地鐵工程中沙漏型巖溶注漿技術(shù)研究

譚云龍

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

基于當(dāng)前國家軌道工程的不斷推進(jìn)，很多城市在規(guī)劃設(shè)計(jì)中推進(jìn)了地鐵的建設(shè)進(jìn)程，以此為城市交通建設(shè)提供便捷。地鐵工程推進(jìn)過程中可能遇到巖溶問題，為了進(jìn)一步保證地鐵工程的運(yùn)營安全，應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)巖溶處理效果，沙漏型巖溶注漿技術(shù)的運(yùn)用在這一過程中發(fā)揮了重要的作用。當(dāng)前，針對地鐵施工中沙漏型巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究不斷深入，包括巖溶地質(zhì)勘察、巖溶塌陷機(jī)理、巖溶發(fā)育規(guī)律等，本文以北京地鐵M17 號線為例進(jìn)行分析，探討沙漏型巖溶注漿技術(shù)的運(yùn)用情況。

1 北京地鐵M17 號線工程概況

北京地鐵M17 號線是貫穿南北方向的軌道交通干線，全線設(shè)車站21 座，其中地下站17 座，高架站4 座。該地鐵工程線路總長49.7km，其中地下線35.97km，高架線11.57 km，過渡段2.16 km，其中U 型槽1.1 km，路基段1.06 km。全線換乘站11 座，平均站間距2.44 km。共5 站6 區(qū)間1 停車場，線路里程為右K33+916.435～K50+252.08，線路長度約17.6 km[1]。

北京地鐵M17 號線位于北京平原地區(qū)，地下水為基巖裂隙水，在砂層孔隙中包括潛水、上層滯水、承壓水。該工程地處平原地區(qū)，潮白河、大石河、永定河等河流在長期沖刷作用之下形成了地下水，河流流動過程中具有一定的搬運(yùn)能力，對富水層的分布情況與范圍具有一定的影響作用，并在時間的長期積累之下，形成了一定的水文地質(zhì)表現(xiàn)，對含水層的分布范圍具有一定的影響。北京地鐵M17 號線施工過程中，對施工起到一定影響的因素主要為上層滯水、潛水與承壓水。粉土填土、粉土、粉細(xì)砂地質(zhì)環(huán)境下主要分析上層滯水，主要的水源來源為灌溉水、大氣降水、雨水和污水等。含水層滲透系數(shù)受到雨水補(bǔ)給量、補(bǔ)給方式等相關(guān)要素的影響，因此參數(shù)呈現(xiàn)出一定的變動性。上層滯水分布往往不均勻，水位高低有所變化，并非一成不變[2]。土層巖土施工工程分級，見表1。北京市各月平均降水量如圖1 所示。

圖1 北京市各月平均降水量圖

表1 巖土施工工程分級

2 北京地鐵M17 號線主要巖土工程問題

2.1 土與水源情況

本段線路淺部普遍分布有人工填土，土質(zhì)不均，厚度變化大，可能賦存上層滯水，對地面建筑基礎(chǔ)形式及埋深影響較大，對覆土薄的暗挖車站、區(qū)間和淺埋暗挖的長出入口等安全影響較大。對車輛段地面建筑及路基工程基底穩(wěn)定不利，影響地面建筑基礎(chǔ)選型及埋深。地下結(jié)構(gòu)多位于地下水位下，含水層主要為砂土、粉土層，滲透性強(qiáng)，含水量大，地下水控制困難，局部穩(wěn)定的粉質(zhì)黏土層可能造成局部有承壓水和飽水透鏡體，對施工的安全影響較大，地表水可能對地下水有補(bǔ)給作用，給施工帶來較大困難。地下水埋深較淺，各類地下工程均需進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)[3]。

地下水位淺，砂土層普遍較厚，飽和的砂土易引起盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)，從而產(chǎn)生較大的地面變形，影響既有各類建構(gòu)筑物的安全。沿線的地面環(huán)境復(fù)雜，線路距離兩側(cè)建筑物較近，地下管線密集，且多處下穿和鄰近建筑物，在次渠站下穿既有亦莊線次渠站，地下工程的施工可能影響既有地鐵線路、鄰近的建構(gòu)筑物、市政道路和管線的安全。因此，沙漏型巖溶注漿技術(shù)施工過程中考慮周邊建筑物的建設(shè)情況，充分保證周邊建筑的安全。

根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》按各巖土層統(tǒng)計(jì)，物理力學(xué)指標(biāo)提供了樣本個數(shù)、最大值、最小值、平均值和變異系數(shù)，剪切指標(biāo)除提供以上數(shù)據(jù)外，還提供了標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)樣本數(shù)少于6 個時，一般物理力學(xué)指標(biāo)不計(jì)算變異系數(shù)，剪切指標(biāo)不計(jì)算變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值。有關(guān)參數(shù)的計(jì)算公式如下。

