地鐵暗挖隧道水平超前深孔注漿預(yù)加固方案應(yīng)用探討

束方潔 韓曼莉

摘 要：現(xiàn)今在城市地鐵暗挖隧道施工中所面臨的主要難題之一就是開挖中滲水的治理，滲水不僅危及掌子面開挖安全，同樣也威脅到鄰近構(gòu)筑物、管線安全。對有滲水現(xiàn)象的暗挖隧道，保障施工安全和質(zhì)量的關(guān)鍵就是提前做好地層加固和止水工作。哈爾濱地鐵項(xiàng)目某區(qū)間暗挖隧道通過采用深孔注漿預(yù)加固的方案成功地完成了穿越老舊滲漏管道的施工，充分表明在穿越不良地質(zhì)地段落時(shí)采用深孔注漿預(yù)加固方案是行之有效的。文章針對此工程實(shí)例，闡述了深孔注漿技術(shù)的機(jī)理和工作方法。

關(guān)鍵詞：地鐵暗挖隧道;滲漏水;深孔注漿;預(yù)加固

0 前言

隨著近年來城市軌道交通建設(shè)快速發(fā)展，暗挖隧道遇到滲漏水等復(fù)雜地質(zhì)條件的情況也越來越多。而在暗挖隧道施工中滲水治理一直貫穿始終，滲水不僅危及人員、設(shè)備安全，還影響鄰近構(gòu)筑物、管線安全。常見地鐵事故的發(fā)生都和滲水有關(guān)，比如開挖中出現(xiàn)涌水、拱頂沉降、周邊建筑物開裂、管線斷裂等，因此滲水治理對保障暗挖隧道施工安全尤為重要。本文以哈爾濱地鐵某區(qū)間暗挖隧道施工為背景，分析了某隧道采用深孔注漿預(yù)加固成功穿越廢棄老舊管線滲水段落，可為類此施工情況提供參考。

1 深孔注漿技術(shù)機(jī)理

1.1 注漿技術(shù)應(yīng)用

注漿工程應(yīng)用范圍較為廣泛，主要包括注漿堵水，回填防沉，豎井下沉控制，房屋沉降控制，基坑截水帷幕，滲漏水治理等。

1.2 注漿擴(kuò)散機(jī)理

注漿施工中漿液在地層中作用方式主要表現(xiàn)包括：滲透擴(kuò)散、劈裂擴(kuò)散、裂隙填充及擠壓填充。

（1）滲透擴(kuò)散：注漿漿液在壓力的作用下，在不改變土體結(jié)構(gòu)和顆粒排列的前提下，擠走顆粒間游離水、空氣，從而填充土體孔隙，使得漿液凝結(jié)后起到加固土體和堵水的作用。

（2）劈裂擴(kuò)散：對于弱透水性地層，當(dāng)注漿壓力超過劈裂臨界壓力時(shí)土體會(huì)產(chǎn)生水力劈裂，使土體內(nèi)出現(xiàn)裂縫，實(shí)際注漿量會(huì)突然大量增加，漿液呈脈狀進(jìn)行滲透。

（3）裂隙填充：對于在殘積層、斷層破碎帶等地層進(jìn)行注漿施工時(shí)，一般當(dāng)注漿材料的粒徑小于裂隙寬度的1/3～1/5時(shí)，均產(chǎn)生裂隙填充。

（4）擠壓填充：指當(dāng)注漿漿液在地層中難以進(jìn)注入地層空隙時(shí)，其只是在注漿壓力作用下被漿液擠密。擠壓注漿只適用于基礎(chǔ)處理，是一種為提高地基承載力而采取的注漿方式，其實(shí)際加固止水效果較差。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件下深孔注漿方案

2.1 概況

本文以哈爾濱地鐵項(xiàng)目某一正線暗挖區(qū)間工程項(xiàng)目為例進(jìn)行探究，該區(qū)間位于沖洪積平原地區(qū)，隧道埋設(shè)深度大約為13 m～15 m，隧道結(jié)構(gòu)整體位于粉質(zhì)粘土層之中，整體走向沿既有道路下敷設(shè)，道路兩側(cè)建筑較多，所以該區(qū)段地下管線較復(fù)雜。隧道區(qū)間采用正臺(tái)階開挖法，開挖至某一段處掌子面發(fā)現(xiàn)明顯滲水，滲水部位位于拱頂及掌子面，土層飽水濕潤，自穩(wěn)能力極差，直接威脅開挖安全。該情況與地勘報(bào)告明顯不符，經(jīng)排查，此滲水段落上方有一根工廠的廢棄排水管道，隧道內(nèi)滲漏水應(yīng)為該管線年久失修所致。

