鄭州地鐵粉細砂地層區(qū)間隧道擴挖注漿方案優(yōu)化研究與實踐

王 玥， 徐啟鵬， 馬召林

(中鐵隧道勘察設計研究院有限公司， 廣東 廣州 511466)

0 引言

在地下工程領域時常遭遇粉細砂地層，其顆粒細小均勻，顆粒間膠結(jié)性差，自穩(wěn)能力弱，開挖時容易發(fā)生垮塌，需要預先進行地層注漿改良處理。而常規(guī)的水泥基漿液為顆粒懸濁液，可注性差，尤其是在城市復雜環(huán)境中，周邊建(構)筑物和管線密布，既要控制開挖過程中周邊地層變形風險，又要在注漿過程限制注漿壓力防止地層隆起，確保開挖安全。為此，眾多學者針對粉細砂層注漿加固開展了大量的工程實踐探索。

在注漿工藝方面： 通過袖閥管技術[1-2]、分段前進工藝[3-4]以及其他綜合類技術[5-6]進行重復多次注漿，提升注漿總量，可以增加注漿效果，但注漿壓力大，對地層擾動強烈，注漿過程中難以控制周邊地層的變形，且耗時較長； 也有學者結(jié)合真空降水聯(lián)合注漿[7-8]，取得了一定效果，但降水過程中容易出現(xiàn)堵井或漿液被抽出等問題，在城市環(huán)境施工還可能面臨破壞地下水資源問題。

注漿材料是研究和實踐的主要方向。其中，脲醛樹脂類、丙烯酰胺類等高分子有機化學漿材[9-10]，可注性好，但原料來源少、價格高、耐久性差，尤其是具有毒性，近年來工程使用受限，僅少量用于結(jié)構微裂縫臨時抗?jié)B；水玻璃類無機化學漿液來源廣泛、價格相對便宜，且環(huán)保無污染，非常適合作為基材。針對粉細砂地層特性配制改性漿液，近年來南水北調(diào)京石段[11]、西安地鐵2號線[12]、合肥地鐵2號線[13]、石家莊地鐵1號線[14]、青島地鐵2號線[15]等，都應用了酸性水玻璃漿液，采用濃硫酸或者濃磷酸調(diào)配，但其凝結(jié)時間往往超過1 h，相對較長，擴散半徑較小，固砂體強度低，加固效果有限，且原料具有一定的危險性和管制要求。河南舞陽八臺鐵礦王道行出風井[16]應用了堿性水玻璃漿液，采用偏鋁酸鈉調(diào)配，加固效果明顯優(yōu)于酸性水玻璃漿液，但前些年原料來源少，價格很高，使之應用受限。以上應用案例均側(cè)重于分析漿液的室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，對于實際注漿效果的分析描述較少，尤其是揭示開挖漿脈的圖片資料稀缺，說服力不強。

本文考慮到復雜城市環(huán)境開挖過程中地層變形控制的高風險，采用偏鋁酸鈉改性水玻璃復合漿液+超細水泥單液漿，試驗隔孔先后注入的工藝，利用先注入的偏鋁酸鈉改性水玻璃漿液注入砂層并形成漿脈，后注入超細水泥單液漿，在漿脈與砂層的接觸面產(chǎn)生應力集中效應，從而較容易沿該漿脈表面發(fā)生劈裂注漿，克服了水泥漿液在均勻致密的粉細砂層中難以注入和擴散的難題，兼顧了注漿加固強度，開挖揭示漿脈豐富，注漿和后續(xù)開挖過程中周邊地層全過程累計變形小于4 mm。

1 工程背景

1.1 工程概況

鄭州地鐵2號線紫荊山站—東大街站區(qū)間左線盾構出東大街站后向北敷設，通過紫東區(qū)間明挖段后在紫荊山站接收。紫荊山站為鄭州軌道交通1號線和2號線換乘站，在1號線和2號線東南象限設置聯(lián)絡線，聯(lián)絡線與2號線左線相交，聯(lián)絡線曲線半徑為150 m。為確保1號線和2號線聯(lián)絡線建筑限界，需要在順河路下方設置一段礦山法隧道。暗挖隧道周邊環(huán)境示意如圖1所示。

