層隧道開挖時，由于該地層具有遇水軟化、崩解的特性，在礦山法施工遇到此類地層時，會給施工帶來很大安全隱患，嚴重影響施工進度。工程中常常采取地表旋噴樁加固、洞內(nèi)袖閥管注漿加固、WSS注漿加固技術(shù)或冷凍法對隧道開挖前方土體進行預加固，但是在富水花崗巖殘積土地層施工，即使采用先進的注漿設備及配備施工經(jīng)驗豐富的工程隊伍，也難以完全防止洞內(nèi)花崗巖殘積土地層遇水軟化溜灘而導致基坑周邊建（構(gòu)）筑的沉降。隨著城市隧道工程的增多，在既有的公路、鐵路、橋梁、建筑物附近進行礦山法隧道開挖施工時，對施工過程中掌子面的穩(wěn)定提出了更高的要求。本文依托東莞軌道交通2號線陳屋站～寮廈站礦山法隧道施工背景，通過開展注漿模型及注漿材料等方面的研究，采用超前注漿工藝技術(shù)及創(chuàng)新注漿配比技術(shù)，著重從注漿的機理分析和施工技術(shù)兩個方面入手，確定注漿方案的各項參數(shù)并優(yōu)化施工技術(shù)，確保了施工安全及工程進度，使得項目經(jīng)濟效益最大化，并為將來類似地層中的地下暗挖工程提供有益的借鑒。

Abstract： In the construction of urban rail transit， it is considered that the construction of the mining method is still carried out when the line is short and the stratum is complex， and the interval communication channel or the ground space limitation cannot adopt other construction methods. When encountering tunnel excavation in the granite residual soil layer， due to the characteristics of water softening and disintegration in the stratum， when the stratum is encountered in the construction of the mine method， it will bring great safety hazards to the construction and seriously affect the construction progress. . In the project， the surface jet grouting pile reinforcement， the sleeve valve tube grouting reinforcement in the hole， the WSS grouting reinforcement technology or the freezing method are used to pre-reinforce the soil in front of the tunnel excavation， but in the construction of the water-rich granite residual soil layer， even if Advanced grouting equipment and engineering teams with rich experience in construction are also difficult to completely prevent the settlement of the surrounding structure of the foundation pit due to the softening of the granite floor in the cave. With the increase of urban tunneling projects， the excavation of mining tunnels in the vicinity of existing highways， railways， bridges and buildings puts forward higher requirements for the stability of the face during construction. This paper relies on the construction background of the mining method tunnel of Chenwu Station-Xiaxia Station of Dongguan Rail Transit Line 2， and adopts the research of grouting model and grouting material， adopts advanced grouting technology and innovative grouting matching technology， focusing on Starting from the two aspects of grouting mechanism analysis and construction technology， determine the parameters of the grouting scheme and optimize the construction technology to ensure the construction safety and project progress， maximize the project economic benefits， and make underground for similar strata in the future. The undercut project provides a useful reference.

關鍵詞：深孔預注漿;花崗巖殘積土;地下水;沉降

Key words： deep hole pre-grouting;granite residual soil;groundwater;sedimentation

中圖分類號：P588.12+1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）13-0076-05

1 ?項目概況

以東莞軌道交通R2線2310標【陳屋站～寮廈站區(qū)間】土建工程為例，工程地處東莞市厚街鎮(zhèn)，其中陳屋站至寮廈站礦山法區(qū)間線路總長2146m，隧道采用雙洞單線礦山法施工，線路沿莞太路敷設，周邊重要建（構(gòu)）筑物較多且地質(zhì)環(huán)境復雜，該區(qū)段隧道施工工程中受到地下水豐富、花崗巖殘積地層遇水軟化崩解的問題影響，施工進度異常緩慢，施工安全風險較大。

陳寮區(qū)間隧道平面見圖1。該區(qū)段自正線施工以來，一直受到地下水豐富、花崗巖強風化殘積地層遇水軟化崩解的問題影響，施工進度異常緩慢，施工地質(zhì)危害屢屢發(fā)生，存在開挖困難、地面沉降大、施工進度緩慢、涌水、涌砂、溜塌等安全風險情況。