2.2 深孔注漿預(yù)加固

為保障隧道掌子面開挖施工人員、設(shè)備安全，需對此段隧道未開挖前方土層進(jìn)行水平超前深孔注漿預(yù)加固，計(jì)劃通過外界機(jī)械注漿壓力將化學(xué)漿液壓入前方待加固土體內(nèi)，保證開挖期間拱頂及掌子面不坍塌、不滲水。根據(jù)地質(zhì)特性，注漿方式選用劈裂注漿，注材料選用水泥水玻璃雙液漿。穿越舊管線的滲水段落開挖遵循注漿預(yù)加固一段，開挖支護(hù)一段，再注漿預(yù)加固一段，然后再開挖支護(hù)一段，以此類推，循環(huán)前進(jìn)的原則進(jìn)行。

2.2.1 深孔注漿布孔設(shè)計(jì)

暗挖區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面開挖尺寸為6.2 m*6.51 m，深孔注漿孔位布設(shè)于全部開挖面，按照先上后下，先外后內(nèi)的順序進(jìn)行鉆孔作業(yè)。鉆孔采用直徑42 mm鉆桿成孔，每次循環(huán)進(jìn)尺12 m，每次開挖循環(huán)進(jìn)尺10 m。注漿孔間距為500 mm～1 000 mm，共計(jì)27個(gè)孔。單個(gè)注漿孔的擴(kuò)散半徑達(dá)到0.5 m～1.0 m，從而保證注漿后掌子面前方預(yù)加固土體能形成一個(gè)整體。外圈注漿孔鉆孔打設(shè)角度向外5°～15°。注漿鉆孔布置如下圖1所示。

2.2.2 擴(kuò)散半徑

擴(kuò)散半徑指漿液注入凝結(jié)后達(dá)到設(shè)計(jì)要求的擴(kuò)散距離，所以在選取擴(kuò)散半徑時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇大多數(shù)條件下可以達(dá)到的數(shù)值，而不是平均值。注漿擴(kuò)散半徑用R表示。

（1）擴(kuò)散半徑采用Maag公式進(jìn)行計(jì)算：

+r

式中：—地層的滲透系數(shù)，單位—cm/s;g—重力加速度，單位—cm/s2;h—注漿壓力的高度，單位—cm;r—注漿孔直徑，單位—cm;t—注漿時(shí)間，單位—s;—漿液粘度與水的黏度的比值;n—地層孔隙率。

（2）擴(kuò)散半徑取值：對于擴(kuò)散半徑，現(xiàn)場施工往往根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)取值并結(jié)合實(shí)際效果調(diào)整，一般對中細(xì)砂、粉質(zhì)粘土取0.5 m～0.8 m，對中粗砂、砂卵石層取0.8 m～1.2 m;對斷層破碎帶取1.5 m～2.0 m。

2.2.3 終孔間距

采用單排孔設(shè)計(jì)時(shí)，注漿孔間距按照a=1.5R確定;而采用多排孔注漿設(shè)計(jì)時(shí)，注漿孔間距按照確定。

2.2.4 注漿分段長度

當(dāng)?shù)貙釉綇?fù)雜時(shí)，注漿分段長度應(yīng)越短，否則將影響注漿效果。對于砂層、粉質(zhì)粘土層可采取后退式分段注漿，分段長度宜為0.4 m～0.6 m。

2.2.5 單孔單段注漿量

按地層空隙率、地層空隙填充率、漿液損失率可進(jìn)行注漿量計(jì)算：

Q=πR2Hn（1+）

式中：Q—單孔單段的注漿量，單位—m3;R—擴(kuò)散半徑，單位—m;H—注漿分段長度，單位—m;n—地層孔隙率（裂隙帶取2%～5%、斷層破碎帶取10%～20%、砂層取30%～40%）;—地層空隙或裂隙填充率，取70%～80%;—漿液損失率（裂隙帶、斷層破碎帶取5%～20%、砂層取10%～20%）。