暗挖隧道設計結(jié)構為馬蹄型，采用復合襯砌結(jié)構形式，暗挖隧道長32.392 m，開挖面最大寬度為925 cm，最大高度為831 cm。隧道初期支護工程為型鋼錨噴混凝土結(jié)構(型鋼拱架+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土)，初期支護厚度為30 cm。二次襯砌為模筑C40(P12)防水混凝土，襯砌厚度為45 cm，初期支護與二次襯砌之間設置防水層。隧道橫斷面如圖2所示。

1.2 水文地質(zhì)條件

1號線和2號線聯(lián)絡線大跨暗挖礦山法隧道區(qū)段，隧道拱頂埋深為22.4～22.9 m，仰拱底埋深為30.7～31.2 m，該范圍內(nèi)的區(qū)間隧道主要穿過粉土、粉砂等地層。場地地下水類型為潛水，地下水主要賦存于粉砂及以下的粉土、粉砂層中，不存在相對隔水層。穩(wěn)定水位埋深在自然地面以下13.30～16.05 m。

根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗，本場地粉土層的綜合滲透系數(shù)取0.5 m/d，中部粉砂層的綜合滲透系數(shù)取6.0 m/d，下部粉質(zhì)黏土夾粉土的綜合滲透系數(shù)取0.3 m/d。

1.3 周邊環(huán)境

根據(jù)普查工程資料及現(xiàn)場實地調(diào)查，順河路礦山法區(qū)段施工影響范圍有7條管線。管線調(diào)查如表1所示。

圖1 暗挖隧道周邊環(huán)境示意圖

圖2 隧道橫斷面圖(單位： cm)

表1 管線調(diào)查表

此外，暗挖隧道下穿順河路及順河路南側(cè)新月大廈，新月大廈為地上5層框架結(jié)構，采用預應力管樁基礎。順河路礦山法區(qū)間與新月大廈位置關系如圖3所示。

(a) 平面投影位置關系

(b) 豎向位置關系

2 徑向注漿初始方案

本工程位于粉細砂地層，自穩(wěn)能力差，最大的風險源為隧道擴挖段上方建筑和周邊管線在開挖過程中有沉降破損風險，要求注漿加固改善圍巖整體的自穩(wěn)能力，提高加固體的抗壓強度，同時在注漿過程中需控制注漿壓力，避免地層過度隆起。

綜合考慮了周邊環(huán)境作業(yè)條件和工程擴挖需求，采取了徑向—密集—短孔—勻量的注漿方案，通過徑向注漿使開挖輪廓線外圍形成一定厚度的承壓拱，承載上部土體壓力，確保隧道在擴挖時安全施工。

2.1 方案設計

2.1.1 注漿材料

注漿材料以結(jié)石強度好的水泥基材料為主，備選雙液漿用于封孔和臨時堵水。初始方案材料配比如表2所示。

表2 初始方案材料配比表

2.1.2 注漿參數(shù)

注漿縱向范圍為明挖段南端素混凝土墻開始至暗挖終點，共計26 m； 注漿徑向范圍為開挖輪廓線外2 m。注漿孔按隧道全環(huán)梅花形布置，采用風鉆穿過鋼管片預留注漿孔進行打孔作業(yè)，孔徑為50 mm，孔深度為3.2～5.3 m，成孔后插入φ40 mm PVC管，孔口接0.5 m長的φ50 mm無縫鋼管及球閥，以錨固劑固定和密封管口。隧道徑向加固注漿剖面初始方案設計如圖4所示。鉆孔注漿加固參數(shù)如表3所示。

2.2 實施效果

在現(xiàn)場注漿實施過程中，于右邊墻同高度間隔2環(huán)，陸續(xù)試驗了5個鉆孔。由于粉細砂顆粒細且致密，懸濁液狀態(tài)的單液漿極難注入地層，在注漿壓力已經(jīng)超過設計標準的情況下，注漿量遠未達到設計水平，預計不能滿足開挖安全要求。初始方案施注量統(tǒng)計如表4所示。

3 徑向注漿優(yōu)化方案

針對初始注漿方案試驗實施過程中出現(xiàn)的漿液無法注入地層的現(xiàn)象，經(jīng)過調(diào)研分析及現(xiàn)場試驗，從注漿材料和注漿工藝2個方面采取優(yōu)化措施。

