暗挖隧道下穿既有建筑物動態(tài)注漿施工技術

楊楊

摘要：提出了“止水超前、成環(huán)加固、勤觀測、動態(tài)補漿”的動態(tài)化注漿技術，其工藝是基于勘察、設計、施工、監(jiān)控量測的并行性和反饋性，并加以綜合分析與研究，再結合開挖和注漿觀測兩方面，運用到隧道開挖施工過程中，實時變更調整原始注漿設計方案，做出動態(tài)調整，獲得更合理、更有效、更安全的注漿方案。該技術在深圳地鐵7號隧道下穿既有建筑物施工中得到了良好應用，在該技術指導下的隧道注漿施工保證了良好的止水、加固效果，確保了隧道開挖的順利進行，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，值得在類似工程中借鑒和推廣。

關鍵詞：下穿工程;復雜地質;動態(tài)化注漿;地鐵隧道

Abstract：The dynamic grouting technology of "advanced water stop，ring reinforcement，frequent observation，and dynamic grouting" is proposed，obvious social and economic benefit and deserves popularization in similar projects in the future. The process is based on the parallelism and feedback of survey，design，construction，monitoring and measurement，and comprehensive analysis and research，combining excavation and grouting observation，and applying it to the tunnel excavation process，real-time change and adjustment of the original The grouting design plan is dynamically adjusted to obtain a more reasonable，effective and safer grouting plan. This technology has been well applied in the construction of Shenzhen Metro Tunnel No. 7 underpassing existing buildings. The tunnel grouting construction under the guidance of this technology guarantees a good water stop and reinforcement effect，and ensures the smooth progress of tunnel excavation. It has obvious economic and social benefits and is worthy of reference and promotion in similar projects.

Keywords：Underpass project;Complex geology;Dynamic grouting;subway tunnel

引言

在地鐵隧道施工過程中，由于位于地下的巖土體中存在大量的節(jié)理和裂隙，而它們又容易形成一系列裂隙通道，導致在地鐵隧道初期支護形成后，地下水通過這些裂隙通道匯集滲透進入隧道內部，造成隧道滲漏水[1-2]，特別是當隧道穿越地下水較豐富的區(qū)域時，部分裂隙通道與地下水域連通，使得隧道圍巖裂隙滲漏水的情況增多[3]。而注漿技術恰恰是治理隧道水患和防滲漏最關鍵的技術也是有效的方法[4-5]。

近年來，諸多學者在注漿施工技術方面做了大量研究。李金華[6]等學者為了分析水灰比和注漿壓力變化時圍巖裂隙中注漿堵水效果和漿液的沉積壓力特征之間的關系，采用自主設計的流體力學綜合試驗平臺，通過動水注漿試驗的方法繪制了3 種不同的沉積壓力曲線，并利用這3種沉積壓力曲線分析評價了注漿堵水效果。姬程飛[7]等學者采用物探法、滲透系數(shù)測試法、開挖取樣法以及數(shù)字鉆孔電視等方法以山西某隧道為工程試驗隧道，對隧道注漿效果進行了評價。王曉亮[8]等學者利用注漿數(shù)據(jù)分析法、注漿量分布特征法以及漿液充填速率反算法等常規(guī)方法評價了隧道的注漿效果。

地鐵隧道由于其地理位置的特殊性，基本是穿越既有建筑的地下空間[9]，一旦維護結構發(fā)生破壞，除了影響地鐵正常運營外還會影響巖土的水文地質環(huán)境從而威脅上部既有建筑物的安全，因此，注漿施工技術顯得尤為重要[10]。但如果整個施工過程只遵循原始的注漿設計和施工方案，勢必會造成存在安全隱患或材料浪費等不利因素。因此，在隧道開挖施工過程中，變更調整原始注漿設計方案，做出動態(tài)調整，獲得更合理、更有效、更安全的注漿方案，可進一步完善注漿工藝，為后續(xù)地鐵隧道的注漿設計以及施工提供了有力支撐，具有一定的實際意義。