隧道洞身圍巖如圖2所示，主要為全風化、強風化、中風化、微風化花崗閃長巖，該類殘疾土層施工開挖易發(fā)生掉塊、塌方、涌水等現(xiàn)象;其中左線ZDK25+312.804～+810、ZDK25+880～+930;右線YDK25+311～+920隧道同一開挖斷面存在上下、左右軟硬不均的現(xiàn)場，且在殘積土及強風化層中存在球狀風化體。本區(qū)段范圍內(nèi)無地表水系。地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水，裂隙水發(fā)育具非均一性。陳屋站～寮廈站區(qū)間的地質(zhì)斷面圖見圖2所示。

2 ?原設計初支方案及施工過程中存在的問題

隧道原設計的初支襯砌形式主要為錨管、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土和鋼架為初期支護并輔以小導管注漿。陳屋站～寮廈站區(qū)間處于富水花崗巖殘積土層，在施工過程中發(fā)現(xiàn)該區(qū)間的地質(zhì)條件差，實際涌水量遠超初期的勘察設計水文狀況，由此引發(fā)了地面沉降及周邊建（構(gòu)）筑物等安全隱患。

2.1 涌水量過大的問題

根據(jù)現(xiàn)場實際統(tǒng)計，1#豎井往陳屋站方向隧道涌水量非常大，現(xiàn)場抽水量統(tǒng)計每天約為1600m3左右，遠遠超出了類似花崗巖地層含水量，與投標及施工策劃時的預期相差甚遠，這也是導致實際工期比策劃工期滯后的根本原因。具體分析其原因，主要是在隧道開挖時，由于開挖掌子面呈臨空狀態(tài)，由于水頭差的存在，掌子面成為水量匯集后涌水的薄弱面。在水的作用下，掌子面全、強風化花崗巖迅速軟化崩解，強度急劇降低造成涌水、涌砂、溜塌險情。

2.2 地面沉降過大問題

根據(jù)豎井、橫通道及正線小里程方向隧道的施工情況，此段地質(zhì)非常差，地下水豐富，自穩(wěn)性較差，開挖隧道揭露地層與勘查基本相符，主要為<6-5>可塑狀砂質(zhì)粘性土、<6-6>硬塑狀砂質(zhì)粘性土、<9-1>全風化花崗閃長巖、<9-2>強風化花崗閃長巖、<9-3>中風化花崗閃長巖;該類地層具有遇水迅速軟化、崩解的特性，在含水量不大的情況下，該類地層具有相當?shù)姆€(wěn)定性，但在地層含水較豐富時，其遇水軟化崩解的特性明顯，強度急劇降低。另外，同一開挖斷面存在上下、左右軟硬不均的現(xiàn)狀，且在殘積土及強風化層中存在球狀風化體，施工開挖易發(fā)生涌水、涌砂、溜塌等現(xiàn)象，開挖效率低，特別是因此出現(xiàn)險情處理險情耽誤的時間嚴重影響施工進度。

2.3 施工進度問題

由于該區(qū)間的地下水豐富，地質(zhì)條件較差，1#豎井小里程方向的涌水量特別大，導致其掌子面核心土不易保留，在施工期間經(jīng)常發(fā)生滑塌等險情，往陳屋站方向施工進度非常慢。1#豎井掌子面開挖后的核心土及支撐圖如圖3所示。

針對該區(qū)間工期嚴重滯后的情況，根據(jù)國內(nèi)目前的礦山法施工經(jīng)驗，在富水花崗巖殘積土地層施工，只有采用深孔注漿方式，在保持目前的開挖支護參數(shù)不變的情況下，每天的進尺最多為施工一個循環(huán)，即0.6m/天，遠遠達不到45m/月的原計劃進度指標，如遇到地下水特別豐富、地質(zhì)較差地層等將難以保證0.6m/天進度指標的實現(xiàn)。按照既有的進度和現(xiàn)狀情況，1#豎井至陳屋站方向隧道的施工進度難以滿足總工期要求。

3 ?問題分析及解決措施

3.1 確定深孔預注漿理論方案

1#豎井～陳屋站區(qū)間位于富水的花崗巖殘積土層中，實際施工過程中發(fā)現(xiàn)的涌水量遠超過勘察設計值，花崗巖殘積土遇水易崩解的特性導致施工進度非常緩慢，多次出現(xiàn)險情。采用原有的初支方案無法滿足工程需求，因此，對于涌水量過大的地層，地質(zhì)圍巖級別應當根據(jù)規(guī)范要求降低一個等級采取新的支護措施。經(jīng)過專家開會研討，初步確定該地層在原設計支護的基礎上，需要采取深孔預注漿超前支護措施。