1）平均值公式

2）標(biāo)準(zhǔn)差公式

3）變異系數(shù)公式

4）標(biāo)準(zhǔn)值公式

其中

式中：?i為巖土參數(shù)測試值；n為參加統(tǒng)計(jì)的子樣數(shù)；γs為統(tǒng)計(jì)修正系數(shù)，式中正負(fù)號按不利組合考慮。

根據(jù)測試和試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)，綜合統(tǒng)計(jì)得出的各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。

2.2 明挖車站及區(qū)間

線路結(jié)構(gòu)多位于地下水位下，明挖車站及區(qū)間需采取地下水控制措施。線路車站開挖深度內(nèi)上部多為填土、粉土、砂土，部分地段砂土層較厚，地層的自穩(wěn)性差，飽和的砂土、粉土易產(chǎn)生流土和管涌，影響基坑側(cè)壁和坑底安全。結(jié)構(gòu)底板下地基土巖性變化大，土質(zhì)不均，可能產(chǎn)生不均勻沉降。部分地段分布有承壓水，可能造成基坑突涌[4]。

2.3 盾構(gòu)區(qū)間

礦山法區(qū)間洞頂飽和的粉土、砂土層較多，穩(wěn)定性差，支護(hù)困難，易坍塌，施工風(fēng)險大?？缃值拈L出入口和風(fēng)亭預(yù)計(jì)采用礦山法施工，埋深淺，覆土薄，施工風(fēng)險大，且填土中可能賦存有上層滯水，對施工安全影響大。砂質(zhì)黏性土互層的地層結(jié)構(gòu)可能形成局部的地下飽水體，影響施工安全。地層以粉土、黏性土和砂土互層為主，下部的砂層可以作為良好的樁端持力層，但厚度埋深變化較大。飽和的砂土層及局部的承壓水可能影響樁基施工質(zhì)量。

3 地鐵工程中沙漏型巖溶注漿技術(shù)研究

針對以上該工程施工中存在的現(xiàn)實(shí)問題，要求不斷優(yōu)化沙漏型巖溶注漿技術(shù)的運(yùn)用，進(jìn)一步保證工程施工的總體效能。

3.1 漿液配置及終漿標(biāo)準(zhǔn)

本車站主體結(jié)構(gòu)底板埋深約為17 m，主要位于粉質(zhì)黏土、細(xì)砂層，各層土的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值180～220 kPa，為中低～低壓縮性土，可考慮作為基礎(chǔ)持力層，建議采用天然基礎(chǔ)。場地巖土層厚度變化較大，車站主體結(jié)構(gòu)基底基本全部位于為砂土層與粉質(zhì)黏土層交界變化地段，地層強(qiáng)度和壓縮性稍有差異，設(shè)計(jì)、施工時應(yīng)進(jìn)行不均勻沉降分析，采取局部換填措施。在地鐵工程施工中，漿液在注漿時，由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?，最終成為結(jié)石體，具有堵水與加固效果[5]。見表2。

表2 巖土參數(shù)

3.2 沙漏型巖溶地質(zhì)處理

從當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)上分析，細(xì)砂、粉細(xì)砂層覆蓋于可溶巖之上。處理思路為先填充溶洞再施作圍護(hù)，溶洞受到地表水、地下水的影響，土洞處理時首先治水，在土洞埋深較淺時，聯(lián)合運(yùn)用挖填、梁板跨越的處理方式。針對深埋土洞，施工中可見具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，為此，在洞頂上部設(shè)置梁板跨越作業(yè)方式。或者在頂部鉆孔灌砂礫，目的在于有效充填空間。在工程圍護(hù)基底進(jìn)行加固處理，有效連接車站結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個整體統(tǒng)一的形態(tài)。圍護(hù)落底進(jìn)入巖層，開展帷幕注漿作業(yè)。連接圍護(hù)結(jié)構(gòu)，開展注漿充填作業(yè)[6]。

3.3 車站基坑支護(hù)

地鐵工程主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，開挖深度約17 m，開挖范圍內(nèi)的土層以填土、砂土、粉土及粉質(zhì)黏土為主，結(jié)構(gòu)底板位于地下水位以下5～6 m。北側(cè)多棟多層建筑，南側(cè)也具有建筑工程，施工影響范圍內(nèi)管線密集，環(huán)境條件復(fù)雜。對該基坑的支護(hù)及施工建議分析如下：根據(jù)地質(zhì)條件及環(huán)境條件，采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)方案。施工中應(yīng)堅(jiān)持分步開挖、及時支護(hù)的原則。地下砂層較厚，灌注樁施工時應(yīng)采取措施避免孔壁坍塌，保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。施工中應(yīng)采取措施避免對基底土的擾動。對鄰近的重要建構(gòu)筑物、管線應(yīng)采取保護(hù)措施，并加強(qiáng)監(jiān)測，采取地下水控制措施時，應(yīng)考慮上層滯水對工程的不利影響，施工中予以注意，并采取必要的規(guī)避措施。對多項(xiàng)施工要素進(jìn)行全面分析，重點(diǎn)考慮建筑物既有荷載、地面荷載等相關(guān)要素的影響。尤其是地面載荷，要求在施工過程中，對運(yùn)土量、施工機(jī)械的準(zhǔn)備等相關(guān)要素進(jìn)行精準(zhǔn)測算與嚴(yán)格把控，以此進(jìn)一步達(dá)到良好的綜合施工效果。