2.2.6 注漿終壓

注漿終壓應(yīng)按照下式計(jì)算：

P終=P水+2～4

P終—注漿終壓，單位—MPa;P水—現(xiàn)場實(shí)測靜水壓力，單位—MPa。另以加固為主要目的的注漿，注漿終壓應(yīng)為2 MPa～4 MPa。

2.2.7 注漿速度

對在粉質(zhì)粘土中注漿時(shí)，注漿速度宜控制在20 L/min～

40 L/min;對在礫土層等空隙較大的地層中注漿時(shí)，注漿速度宜控制在40 L/min～60 L/min。

2.2.8 單孔單段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

對單孔單段注漿的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：（1）當(dāng)采用定量注漿量方式時(shí)，以實(shí)際注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量，或者當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)終壓且實(shí)際注漿速度小于5 L/min～10 L/min時(shí)為準(zhǔn);（2）當(dāng)采用定量和定壓相結(jié)合來控制注漿結(jié)束時(shí)，以前個(gè)孔達(dá)到設(shè)計(jì)量的1.2～1.5倍，后個(gè)孔達(dá)到設(shè)計(jì)終壓且實(shí)際注漿速度小于5 L/min～10 L/min時(shí)為準(zhǔn)。

2.3 注漿效果分析

隧道超前深孔注漿最主要的目的就是為了保證隧道和地層的穩(wěn)定，確保施工安全，因此隧道相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及掌子面是否存在滲水現(xiàn)象最能直接體現(xiàn)注漿效果的好壞。一般隧道監(jiān)測評價(jià)項(xiàng)目采取以地表沉降、隧道拱頂沉降、凈空收斂為主的測量方法。

2.3.1 洞內(nèi)變形分析

深孔注漿加固完成后，在開挖面前方形成具有一定厚度的加固圈，能保證掌子面無明顯滲漏水，有利于保障施工作業(yè)安全，同時(shí)開挖方式仍采用原設(shè)計(jì)的正臺(tái)階開挖方法，上臺(tái)階開挖至初支封閉期間，拱頂沉降的累計(jì)變化最大值為-20 mm，對控制洞內(nèi)整體穩(wěn)定效果明顯。

2.3.2 地表沉降分析

地表沉降監(jiān)測累計(jì)變化的最大值為-13 mm，相比拱頂沉降變化較小，隧道上方道路無明顯開裂、周邊房屋主體無明顯裂紋及沉降，說明深孔注漿在地層加固方面發(fā)揮了良好作用。

3 結(jié)語

目前，地鐵暗挖區(qū)間隧道注漿方法較多，但其選型合理與否直接影響到施工安全、工期、成本乃至工程質(zhì)量。尤其城市地鐵暗挖隧道可能不光面臨著地質(zhì)變化區(qū)段多、滲漏水等不利因素，還要注重控制地表沉降、地下水保護(hù)、穿越管線保護(hù)等嚴(yán)苛要求，因此對暗挖隧道的安全快速施工提出了更高要求，深孔注漿預(yù)加固方法對滲水地層加固效果好、適應(yīng)性強(qiáng)、止水性能好，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧尤東，周凱.深孔注漿技術(shù)在巖溶富水隧道施工中的應(yīng)用[J].建筑施工，2012（1）：36-37.

[2]任益飛.盾構(gòu)隧道二次深孔注漿技術(shù)對周邊建筑物保護(hù)的研究與應(yīng)用[J].西部探礦工程，2015，27（3）：175-178.

[3]陳偉.深孔注漿技術(shù)在地鐵暗挖隧道施工中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2019（27）：95-96.

[4]閆淑娜.北京地鐵隧道施工中深孔注漿的運(yùn)用[J].科技視界，2014（19）：283-285.

[5]杜俊，梅志榮，傅立磊，等.淺埋暗挖地下通道軟土地層變形規(guī)律及預(yù)加固措施[J].鐵道建筑，2019，59（3）：52-55+68.