3.2 提出理論方案并建立實驗模型對三種理論方案進行分析

通過對深孔預注漿施工技術(shù)的研究，并結(jié)合花崗巖殘積土層的特殊性質(zhì)，提出了以下三種有效的深孔預注漿實施方案：

3.2.1 深孔預注漿建議方案一

WSS無收縮化學漿液深孔注漿，注漿范圍：下臺階存在<9-2-1>碎塊狀強風化花崗巖、<9-2>強風化花崗巖、<9-1>全風化花崗巖、<6-6>砂質(zhì)粘性土地層進行全斷面WSS無收縮注漿;上臺階存在<9-2-1>碎塊狀強風化花崗巖、<9-2>強風化花崗巖、<9-1>全風化花崗巖、<6-6>砂質(zhì)粘性土地層，而下臺階為<9-3>或<9-4>地層，僅進行上半斷面WSS無收縮注漿。經(jīng)測算，注漿量約37196m3，增加投資約4240萬元。

3.2.2 深孔預注漿建議方案二

<9-1>全斷面、<9-2>局部半斷面采用水泥-水玻璃雙液漿深孔注漿，注漿范圍：下臺階存在<9-2-1>碎塊狀強風化花崗巖、<9-2>強風化花崗巖、<9-1>全風化花崗巖、<6-6>砂質(zhì)粘性土地層進行前進式水泥-水玻璃雙液漿深孔注漿;上臺階存在<9-2-1>碎塊狀強風化花崗巖、<9-2>強風化花崗巖、<9-1>全風化花崗巖、<6-6>砂質(zhì)粘性土地層，而下臺階為<9-3>或<9-4>地層，僅進行上半斷面前進式水泥-水玻璃雙液漿深孔注漿。經(jīng)測算，注漿量約37196m3，增加投資約1548.04萬元。

3.2.3 深孔預注漿建議方案三

<9-1>局部全斷面、<9-2>上半斷面后退式深孔注漿，注漿范圍：下臺階存在<9-1>全風化花崗巖、<6-6>砂質(zhì)粘性土地層進行全斷面后退式深孔注漿;上臺階存在<9-2-1>碎塊狀強風化花崗巖、<9-2>強風化花崗巖、<9-1>全風化花崗巖、<6-6>砂質(zhì)粘性土地層，而下臺階為<9-2-1>碎塊狀強風化花崗巖、<9-2>強風化花崗巖、<9-3>或<9-4>地層，僅進行上斷面后退式深孔注漿。注漿量約25893m3，增加投資約991.01萬元。

3.3 選定理論方案并在試驗段應用

通過對上述三種方案的比較可以發(fā)現(xiàn)，方案一注漿效果好，可有效解決開挖過程中的溜坍問題，但造價過高，不予采用;方案二注漿效果次之，基本能夠解決開挖過程中的溜坍問題，造價適中，但注漿量偏高，需進一步優(yōu)化;方案三注漿效果難以保證，需承擔一定的施工風險，但注漿范圍小，可在一定程度上控制涌砂和溜坍的發(fā)生，造價較低，不予采用。綜上所述，采用方案二作為該工程的加固措施，加固的主要目的是為隧道掌子面開挖施工和拱頂初支穩(wěn)定性創(chuàng)造條件，保證巖層交界面和裂隙承壓水的加固止水效果及拱頂安全，因此需對強、中風化巖層進行止水，對土層及全風化巖進行加固。加固范圍建議包括隧道全、半斷面開挖輪廓線外3m，注漿段按照注3m間隔10-15m筒形設計，各注漿段加固單元形成“筒箍筒底”節(jié)段空間封閉體。

經(jīng)過對該區(qū)間工程地質(zhì)的勘察分析，確定1#豎井往左線小里程、0#豎井往右線小里程作為注漿加固試驗段。本次隧道注漿加固試驗段主要有兩個目的，一個是進行隧道注漿加固試驗段施工，為下步隧道施工提供借鑒，第二個是通過隧道注漿加固試驗段確定隧道注漿加固的相關參數(shù)。

3.4 通過試驗段取得試驗參數(shù)并對研究目的進行確認

通過設計并完成了試驗段的深孔預注漿方案研究工作，取得了以下的成果：

①試驗段對本區(qū)間隧道在<6-6>砂質(zhì)粘性土、<9-1>全風化花崗巖、<9-2>強風化花崗巖地層中采用前進式注漿加固可行。通過試驗段施工并結(jié)合現(xiàn)場實際地質(zhì)情況，在<9-2>強風化花崗巖地層進行全斷面注漿是有必要的。

