北京地鐵某豎井富水砂卵石地層注漿止水施工技術(shù)

陳浩

（北京軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068）

1 引言

地下水對軌道交通工程的施工影響很大，在前階段依據(jù)北京水文和工程地質(zhì)情況，大多采用降水方案從而實現(xiàn)無水作業(yè)環(huán)境。而隨著北京市對地下水的保護(hù)和相關(guān)政策的提出，軌道交通工程建設(shè)中采用止水方案作為控制地下水的措施勢在必行，因此，針對北京不同地層及工程需求采取相應(yīng)的止水措施具有實際的工程意義[1]。

城市軌道交通止水方案的選取一般有帷幕止水和冷凍法止水。冷凍法施工適用于滲透性較好及降水工況，同時施工造價較高，凍融時沉降無法預(yù)估；而對于帷幕止水，多采用旋噴樁、咬合樁、地下連續(xù)墻等方式，但均需在開挖施工前完成帷幕施工；針對降水井部分區(qū)域無法施工的工況，采用樁間及基坑底部通過注漿形成止水帷幕的止水方案[2]。

針對軌道交通結(jié)構(gòu)入水深、土層滲系數(shù)大、粒徑大的砂卵石止水方案未曾有較多文獻(xiàn)提及，而隨著隧道開挖深度的加大，及北京市地下水位的上升，該問題成為北京地鐵施工急需解決的問題。以北京地鐵16 號線19 標(biāo)段2#豎井止水為例，對入水深、高滲透性、涌水量大、無隔水層的砂卵石地層進(jìn)行注漿止水分析及研究，闡述了注漿止水方案在該地層的可行性，并在注漿止水帷幕設(shè)計、施工工藝、注漿材料方面進(jìn)行了研究，通過對現(xiàn)場止水效果的觀察，滿足了現(xiàn)場開挖需求，為該土層的止水方案的選取提供了工程案例支撐[3]。

2 工程概況

2.1 工程簡介

北京地鐵16 號線工程土建施工19 合同段2 號風(fēng)道2 期采用倒掛井壁法施工，風(fēng)井結(jié)構(gòu)尺寸為（9.3～10.3）m×5.05 m，高度約34.2 m；風(fēng)井由鋼格柵+噴射混凝土的初期支護(hù)和模筑鋼筋混凝土的二次襯砌構(gòu)成。地下水位高于結(jié)構(gòu)底板。由于該結(jié)構(gòu)為后期增加，現(xiàn)場無施作降水井條件，故地下水處理采用止水方案，采用倒掛井壁法施工（見圖1）。

圖1 2#豎井平面布置圖

2.2 地質(zhì)及水文情況

本站地面高程變化較大，范圍約為42.81～4.74 m，根據(jù)巖土工程勘察報告，工程范圍內(nèi)地下水為潛水（二），含水層主要為卵石⑦層及礫巖13○層，水位標(biāo)高為20.41～21.69 m，水位埋深為22.40～24.05 m，該層水滲透性好，主要接受側(cè)向徑流和越流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流補(bǔ)給的方式排泄。含水層底板為基巖，基巖面呈北高南低趨勢，地下水隨基巖面起伏。卵石⑦最大粒徑不小于300 mm，一般粒徑為20～140 mm，粒徑大于20 mm 的顆粒占總質(zhì)量的70%，亞圓形，中粗砂填充[4]。

2.3 注漿施工前現(xiàn)場工況

豎井開挖至標(biāo)高21.5 m 位置，位于砂卵石地層，砂卵石與下層泥巖地層界面標(biāo)高為19.9 m，根據(jù)豎井開挖實測水位標(biāo)高約25.5 m 位置，此時豎井側(cè)壁及底部出現(xiàn)大量涌水，出水量約80 m3/h，豎井內(nèi)水深約1.0 m，如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場土層及水位情況

3 富水卵石層注漿止水方案

3.1 豎井臨時封底及初支加固方案

為滿足深孔注漿條件，減小施工風(fēng)險，需采用10 根I22a@1 000 mm 工字鋼進(jìn)行臨時豎井封底，本次封底噴射混凝土+工字鋼+網(wǎng)片的形式，工字鋼與兩側(cè)豎井格柵采用4φ25 mm “L”形筋進(jìn)行連接或錨入豎井格柵內(nèi)，C20 混凝土噴射厚度300 mm，網(wǎng)片為φ6.5 mm@150 mm×150 mm，連接筋為φ22 mm，間距500 mm 內(nèi)外層布置。

距離臨時封底1.8 m 位置設(shè)置雙拼I22a 工字鋼圈梁，沿豎井長邊設(shè)置I22a 對撐，間距2 000 mm。圈梁下設(shè)置L75 mm×75 mm 角鋼三角撐，間距1 000 mm，采用YG2 型脹管螺栓（M18，長度L=150 mm）固定，另外在短邊井壁中部設(shè)置1 根豎向I22a 工字鋼立柱，長邊井壁設(shè)置2 根豎向I22a 工字鋼立柱，間距1 500 mm。如圖3 和圖4 所示。