3.1 材料優(yōu)化研究

3.1.1 超細水泥漿液

初始方案的(北京中德-CGM)超細水泥配比滲透能力較差，于是增加水灰質(zhì)量比進行試驗。超細水泥漿液試配如表5所示。

(a) 斷面設計

(b) 三維設計

表3 注漿加固參數(shù)表

表4 初始方案施注量統(tǒng)計表

表5 超細水泥漿液試配表

由表5可知： 隨著超細水泥漿液水灰質(zhì)量比由1.1∶1增大到1.5∶1，漿液滲透效果(注入量)提升了近1倍，改用水灰質(zhì)量比為1.5∶1的超細水泥漿液，可以在一定程度上改善本工程的整體加固質(zhì)量； 此時的單孔注漿量只達到設計注漿量的1/3，整體注漿加固的效果仍然難以保證，需要選用滲透性更好的化學漿液。

3.1.2 偏鋁酸鈉改性水玻璃漿液

經(jīng)過資料調(diào)研，考慮價格和原材料的獲取難易程度，再結(jié)合已有的工程應用案例，本工程以水玻璃溶液和工業(yè)偏鋁酸鈉粉為原料，將偏鋁酸鈉溶液作為促凝劑，配制為改性(堿性)水玻璃漿液，其反應生成凝膠物質(zhì)、硅膠和硅酸鋁鹽，有一定的固結(jié)作用和強度，反應如下：

3(Na2O·nSiO2)+Na2O·Al2O3→Al2(SiO2)3+3(n-1)SiO2+4Na2O。

在現(xiàn)場施工過程中，分別配制偏鋁酸鈉溶液與水玻璃溶液，之后分成2個管路，在孔口混合，按體積比1∶1同時注入孔內(nèi)，現(xiàn)場配制了不同濃度配比的改性水玻璃漿液并進行試驗。改性水玻璃漿液試配如表6所示。

表6 改性水玻璃漿液試配表

由表6可知： 1)偏鋁酸鈉溶液質(zhì)量濃度對漿液性能影響較大，水玻璃溶液濃度影響相對較小，但二者影響效果類似，即隨著溶液濃度的降低，漿液凝結(jié)時間變短，固砂體1 d強度減??； 2)漿液濃度越低，流動性和滲透性更好，即單孔注漿量更高； 3)水玻璃類漿液可能隨著水玻璃濃度的進一步稀釋，出現(xiàn)濃度-凝結(jié)時間曲線的反彎點，在本工程應用濃度范圍內(nèi)未出現(xiàn)； 4)各組配比漿液的滲透能力近似相等，在1.5 MPa壓力下，單孔注漿量為0.33～0.35 m3，均基本達到了設計注漿量的要求。

根據(jù)固砂體強度分析可知： 固砂體強度主要受偏鋁酸鈉溶液質(zhì)量濃度影響較大，高濃度偏鋁酸鈉與高濃度水玻璃配比的漿液固砂體1 d強度可達1.4 MPa，是常規(guī)酸性水玻璃漿液的3倍以上，但對比之下，仍遠遠小于水泥基單液漿結(jié)石強度(通常大于10 MPa)，其對土體的加固效果以排水和擠密為主，利用漿脈形成的網(wǎng)片狀結(jié)構，輔助增強圍巖的自穩(wěn)能力。

綜上，從材料經(jīng)濟性和漿液滲透能力2個方面考慮，選定濃度最低的6號配比漿液，可以考慮作為本工程注漿主要材料之一，其特點是滲透能力滿足設計要求，但加固能力有限。

3.1.3 水泥-水玻璃雙液漿

將初始注漿方案中涉及的漿液和優(yōu)化研究后擬采用的2種漿液，按體積比1∶1交叉配制水泥-水玻璃雙液漿，試驗得到其凝結(jié)時間和1 d強度。水泥-水玻璃雙液漿試配如表7所示。

表7 水泥-水玻璃雙液漿試配表

由表7可知: 不同組分的水泥-水玻璃雙液漿，其凝結(jié)時間和結(jié)石強度都處在同一個數(shù)量級，從臨時速凝堵水的功能需求來說，此4種配比方案相差不大，故在工程實踐中，擬采用造價最低的2號配比，作為預備的輔助封堵漿材。

3.2 工藝優(yōu)化研究

由于擴挖隧道周邊管線密布，并位于新月大廈正下方，為確保開挖安全，必須充分填充孔隙，擠密地層，達到設計的注漿量，同時注入漿液的結(jié)石體需具備充足的強度，使得加固區(qū)域地層在附加載荷(路面行車、建筑自重)和開挖擾動的不利條件下保持穩(wěn)定。