1 工程概況

深圳地鐵7號線具有“地質博物館”之稱，近1/4面積是填海造地形成的，全線多次下穿樓房、河流、鐵路、車站、高速公路、地鐵隧道，沿線35處重大風險源。因此，工程建設面臨著七大難題：工程規(guī)模大、場地狹窄、環(huán)境復雜、施工難度大、危險源多、地質條件復雜、要求高。

深云村站～農林站區(qū)間段與安托山停車場出入線路段需要在下方穿越北環(huán)大道5次、廣深高速4次、以及安托山工業(yè)廠房、老舊雨水箱涵各1次并且還需要側穿鴻新花園。同時，該段下穿地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填筑土、礫（砂）質粘性土，下伏基巖為燕山期花崗巖。此外，該段區(qū)間隧道埋深較大，隧道下穿地層多為強～微風化巖，施工難度較大。

其中，下穿廣深高速地層及地質環(huán)境的基本特點如下：原狀殘積土厚度達16-20m，且多為沙質土及雜填土、高速公路填土路基、路面結構以及隧道洞身以上是殘積土（局部是回填土），下部是富含水的巖層，其嚴重影響廣深高速公路以及下穿工程施工的安全。下穿北環(huán)快速路及鄰近區(qū)域的地層特點是富含水，并且具有厚度不均的殘積土與回填土、古沖擊溝以及老舊雨水箱涵，嚴重影響施工的安全。深云站～安托山站區(qū)間隧道左線DK9+619.700-DK9+700.546處為大跨度變截面隧道。本場地表層普遍分布人工堆填土，土質不均，局部夾碎石、塊石，易造成局部隧道側壁的坍塌，屬不穩(wěn)定的土體，本隧道在該層以下，故該層對本區(qū)間隧道施工影響較小。本工程場地局部分布的強風化層，雖然天然狀態(tài)下巖土體的物理力學性質較好，但該層土的水理性質較差，遇水容易產(chǎn)生崩解，且在飽和狀態(tài)下受擾動后，易軟化變形，其承載力和強度驟減，進而造成圍巖失穩(wěn)。本工程場地中的花崗巖殘積層及風化巖中存在差異風化現(xiàn)象，容易造成局部地段巖土層軟硬不均，以上是本區(qū)間的不利地質條件。

2 動態(tài)化注漿施工工藝

動態(tài)化注漿技術，就是要求在工程實施的設計和施工環(huán)節(jié)都遵從動態(tài)化的理念。在地鐵隧道等線性工程地質體中，巖土介質本身及在縱向上往往存在很大的差異性，特別是工程地質條件復雜多變的區(qū)域，隨著工作面的推進，各種地質參數(shù)和因素的時空變化性更加顯著，因此工程巖土體的性質是高度動態(tài)化的。如果整個施工過程只遵循原始的注漿設計和施工方案，勢必會造成存在安全隱患或材料浪費等不利因素。所以，在隧道開挖施工過程中，變更調整原始注漿設計方案，做出動態(tài)調整，獲得更合理、更有效、更安全的注漿方案。

2.1 注漿方式及基本參數(shù)

采用ZJL-350D地質鉆機進行注漿孔的鉆進，當鉆孔深度達到設計長度時，這時采用鉆桿進行注漿，注漿段長度為0.8m。鉆孔完成之后，封口采用注入水玻璃-磷酸混合漿的方法，封口漿凝結后再注入水泥-水玻璃雙液漿，當壓力達到1.5MPa時，保持5分鐘后不再吸漿，進行下一段的注漿工作，循環(huán)往復，直至該孔注漿結束。注漿方式采用后退式注漿的方法，利用雙液注漿泵進行注漿作業(yè)，成一孔注一孔。全斷面共布設孔位59個，孔距為800mm。