3.4 沙漏型巖溶注漿技術(shù)流程

沙漏型巖溶注漿技術(shù)施工工藝流程如下。第一，鉆孔布置，結(jié)合地鐵工程施工管理現(xiàn)狀與相關(guān)要求，設(shè)計(jì)布孔圖鉆孔，保證符合工程管理的相關(guān)要求。第二，結(jié)合工程管理現(xiàn)狀環(huán)與相關(guān)要求，開展鋼套管施工作業(yè)，借助于專業(yè)施工操作機(jī)械，將φ140 mm 鋼套管打至適宜的位置，與地鐵工程施工管理的相關(guān)要求相結(jié)合，保證低于基巖面。第三，PP-R 管施工屬于注漿技術(shù)中的重要運(yùn)用流程與環(huán)節(jié)，要求嚴(yán)格按照相關(guān)操作規(guī)范與要求，在PP-R 管施工時使得鋼套管內(nèi)φ90 mm PP-R管密貼基巖，符合地鐵工程施工管理的實(shí)際要求。利用PP-R 管，拔出鋼套管進(jìn)行施工作業(yè)。第四，結(jié)合北京地鐵M17 號線工程施工進(jìn)度與相關(guān)工作具體開展要求，鉆桿基巖成孔。運(yùn)用鉆機(jī)把φ73 mm 鉆桿，增強(qiáng)此次工程施工的精準(zhǔn)度，放入注漿管，確保符合相關(guān)工序的具體要求。第五，安裝止?jié){塞，把止?jié){塞埋于PP-R 管之中，按照一定比例制漿注漿，設(shè)計(jì)水灰比漿液，連接注漿管道與注漿流量儀，溶洞灌漿，全孔一次注漿完成。鉆孔平面布置情況如圖2 所示。

圖2 鉆孔平面布置示意圖

當(dāng)一個鉆孔出現(xiàn)多個溶洞，同時上下溶洞豎向間距超過2 m，則按照自下而上的原則灌注溶洞。若上下溶洞間巖石厚度不符合止?jié){塞卡塞厚度的相關(guān)要求，則施工作業(yè)中2 個溶洞一起灌注。結(jié)合具體作業(yè)開展情況，對注漿流量進(jìn)行適當(dāng)控制與管理，尤其針對注漿量較大的孔，在具體施工時聯(lián)合采用間歇待凝、低壓慢流等相關(guān)措施。注漿流量設(shè)置為40 L/min，注漿量在1.5 倍溶洞體積以內(nèi)。對具體注漿效果進(jìn)行檢測，若未達(dá)到終漿標(biāo)準(zhǔn)，繼續(xù)開展下一輪的注漿作業(yè)，直至符合終漿標(biāo)準(zhǔn)。間歇待凝時間控制在3～4 h 之間。

注漿時加強(qiáng)對套管內(nèi)水位情況、回漿管路運(yùn)行情況的監(jiān)測，一旦回漿管路無漿液，或者在施工作業(yè)中出現(xiàn)氣體返回現(xiàn)象，則加快注漿速度，但是整體上保持不超過80 L/min 的速度。注漿時，若發(fā)現(xiàn)套管內(nèi)存在氣泡或液體，在施工作業(yè)時，適當(dāng)增加卡塞壓力，在卡塞壓力超過10 MPa 時，依然可能存在漿液從套管內(nèi)返回的現(xiàn)象，此時停止注漿作業(yè)。在灌漿作業(yè)結(jié)束之后，按照壓力灌漿封孔法的操作要求，水泥濃漿中水灰比設(shè)置為0.5∶1，進(jìn)行封孔。

4 結(jié)束語

北京地鐵M17 號線施工過程中，應(yīng)當(dāng)對工程地質(zhì)情況進(jìn)行具體分析，結(jié)合實(shí)際情況，綜合選用適宜的沙漏型巖注漿技術(shù)，本次工程施工活動取得了良好的綜合效果，地鐵工程順利施工，本次施工成功經(jīng)驗(yàn)對類似地質(zhì)結(jié)構(gòu)巖溶處理提供了一定的范例參考。在具體注漿施工中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合溶洞連通性、填充情況、深度和巖溶水等不同的條件，綜合采取相應(yīng)的施工作業(yè)方式，對相關(guān)施工參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。結(jié)合注漿壓力、鄰孔返漿、注漿量等相關(guān)數(shù)值，進(jìn)一步鞏固注漿效果。