綜合分析考慮，擬采用復合注漿工藝，即首先施注A液改性水玻璃漿液，利用其較強的滲透性大量注入粉細砂層中，填充孔隙，并快速凝固形成漿脈，同時漿脈與粉細砂層之間形成較薄弱的接觸面；之后施注B液超細水泥單液漿，漿液在擴散過程中，壓力很容易在A液漿脈與粉細砂地層形成的接觸面發(fā)生應力集中，從而發(fā)生劈裂，并沿接觸面發(fā)展成新的漿脈，提升B液注入量的同時，也進一步形成了強度較高的水泥基漿脈骨架，大幅增加加固區(qū)圍巖的整體力學性能。

復合注漿工藝可以通過以下施注方案實現(xiàn)：

1)同孔復合注漿，即在同一個鉆孔內(nèi)，先后施注A液和B液。

2)隔孔復合注漿，即按梅花間隔選取鉆孔，施注A液并凝固后，在剩余其他鉆孔內(nèi)施注B液。

復合注漿方案效果對比如表8所示。

表8 復合注漿方案效果對比

由表8試驗結(jié)果對比分析2種方案，結(jié)論如下。

1)A液偏鋁酸鈉水玻璃漿液主要起排水堵水、初步擠密圍巖和為B液劈裂擴散服務的作用，強度低(小于0.5 MPa)，造價高。方案1預計消耗265 m3A液+85.8 m3B液，方案2預計消耗136 m3A液+97.5 m3B液。方案1的材料成本約為方案2的2倍，且方案1的注漿總量達到設計值(267 m3)的134%，漿液擴散范圍已超出設計加固區(qū)域，存在材料浪費現(xiàn)象； 方案2的注漿總量達到設計的88%，漿液擴散范圍基本位于設計加固區(qū)域內(nèi)，滿足加固需求。

2)B液超細水泥單液漿主要起加固圍巖的作用，強度高。方案2中B液預計用量大于方案1中B液預計用量，故復合注漿加固強度方案對比，方案2更優(yōu)。

3)為確保注漿效果，采用孔內(nèi)插入PVC管孔底返漿的注法。方案1施注每個孔時，需先后切換A液和B液，且為防止A液凝固后堵塞孔內(nèi)PVC管，需在A液凝固之前切換B液連續(xù)施注； B液注入后呈團聚狀，難以劈裂延伸形成樹根型漿脈，加固的均勻性較差。

綜上，方案2具有造價低、加固體強度高的優(yōu)點，且無需同時制備多種漿液，施工相對便捷，因此，確定采用隔孔復合注漿工藝，先注A液滲透，后注B液劈裂。隧道徑向加固注漿優(yōu)化方案設計如圖5所示。

(a) 斷面設計

(b) 三維設計

3.3 實施效果

經(jīng)過對注漿材料和工藝進行優(yōu)化，漿液注入量如表9所示。

表9 優(yōu)化方案施注量統(tǒng)計表

由表9可知: 優(yōu)化后漿液注入總量為245.7 m3，達到初始方案總量(267 m3)的92%，加固地層中的孔隙基本被填充和擠密，達到了設計注漿加固的目的。

在開挖過程中，加固后地層含水率明顯降低，開挖面無滲水和濕漬，圍巖穩(wěn)定性良好，揭示漿脈和漿塊體分布十分理想，按分布類型可分為2類。

3.3.1 獨立型漿脈(漿體)

2種漿液各自形成結(jié)石體，無貼合，開挖揭示約占漿脈總量的20%。獨立型漿脈(漿體)如圖6所示。

圖6 獨立型漿脈(漿體)

3.3.2 復合型漿脈(漿體)

2種漿液各自形成結(jié)石體，兩者緊密貼合，說明是在注入B液超細水泥單液漿時，其沿A液改性水玻璃漿液結(jié)石體形成的交界面劈裂而成，開挖揭示約占漿脈總量的80%。復合型漿脈(漿體)如圖7所示。

圖7 復合型漿脈(漿體)

在施工過程中，對地表、管線和建筑物進行實時監(jiān)測，其中以新月大廈沉降變形最大，注漿階段其累計變形值小于2 mm，開挖至支護完成階段累計變形值約為5 mm，全過程累計變形小于4 mm。施工全過程新月大廈監(jiān)測變形情況如圖8所示。