圖4 豎井初支加固剖面圖及三角托架加工示意圖（單位：mm）

3.2 基于不同注漿材料的止水方案設(shè)計

3.2.1 試驗?zāi)康?/p>

1）對不同注漿材料、注漿深度，觀察注漿參數(shù)的變化，同時觀測注漿效果及對周邊環(huán)境的影響，確定不同材料的實際施工參數(shù)。

2）分別對不同注漿材料在富水卵石層中的可注性及加固、止水效果進(jìn)行分析，為類似工況下合理選擇注漿材料提供支撐。

3.2.2 試驗區(qū)域及注漿材料確定

結(jié)合現(xiàn)有應(yīng)用場景，選用3 種注漿材料進(jìn)行富水砂卵石地層中的加固、止水效果試驗：常規(guī)改性水玻璃+水泥水玻璃雙液漿漿液組合、快硬硫鋁酸鹽灌漿料、普通硅酸鹽水泥+水下不分散注漿料，如圖5 和表1 所示。

表1 注漿材料試驗表

圖5 注漿試驗分區(qū)平面示意圖

3.3 施工中遇到的問題及處理措施

為了應(yīng)對注漿時出現(xiàn)的施工狀況，提前對可能出現(xiàn)的管路堵塞、跑（串）漿等問題的原因及處理措施進(jìn)行整理，施工時出現(xiàn)突發(fā)狀況及時進(jìn)行排查及解決，如表2 所示。

表2 注漿管路堵塞原因分析及處理措施

4 施工過程及開挖驗證情況

4.1 施工過程情況觀察

3 種材料組合在注漿過程中，組合三由于材料本身黏度大，在注入土體中壓力提升最快，組合二最慢，其凝膠時間最長。

通過改性水玻璃、水泥水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿后，臨近一期豎井泄水孔水流逐漸減小至無水，且無漏漿現(xiàn)象，注漿孔周邊豎井壁滲漏水有減小趨勢，但注漿孔上部之前不明顯漏水的地方有水流增大趨勢。說明漿液注入后，首先沿著孔隙較大的區(qū)域擴(kuò)散，也就是封堵既有土層水流通道，減小孔隙率，形成有效堵水，而后漿液會沿著鉆桿向襯砌背后填充，垂直方向填充豎井壁背后空隙將豎井背后流水向上擠壓，水平方向填充封底格柵背后空隙向四周蔓延，產(chǎn)生初襯由陰濕不明顯到局部漏水的情況。

4.2 開挖效果驗證

豎井封底破除完成至第一榀開挖過程中，豎井壁少量滲水，由于注漿擠密豎井底卵石層，挖機(jī)開挖困難，需要換炮錘，開挖過程中出現(xiàn)少量卵石雙液漿結(jié)合體。北側(cè)漿脈以化學(xué)漿液為主，與卵石結(jié)合體強(qiáng)度低，基本無黏結(jié)；西側(cè)、南側(cè)漿脈以雙液漿為主，與卵石結(jié)合強(qiáng)度高，黏結(jié)性大。第三榀開挖過程中，北側(cè)偏東漿脈以化學(xué)漿液為主，與卵石結(jié)合體強(qiáng)度低，基本無黏結(jié)，北側(cè)偏西漿脈以雙液漿為主，與卵石結(jié)合體強(qiáng)度高，黏結(jié)性強(qiáng)；西側(cè)漿脈偏少。南側(cè)基本無漿脈。自第四榀開挖，漿脈明顯由均勻的填充過渡至片狀漿脈，呈劈裂樁，水玻璃漿脈與雙液漿漿脈相互交錯，整體漿脈減少。至第七榀開挖完成，北側(cè)和西側(cè)有少量漿脈成片狀，南側(cè)無漿脈。如圖6所示。

圖6 不同深度漿液形態(tài)變化情況

5 結(jié)論與討論

1）改性水玻璃凝結(jié)時間快（現(xiàn)場調(diào)試凝膠時間3 s），短時間內(nèi)堵水效果好，但是與卵石形成的結(jié)合體不具備強(qiáng)度及黏結(jié)性，可作為鉆孔到一定深度后的封孔措施。

2）水泥水玻璃雙液漿相比于改性水玻璃凝結(jié)時間慢，與卵石形成的結(jié)合體強(qiáng)度較大、黏結(jié)性強(qiáng)，水玻璃先行封孔后進(jìn)行雙液漿加固。

3）普通硅酸鹽水泥漿結(jié)合抗分散添加劑，摻入能增大水泥漿的流動性，但是由于漿液過于黏稠，擴(kuò)散范圍小，無明顯的堵水效果，未試驗出抗沖散能力，可能是因為試驗孔都是在有水流量較大位置布置，需要后續(xù)進(jìn)一步試驗。而快硬硫鋁酸鹽水泥漿液，通過試驗未顯示出有明顯的優(yōu)勢。

通過常規(guī)后退式注漿方式，以實際最大壓力不超3 MPa的情況下，單孔超過設(shè)計注漿量，且漿液能夠較好地在地層中填充、滲透，通過效果跟蹤，改性水玻璃與雙液漿與砂卵石地層相互交錯，形成一個“砂卵石為骨架、改性水玻璃填充、水泥水玻璃雙液漿加固”的一個復(fù)合體系，根據(jù)效果跟蹤，這種體系能夠滿足現(xiàn)場土方開挖及支護(hù)在時間、空間上的需求，達(dá)到比較理想的止水效果。