凍結(jié)與注漿聯(lián)合加固技術(shù)在富水軟弱淺埋暗挖隧道中的應(yīng)用

趙向鋒 盛俊云 莊昭斌 魏永潔

（中鐵一局集團(tuán)（廣州）建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 511400）

0 引言

近年來，針對軟弱地層圍巖預(yù)加固方法，我國相關(guān)專家學(xué)者開發(fā)了包括超前深孔注漿、水平旋噴樁和人工凍結(jié)等一系列手段對富水軟弱地層進(jìn)行預(yù)加固。但在復(fù)雜軟弱地層中，注漿與旋噴樁技術(shù)難以保證加固效果的均勻性，加固后仍然存在滲水風(fēng)險(xiǎn)，開挖面的穩(wěn)定性難以保障，存在較大的安全隱患。人工凍結(jié)技術(shù)雖具有優(yōu)異的止水效果與圍巖加固功能，但造價(jià)高昂，應(yīng)用推廣一直受限。

該文以廣州地鐵11號線某區(qū)間二期配線延長段18m暗挖主隧道為研究對象，在充分結(jié)合隧道地質(zhì)條件的情況下。提出了“外圈延長凍結(jié)+掌子面全斷面注漿”的圍巖加固方案并予以順利實(shí)施。在保障安全的前提下，較好地減少了施工成本，為后續(xù)類似條件下淺埋暗挖工程的推廣應(yīng)用起到了較好的借鑒作用。

1 工程簡況與地質(zhì)條件

廣州地鐵11號線云大區(qū)間二期配線延長段是在原有云大一期施工完成的2#橫通道進(jìn)行配線延長段隧道的暗挖構(gòu)筑工作，隧道延?xùn)|西走向，長度17.503m。隧道平面布置圖如圖1所示。

圖1 配線延長段主隧道平面布置圖（單位：mm）

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料顯示，配線延長段隧道拱頂主要處于粉質(zhì)黏土<4N-2>、砂質(zhì)黏性土<5Z-1>；洞身及基底主要位于砂質(zhì)黏性土<5Z-1>、砂質(zhì)黏性土<5Z-2>，局部位于淤泥質(zhì)土<4-2B>。

2 施工方案設(shè)計(jì)

因隧道主要穿越混合花崗巖殘積土地層且工程水理性質(zhì)和圍巖穩(wěn)定性較差，經(jīng)相關(guān)專家反復(fù)論證后，決定最終采用“外圈延長凍結(jié)+掌子面全斷面注漿”的圍巖加固方案。以外圈延長水平凍結(jié)為主，開挖掌子面全斷面注漿為輔，以此達(dá)到開挖斷面穩(wěn)定的效果，確保整個(gè)開挖及結(jié)構(gòu)施工過程的安全。相應(yīng)的加固設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

2.1 外圈水平凍結(jié)方案設(shè)計(jì)

針對該工程特點(diǎn)，隧道外圈形成凍結(jié)壁發(fā)揮承載和隔水的雙重作用，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度2.5m，設(shè)計(jì)最低鹽水溫度≤-28℃，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度≤-10℃，積極凍結(jié)60d。根據(jù)凍結(jié)設(shè)計(jì)方案，凍結(jié)孔共布設(shè)45個(gè)，長度均為26.70m（結(jié)構(gòu)長度17.503m），均選用?127mm×10mm的低碳鋼無縫鋼管，延暗挖主隧道環(huán)向均勻布置，形成穩(wěn)定環(huán)形的凍結(jié)壁加固帷幕。具體的凍結(jié)孔和測溫孔布置圖如圖3所示。

圖3 配線延長段凍結(jié)孔、測溫孔布置圖

2.2 全斷面深孔注漿方案設(shè)計(jì)

為確保開挖面穩(wěn)定，開挖面采用全斷面深孔注漿，以對土體進(jìn)行改良。在開挖掌子面延環(huán)向打設(shè)注漿管，排間距1.1m，孔間距1.48m～1.58m，注漿壓力0.5MPa～1.5MPa，注漿擴(kuò)散半徑為1.0m～1.2m，注漿段長度為21.0m，開挖18.0m，預(yù)留3.0m止?jié){巖盤，注漿工作在積極凍結(jié)開始前完成，與后續(xù)外圈凍結(jié)壁共同形成封閉止水帷幕。注漿漿液主要采用單液漿，地下水較大時(shí)采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥為42.5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，膠凝時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行試驗(yàn)得到。相應(yīng)的注漿孔布置圖與聯(lián)合加固示意圖如圖4所示。