4 綜合效益分析

在近年的工程實踐中，對改性水玻璃的應用，主要有硫酸-水玻璃、磷酸-水玻璃、偏鋁酸鈉-水玻璃等，對各工程項目的改性水玻璃綜合單價和應用效果匯總對比，結(jié)果如表10所示。

(a) 監(jiān)測變形曲線 (b) 測點平面布置示意

由表10可知： 在最大稀釋程度的情況下，硫酸配方價格最低(145元/m3)，磷酸配方次之(255元/m3)，偏鋁酸鈉配方價格最高(300元/m3)。

其中，硫酸配方需以濃硫酸(98%)為原料，獲取渠道廣泛，配制過程危險性較高，工程應用需報備審批，近年應用明顯減少； 磷酸配方以濃磷酸(85%)為原料，獲取渠道較廣泛，配制危險性降低，無需報備審批，近年來應用案例不斷增加。

偏鋁酸鈉配方以工業(yè)級粉為原料，相比以上2種配方，具備如下特點和優(yōu)點。

1)配制較安全，無需報備審批。

2)來源較廣泛，價格無明顯劣勢。偏鋁酸鈉在前些年獲取渠道較少，且價格昂貴。以2016年為例，其單價高達12 000/t，近年隨著化工行業(yè)的發(fā)展進步，其獲取難度顯著降低，且其原料單價和成品漿液綜合單價與磷酸配方相差不大，已具備良好的應用推廣前景。

3)結(jié)石強度較高。高濃度偏鋁酸鈉溶液，配制的改性水玻璃漿液固砂體強度可達到1.4 MPa，為酸性水玻璃漿液的3倍以上，在特殊條件下具有一定應用價值；但三者的固砂體強度均偏低，采用稀釋配比后固砂體強度為0.3～0.5 MPa，在砂層中主要起到填充孔隙，排出水分，增加砂層本身自穩(wěn)能力的作用，經(jīng)濟性較好。

4)凝結(jié)時間短，擴散半徑大，結(jié)石體與原地層形成的交界面平整分明，有利于二次注漿劈裂。

本文依托工程采用的“先注改性水玻璃滲透，后注水泥單液漿劈裂”的設計方案，在二次注入水泥漿后明顯提高了注漿區(qū)的加固強度，大幅度降低了開挖地層的變形風險。從開挖揭示形態(tài)對比來看，磷酸配方凝結(jié)時間長，形成的結(jié)石體與原地層呈滲透凝聚狀，分界面不明顯，不平整，不利于后續(xù)注水泥漿劈裂(見圖9)；而偏鋁酸鈉漿液自身團聚性較好，結(jié)石體與原地層形成較明顯及光滑的分界面，有利于后續(xù)注水泥漿發(fā)生劈裂(見圖10)。

圖9 磷酸配方注漿開挖揭示情況[15]

圖10 偏鋁酸鈉配方注漿開挖揭示情況

5 結(jié)論與討論

1)采用大稀釋比例的偏鋁酸鈉溶液(90 kg/m3)-水玻璃(20°Bé)配制為改性(堿性)水玻璃漿液，具有凝結(jié)時間短(2～3 min)、抗分散能力強的優(yōu)點，固砂體強度達到0.5 MPa，可較好地填充地層孔隙，排出水分，提高地層自穩(wěn)能力。

2)采用復合注漿設計方案，即先行注入A液改性水玻璃漿液，待其凝固并與地層形成明顯的分界面后，后續(xù)注入B液超細水泥漿液，可實現(xiàn)劈裂注漿的效果，有利于克服致密粉細砂層的注漿阻力，形成復合漿脈(漿體)占開挖揭示的80%，充分提升了加固區(qū)域的圍巖強度，增加地層的抗變形能力。

3)隨著近年來偏鋁酸鈉原料獲取難度及單價的大幅度降低，其漿液綜合成本已接近磷酸配方改性水玻璃漿液，同時考慮到其凝結(jié)時間短和擴散半徑大的特點，已具有良好的推廣應用前景，值得進一步實踐和研究。

4)本文中的偏鋁酸鈉-水玻璃化學漿液，及其他案例應用硫酸(磷酸)-水玻璃化學漿液，其結(jié)石體強度遠低于水泥基漿液，加固能力不足，不適宜在孔隙率較大或有空腔空洞的地層中單獨使用。