基本參數(shù)如下：注漿深度為8.5m～13.5m;注漿孔直徑是Φ42mm;漿液擴散半徑為0.8～1.5m;漿液凝結時間為雙液漿50s～1min30s，封口漿2s～5s;注漿壓力為雙液漿1.0～1.5Mpa，封口漿2.0～3Mpa;注漿循環(huán)段長為13m;后退長度為0.5～0.8m;施工順序為從外圈到內圈。

2.2 注漿孔布置

依據(jù)設計孔位、角度施作注漿孔，孔位呈輻射狀，鉆孔布置成圓形圈，孔位布置見圖1。

2.3 注漿鉆孔施工工藝

選用ZJL-350D型地質鉆機進行鉆孔，首先根據(jù)圖1所示的孔位和鉆孔參數(shù)，在工作面上用油漆標定出鉆孔位置;然后調整鉆桿的水平角和仰角，將鉆頭對準所標孔位。再將棱鏡放在鉆桿的尾部，用全站儀檢查并調整鉆桿的姿態(tài)。

孔徑為Φ50mm，鉆桿直徑為Φ42mm，長度2.0m/節(jié)。需要注意的是：注漿鉆孔孔口位置應準確定位（與設計位置的容許偏差為±5cm），偏角應符合設計要求，每鉆進一段，檢查一段，及時糾偏，孔底位置的偏移應當小于30cm;鉆進過程中如果遇到涌水或破碎巖層并造成卡鉆時，應當馬上停止鉆進，進行掃孔后方可繼續(xù)鉆進，鉆進時對孔內情況應進行詳細記錄，例如是否有掉塊、坍塌、堵鉆等情況，特別是出水量的高低需要準確記錄。

鉆孔順序為先外圈，后內圈。內圈鉆孔可參照外圈鉆孔的順序，后序孔可檢查前序孔的注漿效果。注漿過程中逐步加密注漿，這樣做一方面可根據(jù)鉆孔的情況動態(tài)調整注漿參數(shù)，另一方面如果鉆孔情況證明注漿效果已達到設計要求，即可進行下一圈孔的鉆進，加快施工進度。鉆孔時，還要嚴格作好鉆孔記錄，主要包括孔號、進尺、起止時間、巖石裂隙發(fā)育情況、出現(xiàn)涌水位置、涌水壓力以及涌水量等等。

為了不出現(xiàn)卡鉆等情況，需要提高每循環(huán)作業(yè)效率，以及增加每循環(huán)搭拆腳手架、封閉破除掌子面以及挖填仰拱回填料等事項。將注漿循環(huán)長度由13m降低到10m，注漿工作面封堵初始注漿段改用0.8m厚噴混凝土止?jié){墻，后序注漿段預留3.0m已注段作為止?jié){巖盤。

2.4 注漿施工工藝

1、壓水試驗

壓水試驗采用雙塞正水法，試驗壓力取0.2MPa，即凈水壓力的1.5～2.0倍，試驗時每間隔10分鐘觀測一次流量和壓力，當流量和壓力保持相對穩(wěn)定時，流量連續(xù)四次讀數(shù)，其最大值和最小值之差小于最終值的10%，試驗工作即可結束，以最終流量為計算流量。

2、漿液材料及制漿

注漿漿液采用水泥—水玻璃漿液。其中水泥采用PO425普通硅酸鹽水泥，采用的水泥應當新鮮無結塊，且每批進場水泥均應有出廠合格證及檢驗分析報告單，不能使用不合格的水泥。水泥漿的水灰比為1：1;水玻璃原漿濃度40波美度，模數(shù)為2.4～3.0，水玻璃原漿：水=1：1（體積比），調配出水玻璃稀釋液;水泥漿：水玻璃稀釋液=1：1（體積比）。

封口漿液采用磷酸-水玻璃漿液。磷酸濃度為85%，濃磷酸：水=1：15-20（體積比），調配出磷酸稀釋液;水玻璃原漿濃度40波美度，模數(shù)為2.4～3.0，水玻璃原漿：水=1-1.2：1（體積比），調配出水玻璃稀釋液20-22波美度;磷酸稀釋液：水玻璃稀釋液=1：1（體積比）。