圖4 配線延長段注漿孔布置示意圖（單位：mm）

2.3 測溫點(diǎn)、變形監(jiān)測點(diǎn)布置

圖2 配線延長段加固方案設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

在水平凍結(jié)暗挖主隧道內(nèi)分別布置5個(gè)拱頂沉降和5個(gè)凈空收斂監(jiān)測點(diǎn)。其中洞口10m范圍加密布置3組測點(diǎn)，后面每間隔4m布置一組測點(diǎn)。為了實(shí)時(shí)掌握地面變形情況，及時(shí)消除不良影響，暗挖主隧道地面共布置12個(gè)地表沉降觀測點(diǎn)。

3 凍結(jié)實(shí)測分析

3.1 干管鹽水溫度分析

根據(jù)原設(shè)計(jì)要求，積極凍結(jié)時(shí)間60d，鹽水溫度最低≤28℃，到達(dá)開挖日期，鹽水去回路溫差≤2℃，圖5所示為整個(gè)凍結(jié)過程中的鹽水進(jìn)回水溫度時(shí)程曲線及鹽水溫差曲線。由鹽水時(shí)程曲線可以看出整個(gè)積極凍結(jié)過程中鹽水溫度呈近似對數(shù)型下降，隨著凍結(jié)時(shí)間的延長，鹽水溫度逐步穩(wěn)定在-30.8℃～-32.5℃，低于設(shè)計(jì)要求值，同時(shí)去回路溫差在1.5℃～1.8℃，滿足設(shè)計(jì)去回路溫差保持2℃以內(nèi)的要求。

圖5 配線延長段鹽水溫度時(shí)程曲線

3.2 測溫孔溫度分析

該工程共設(shè)置8根測溫孔，深度與凍結(jié)孔深度一致。施工中采用DS18b20型溫度傳感器進(jìn)行土體溫度數(shù)據(jù)收集，測點(diǎn)每隔3m布置一個(gè)，收集頻率為30min/次。本次實(shí)測測溫?cái)?shù)據(jù)較多，該文從中選取比較有代表性的斷面3m、18m層位各測點(diǎn)溫度變化趨勢來分析溫度變化規(guī)律，如圖6所示。

由圖6可以看出，在積極凍結(jié)期間，各測點(diǎn)在開始下降后，溫度下降趨勢比較正常，呈現(xiàn)對數(shù)型下降。多個(gè)測溫孔在0℃時(shí)出現(xiàn)了短暫的降速后加速趨勢，這主要是在相變階段，大量散熱會(huì)造成溫度下降接近停滯，屬于正常狀態(tài)。

圖6 配線延長段3.0m、18.0m層位測溫孔降溫曲線

4 探孔施工

配線延長段暗挖施工采用臺(tái)階法開挖，開挖掌子面共布設(shè)5個(gè)探測孔，具體的探孔在掌子面布置如圖4所示，探測孔均一次打設(shè)21m，滿足停車延長線暗挖超前地質(zhì)預(yù)報(bào)要求。當(dāng)有異常情況時(shí)，結(jié)合物探法探測結(jié)果進(jìn)行判斷，必要時(shí)適當(dāng)增加鉆孔或加長鉆孔。重點(diǎn)探測52內(nèi)容為探明巖體破碎程度、圍巖變化趨勢、地下水的賦存情況、斷層破碎帶情況及基底情況。

根據(jù)現(xiàn)場鉆設(shè)的5個(gè)探孔施工結(jié)果顯示，均無地下水流出，探孔過程中圍巖整體性也較好，掌子面注漿和外圈凍結(jié)加固已達(dá)到預(yù)期加固目的，結(jié)合各項(xiàng)凍結(jié)技術(shù)參數(shù)分析，現(xiàn)場已具備開挖施工條件。