②試驗段所采用的布孔方式可滿足設計要求的斷面注漿加固范圍（設計在橫斷面上的注漿加固范圍為：上半斷面開挖輪廓線外3m，下半斷面開挖輪廓線外2m），同時可達到“筒箍式”注漿效果，基本滿足開挖要求。

③試驗段所確定的相關參數(shù)合理有效：配合比為水灰比=1：1，水泥漿液：水玻璃漿液=1：0.7;注漿壓力：上半斷面在0.5～1.71MPa之間，下半斷面在0.5～1.45MPa之間;每循環(huán)注漿長度10m，有效開挖長度為7m，留3m作為止?jié){墻，封堵墻采用15cm厚掛網(wǎng)噴射混凝土。每循環(huán)注漿加固時間：上半斷面注漿加固時間為4天，下半斷面注漿加固時間為3天。

④通過試驗段注漿量的統(tǒng)計分析，<9-2>地層上半斷面注漿加固注漿總量為176.7m3，平均隧道單延米注漿量為25.24m3;下半斷面注漿總量為118.44m3，平均每米注漿量為16.92m3。全斷面平均每米注漿量為42.16m3。<9-1>、<6-6>地層上半斷面注漿加固注漿總量為194.08m3，平均隧道單延米注漿量為27.73m3;下半斷面注漿總量為129.57m3，平均每米注漿量為18.51m3。全斷面平均每米注漿量為46.24m3。

⑤監(jiān)測情況，隧道注漿加固后地面沉降基本趨于穩(wěn)定。

⑥開挖情況：注漿加固后進行開挖，掌子面土體穩(wěn)定，下臺階開挖后存在小量的滲水，已不影響開挖，開挖進尺為每天二個半循環(huán)，即1.5m/d，折合綜合指標為0.75m/d。

4 ?深孔預注漿方案的實施及應用

施工工藝流程如圖4所示。

4.1 止?jié){墻的設置

由于開挖斷面為富水殘積土地層，無法抵抗較大的注漿壓力，容易造成跑漿現(xiàn)象，為更好地達到施工效果，保證施工安全。因此，在開挖工作面設止?jié){墻，有效地防止注漿時掌子面后移和漏漿。

4.2 埋設孔口管

固結(jié)牢固密實，保證不漏漿、不竄漿的孔口管是決定注漿效果好壞的重要因素，其埋設方法：先用鉆機（鉆頭直徑110mm）鉆1.5m深，再將？準108孔口管插入，外露10～15cm，管壁與孔口接觸處用麻絲填塞，再向孔口管內(nèi)注水泥漿固結(jié)?？卓诠芷鹬鴮蜃饔?，鉆孔安裝時要控制好外插角度。

4.3 鉆孔

鉆孔機械采用TXU-150坑道鉆機，活動鉆桿每節(jié)長2m，鉆頭采用直徑42mm合金鉆頭，鉆孔按設計要求準確在止?jié){墻上用紅色油漆點上鉆孔位置，誤差在5cm以內(nèi)，測量人員每鉆進2m測一次孔斜，如有傾斜，超過設計角度應及時糾正。鉆進時跟管鉆機直接將鉆桿鉆至最長設計深度，開始第一段注漿，第一段注漿結(jié)束后將注漿管后退進行第二段注漿，直至完成整個注漿段，分段長度一般取50cm。注漿順序由外側(cè)向內(nèi)側(cè)注漿，分為一序注漿孔和二序注漿孔。這樣可以防止?jié){液溢到巖層之外;同時由于在鉆各注漿孔時涌水被趕壓，可知注漿后止水效果的變化。

孔位布置根據(jù)注漿范圍和隧道開挖形式，注漿孔布設滿足注漿加固范圍為標準，在花崗巖殘積土地層中全斷面布設。注漿段每循環(huán)長度為10m，其中留3m做下一循環(huán)止?jié){墻;注漿孔采用傘形輻射狀，采用長管加短管多層次加以補充注漿，避免出現(xiàn)注漿盲區(qū)，以達到要求的加固范圍，見圖5、6所示。

不同地層中注漿擴散半徑不同，在花崗巖殘積土地層中，根據(jù)多次試驗，漿液擴散半徑約為R=1m，注漿按照長短結(jié)合的方式布置，避免出現(xiàn)注漿盲區(qū)。孔底間距按（1～1.5）R控制。