制漿設備選用JZ350葉片式攪拌機。另外，為了在注漿間隙時不產(chǎn)生沉淀以及保證漿液的均勻性另自行加工攪拌儲漿桶兩臺，容量0.4立方米，為了方便吸漿，在儲漿桶外側設兩個以上取漿口，以保證大流量注漿時漿液的供應。

根據(jù)選定漿液的配比參數(shù)拌好漿液，其中水泥漿拌好后還需要用1×1mm網(wǎng)篩過濾，以確保漿液均勻。

3、注漿

采用后退式注漿方式，待鉆孔完成后，注入水玻璃-磷酸混合漿封口，封口漿凝結后再注入水泥-水玻璃雙液漿，當注漿壓力達到1.5MPa持續(xù)5分鐘或者不再吸漿后，進行下一段的注漿作業(yè)，往復循環(huán)，直至該孔注漿結束。作業(yè)順序：先外圈，后內圈，間隔鉆孔注漿。注漿壓力：注雙液漿時采用SYB-60/5型雙液變量注漿泵的二檔（1.0-1.5MPa），注封口漿時采用SYB-60/5型雙液變量注漿泵的三檔（2.0-3.5MPa）。嚴防由于壓力過大漿液冒出地表。

注漿過程中如果需要暫時停止注漿，必須先將水玻璃吸漿管拿出并放入清水桶中，然后再拿出水泥管，同時將注漿管拔出1m，向孔內注清水后再停止注漿。這樣做的目的：一方面可以保持管路暢通，另一方面又可以保證注漿段不受注水影響。

4、注漿結束標準

單孔注漿結束標準以定壓和定量相結合的方式控制。定壓標準：注漿過程中，壓力逐漸上升，流量逐漸下降，當注漿壓力達到設計注漿壓力1.5MPa，持續(xù)20分鐘，吸漿量很少或不吸漿時，可結束本孔注漿;定量標準：當注漿量達到設計注漿量的1.5～2倍，且壓力仍然不上升時，可采取速凝漿液等措施結束該孔注漿。該結束標準為參考值，實際結束標準應通過現(xiàn)場試驗最后確定。

全段結束標準：設計的注漿孔全部注成后，要對該段的注漿效果進行評價，只有通過評價認為注漿效果達到要求后，方可結束本段注漿。評價方法主要有：（1）根據(jù)注漿量進行判斷，由于過少的注漿量很難保地層的加固效果，因此實際的注漿量應達到設計量的80%以上;（2）壓水試驗時，吸水率小于0.2L/min或出水量小于10L/min;（3）鉆檢查孔時，漿液充填飽滿，密實。根據(jù)后續(xù)注漿孔的鉆進情況對前面注漿孔的注漿效果進行確認，一個孔注漿完成后，其鄰近的孔成孔相對容易并且在鉆進中應能看到水泥漿。

3 動態(tài)補漿

依據(jù)“全壽命周期成本、限制排放”的設計理念，為保證襯砌結構的安全以及隧道結構體系的長效作用，需針對性地對隧道初期支護后滲水、滴水以及管道水等情況進行處理，增加徑向注漿設計。

3.1 注漿方式的選擇

（1）局部圍巖注漿

當隧道噴射混凝土后，如果噴層表面出現(xiàn)裂隙線狀出水及面狀淋滲水現(xiàn)象，需要對出水處實施局部注漿。局部圍巖注漿常用來處理小片狀淋水，注漿的深度應根據(jù)實際的注漿效果確定。