5 變形監(jiān)測

5.1 開挖施工情況

按照原設(shè)計(jì)施工方案，配線延長段暗挖采用“外圈延長凍結(jié)+掌子面全斷面注漿”進(jìn)行圍巖預(yù)加固后采用臺(tái)階法開挖施工，開挖共分2個(gè)臺(tái)階，由上至下依次開挖，上一洞室貫通后，再進(jìn)行下一洞室施工，循環(huán)進(jìn)尺結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整1榀～2榀。開挖后先進(jìn)行初噴，及時(shí)施作初期支護(hù)和臨時(shí)支撐。隧道整體貫通后，由下至上轉(zhuǎn)入二襯施工。

開挖初支按全斷面0.4m/d考慮，設(shè)計(jì)開挖周期45d，現(xiàn)場實(shí)際開挖施工于2022年03月28日～2022年04月30日進(jìn)行，開挖用時(shí)34d，較原設(shè)計(jì)周期提前了24%，可見凍結(jié)與注漿聯(lián)合加固技術(shù)很好地保障了開挖施工的安全性，極大縮短了施工周期，節(jié)約了施工成本，實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5.2 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

配線延長段18m暗挖主隧道于2022年03月28日～2022年04月30日進(jìn)行主隧道的開挖及初支構(gòu)筑工作。整個(gè)開挖過程中全程進(jìn)行監(jiān)控量測，開挖過程并未出現(xiàn)涌水涌砂，開挖掌子面失穩(wěn)，地表變形較大的情況發(fā)生，凍結(jié)邊界結(jié)霜效果良好。各主要的監(jiān)測項(xiàng)目及監(jiān)測參數(shù)見表1。

表1 主要監(jiān)測項(xiàng)目及相應(yīng)參數(shù)

相應(yīng)的變形監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場變形監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

根據(jù)現(xiàn)場變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，整個(gè)開挖過程中，變形監(jiān)測數(shù)據(jù)與開挖過程基本同步，未出現(xiàn)變形數(shù)據(jù)異常的情況：1） 拱頂沉降和凈空收斂值在開挖初期出現(xiàn)明顯增大的情況，初支施工完成后，逐步呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢，最大變形值分別為-9.1mm（GD1-3）、-8.3mm（SL1-2），在整個(gè)開挖過程中均遠(yuǎn)小于預(yù)警值±30mm。2） 地表沉降值隨著開挖過程，同步呈現(xiàn)出擴(kuò)大的趨勢，在初支完成后也逐步恢復(fù)穩(wěn)定，其中靠近2#橫通道受1期凍結(jié)融沉的影響，變形量大于其他部位的變形值，最大變形值為-30.93mm（DC2-3），小于預(yù)警值±32mm。3） 在整個(gè)開挖過程中，對開挖面及地表進(jìn)行了嚴(yán)密的數(shù)據(jù)監(jiān)測，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整開挖施工過程，成功實(shí)現(xiàn)了整個(gè)開挖過程的安全施工，在極大推進(jìn)施工進(jìn)度的同時(shí)保障了開挖安全。

6 結(jié)論

廣州地鐵11號線某區(qū)間配線延長段暗挖主隧道在充分結(jié)合現(xiàn)場條件的基礎(chǔ)上，采用了“外圈延長凍結(jié)+掌子面全斷面注漿”的聯(lián)合預(yù)加固施工方案”，成功完成了施工任務(wù)，為同類型淺埋暗挖工程施工提供了較好的借鑒。

配線延長段預(yù)加固措施在達(dá)到設(shè)計(jì)天數(shù)后，現(xiàn)場5個(gè)全長探孔施工結(jié)果均顯示干燥無水，現(xiàn)場各項(xiàng)凍結(jié)技術(shù)參數(shù)也全部滿足設(shè)計(jì)要求，證明了“外圈延長凍結(jié)+掌子面全斷面注漿”聯(lián)合加固方案的可靠性和安全性。

現(xiàn)場轉(zhuǎn)入開挖工序后，嚴(yán)格遵循變形數(shù)據(jù)監(jiān)測頻率對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。由現(xiàn)場實(shí)測變形數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，在開挖過程中，拱頂沉降、凈空收斂、地表沉降值均處于變形預(yù)警值范圍之內(nèi)，變形曲線趨勢基本一致，未出現(xiàn)變形快速發(fā)展、超出限值的情況，并且該加固方案在保障整個(gè)開挖過程安全的同時(shí)，整體開挖工期較原設(shè)計(jì)周期提前了24%。