4.4 注漿

①注漿材料的選擇。

1）水泥采用超細水泥，其最大粒徑小于20μm，平均粒徑為5μm。比表面積大于10000cm2/g。

2）水玻璃采用模數(shù)為2.6～2.8，出廠濃度為30Be，比重在1.42～1.45的水玻璃溶液。

②漿液配制。

從試驗段中，我們得出合適本工程地質(zhì)條件的，水泥漿最佳凝結(jié)時間的漿液配比為：水泥漿/水玻璃=1：0.7。其中水泥漿液的配合比采用1：1;水玻璃的出廠濃度45Be，用水稀釋至所需的濃度30Be，漿液配置如圖7所示。

③注漿施工。

注漿采用雙液注漿系統(tǒng)，通過雙液注漿泵對兩種漿液的體積比進行控制，并在孔口混合器混合之后，注入預先打好的注漿孔內(nèi)，并通過巖層裂隙逐步擴散至整個開挖斷面。

注漿過程要控制好注漿壓力，注漿壓力區(qū)間控制在（0.5MPa，1.5MPa），同時注意觀察注漿壓力和泵量之間的關系，當壓力小，泵量大時，可以將漿液濃度適當調(diào)高，并加大泵量;當壓力大，泵量小時，則逐步加大注漿壓力至終壓1.5MPa，并保持終壓1.5MPa大于30分鐘，則該注漿孔達到控制標準，停止注漿。同時在注漿過程中，要加強對地面及周圍土體的監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)過量隆起，則立即停止注漿施工，并重新在周邊打孔，再次開始注漿施工，達到終壓30分鐘保壓施工為止。

④注漿量的確定。

1）根據(jù)注漿量計算公式進行理論計算：

Q=πR2lnαβ

式中：R—漿液擴散半徑，取1m;L—注漿段長度，平均取6m;n—地層孔隙率，花崗巖殘積土層取0.3;α—孔隙填充系數(shù)，取0.8;Β—漿液損耗系數(shù)，取1.1。

經(jīng)過計算，花崗巖殘積土地層注漿量為Q=4.97m3。

2）根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，每循環(huán)注漿段注漿量為109.8m3。

⑤檢察注漿效果。

所有的注漿孔注完后，需打孔檢查注漿效果。對于注漿擴散范圍小于設計要求，土體無側(cè)限抗壓強度及滲透系數(shù)沒達到要求的需要加孔補灌，直到滿足要求為止。掌子面注漿效果檢查現(xiàn)場圖如圖8所示。

通過施工工藝控制，并循環(huán)以上施工流程，取得了以下成果：原方案采用常規(guī)WSS注漿方法施工，總預算費用為21956000元，在成功使用深孔預注漿技術(shù)后，施工成本大大節(jié)省，完成富水花崗巖殘積土地層注漿施工所需成本累計為18028000元，比原方法共節(jié)省成本21956000-18028000=3928000元，經(jīng)濟效果明顯。同時高質(zhì)優(yōu)效地完成了在富水花崗巖殘積土地層礦山法隧道開挖施工，解決了該地層遇水軟化崩解，強度急劇降低，開挖過程中極易發(fā)生涌水、涌砂、溜塌，開挖效率低等困難。也消除了由于隧道長期大量失水，造成隧道上方的較大的路面沉降及周邊建構(gòu)筑物的不同程度開裂的安全風險。提高了施工效率，加快了施工進度，隧道貫通時間比預計原方案時間提前了3個月，保證了東莞軌道交通R2號線的順利通車，得到了東莞軌道交通有限公司和地方相關政府部門的充分肯定，取得了良好社會效益。

5 ?本文小結(jié)

本文依托東莞軌道交通2號線陳屋站～寮廈站礦山法隧道施工背景，先是對花崗巖殘積土軟弱地層施工中存在的風險進行了分析鑒別，并將施工中存在的核心問題逐一指出。接著我們進一步提出解決方案和措施，并對方案進行分析論證，確定出最優(yōu)方案。同時通過試驗段對花崗巖殘積土地區(qū)隧道暗挖施工的深孔預注漿加固工藝進行了試驗研究，著重從注漿的機理分析和施工技術(shù)兩個方面入手，收集試驗段數(shù)據(jù)，確定注漿方案的各項參數(shù)并優(yōu)化施工技術(shù)，確保在保證工程安全的前提下達到經(jīng)濟效益最大化。可以為類似地層中的地下暗挖工程提供有益的借鑒。

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