（2）圍巖徑向注漿

當穿越斷層破碎帶、節(jié)理密集帶等地段時，開挖后圍巖可自穩(wěn)地段應當采取圍巖徑向注漿的措施。當預測地下水壓力較大并呈現(xiàn)面狀連續(xù)滲漏水時，圍巖徑向注漿的注漿方案為：采用小孔深孔徑向注漿，孔徑為Φ42mm，孔深通常為3～5m;當?shù)叵滤畨毫^小時，圍巖徑向注漿的注漿方案為：采用淺孔徑向注漿，孔徑為Φ42mm，孔深為1～3m。

3.2 注漿參數(shù)

對于初期支護出水點局部圍巖注漿，注漿參數(shù)如下：采用Φ42*3.5mm熱軋無縫鋼管，按100*100cm梅花形布置，管長為5m;注漿材料采用水泥～水玻璃雙液漿，水泥為425普通硅酸鹽水泥，水灰比W/C=0.6～1.1，水泥漿與水玻璃體積比1：0.05;注漿半徑為0.5m;注漿壓力為1～2MPa。

對于初期支護面狀連續(xù)滲漏水全斷面徑向注漿，注漿參數(shù)如下：采用Φ42*3.5mm熱軋無縫鋼管，按100*100cm梅花形布置，管長3.5m;注漿材料主要采用單液漿，堵水困難時采用水泥～水玻璃雙液漿。單液漿水泥為425普通硅酸鹽水泥，水灰比W/C=0.6～1.1;雙液漿水泥為425普通硅酸鹽水泥，水灰比W/C=0.8～1.1，水泥漿與水玻璃體積比1：0.05;注漿半徑為0.5m;注漿壓力為0.5～1.5MPa;。

3.3 注漿效果檢查

在掌子面鉆5個檢查孔并取巖芯，其中上導3個檢查孔，下導2個檢查孔。每個檢查孔無涌水、涌砂等現(xiàn)象，且成孔好。檢查孔放置1 h 后，仍無坍孔、無涌水、無涌砂等現(xiàn)象。取出的芯體有一定強度，外表滑膩，正是雙液漿終凝所形成的固體。因此，可以判定注漿效果良好，滿足安全開挖要求。

開挖后對掌子面注漿加固效果進行觀察，掌子面無水且淤泥質黏土、砂層、礫石層均被有效加固，開挖過程中，掌子面自穩(wěn)性好，無任何坍塌。在開挖過程中，漿液對地層的加固狀況主要表現(xiàn)為剪切劈裂和填充擠壓兩種方式。剪切劈裂方式主要是在未擾動的黏土地層，漿液在較高壓力條件下形成劈裂脈，以脈狀擴散方式形成網(wǎng)狀加固結構;填充擠壓方式主要是在砂層和黏土的交界面以及由于涌泥造成的部分孔隙率較大的部位，當?shù)貙涌紫叮ǘ矗┹^大時，漿液直接填充空隙（洞），以達到固結目的。如下圖8所示。

動態(tài)化注漿技術在深圳地鐵7號隧道下穿既有建筑物施工中得到了良好應用，在該技術指導下的隧道注漿施工保證了良好的止水、加固效果，確保了隧道開挖的順利進行。注漿技術配合精細施工，保證了開挖區(qū)域內管線和周邊建筑物的安全，所有周邊環(huán)境的變形均在控制值范圍內。

4 結論

（1）動態(tài)化注漿技術將隧道開挖與注漿觀測結合起來，通過觀測結果查出注漿薄弱環(huán)節(jié)，分析判斷注漿效果，并指導下一過程，即是否采取補充注漿;通過觀測結果分析判斷掌子面前方地層以及地下水的變化狀況，指導下一循環(huán)注漿的合理實施，從而避免了注漿的盲目性，實現(xiàn)了注漿的動態(tài)化，使注漿技術越來越符合實際工程情況。

（2）依據(jù)“全壽命周期成本、限制排放”的設計理念，為保證襯砌結構的安全以及隧道結構體系的長效作用，需針對性地對隧道初期支護后滲水、滴水以及管道水等情況進行處理，增加徑向注漿設計。

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