道路淺埋暗挖隧道工程中軟土預(yù)加固注漿工藝

摘 要：某城市地鐵隧道需要下穿市政道路，為避免對(duì)交通造成干擾，因此選擇淺埋暗挖施工方法，其上部圍巖地質(zhì)條件較差，主要為人工填土、沖擊-洪積砂層、沖擊-洪積土層，屬于軟弱土層，預(yù)加固方案為長管棚+超前小導(dǎo)管注漿，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)漿液與砂層的固結(jié)效果不佳，并且伴有砂層流失、掌子面局部坍塌等問題。因此采用雙重管后退式注漿技術(shù)代替原注漿方法，同時(shí)采取預(yù)排地下水、改進(jìn)開挖順序、使用水泥-水玻璃混合漿液等措施。經(jīng)變形、滲漏監(jiān)測(cè)，改進(jìn)后的施工方案取得了良好的預(yù)加固效果。

關(guān)鍵詞：淺埋暗挖；隧道施工；軟土地基；注漿工藝

中圖分類號(hào)：U 455" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

淺埋暗挖隧道工程的上覆土層厚度較小，當(dāng)其下穿市政道路時(shí)，在車輛載荷的作用下，上覆層容易出現(xiàn)下沉變形，因此需要對(duì)隧道拱頂進(jìn)行預(yù)加固，以形成良好的承載力，如果作業(yè)區(qū)域存在軟弱圍巖，那么其重要性將進(jìn)一步提升。隨著注漿深度增加，常規(guī)的技術(shù)方案會(huì)出現(xiàn)壓力下降情況，制約了漿液的擴(kuò)散范圍。雙重管后退式注漿方法可維持壓力不變，能夠保證注漿質(zhì)量，成為強(qiáng)化預(yù)加固效果的有效措施。

1 淺埋暗挖隧道工程概況

目前城市一體化發(fā)展進(jìn)程不斷加快，各地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度不斷加大，市政道路是城市交通基礎(chǔ)設(shè)施中必不可少的內(nèi)容，在城市地上空間日漸緊張的背景下，市政道路隧道工程得到越來越廣泛地應(yīng)用和推廣。在市政道路下隧道施工中，常常采用淺埋暗挖的施工方式，這種施工方式的施工流程較為便捷，對(duì)施工技術(shù)要求相對(duì)偏低，但是受到各地區(qū)地質(zhì)條件的影響，很容易出現(xiàn)基礎(chǔ)軟弱、承載力不足的情況。為了提高市政道路下隧道工程施工技術(shù)水平，保障施工安全，提高隧道工程基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和承載力，需要相關(guān)工作者合理選用軟基處理方法，充分加固地基基礎(chǔ)。軟土預(yù)加固注漿施工工藝是當(dāng)前常見的一種施工方法，其可以發(fā)揮良好的基礎(chǔ)加固效果，有助于提高道路下隧道工程施工的可靠性，保證基礎(chǔ)穩(wěn)定。某城市地鐵采用該方法進(jìn)行處理后，施工效果良好，本文對(duì)工程中的軟土預(yù)加固注漿施工技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行研究。

1.1 整體施工方案

某城市地鐵工程S-17標(biāo)段全長為41.90m，寬度為7.5m～7.7m，隧道最大高度為6.8m，隧道上覆層為軟弱土層，拱頂?shù)淖钚÷裆顑H為5.1m。在工程實(shí)踐中，將埋深小于10m的挖掘方法稱為淺埋，為保持市政交通正常運(yùn)行，本項(xiàng)目采用暗挖作業(yè)，因此整體屬于淺埋暗挖隧道。暗挖法分為多種技術(shù)路徑，例如盾構(gòu)法、礦山法等，本項(xiàng)目采用中隔壁法（Center Diaphragm，CD）將暗挖斷面按照左上、右上、左下、右下劃分為4個(gè)部分，在隧道中設(shè)置水平方向和豎直方向的臨時(shí)支撐[1]。

1.2 周邊環(huán)境

該隧道需要下穿市政道路，并且緊鄰其他路橋工程的橋墩，作業(yè)區(qū)周邊還存在300mm燃?xì)夤芫€、高壓電纜以及自來水管，情況較為復(fù)雜。上方市政道路為城市交通要道，車流量和人流量較大，因此不宜采用明挖法[2]。

2 原施工方案及作業(yè)難點(diǎn)分析

2.1 隧道原支護(hù)方案分析

2.1.1 地質(zhì)調(diào)查結(jié)果

按照從上到下的順序，本項(xiàng)目地質(zhì)調(diào)查結(jié)果見表1。從地層特點(diǎn)來看，沖擊-洪積砂層、沖擊-洪積土層容易形成軟土地層，在隧道開挖過程中，有可能引發(fā)地面下陷、隧道坍塌。

2.1.2 超前支護(hù)

為防止地面下陷和隧道坍塌，在開挖前制定了超前支護(hù)的技術(shù)方案，核心的技術(shù)措施為長管棚+超前小導(dǎo)管注漿。

長管棚施工：長管棚是在隧道洞室外輪廓間隔鉆孔（也可將鋼管跳孔打入），插入慣性矩較大的鋼管，再通過注漿技術(shù)向孔內(nèi)注入預(yù)制的漿液。由于隧道頂部呈拱形，因此在注漿管棚的作用下，可形成良好的承載力。本項(xiàng)目長管棚的支護(hù)長度為42m，采用直徑為108mm、壁厚為6mm的鋼管，分布在隧道拱頂150°范圍內(nèi)，將環(huán)向間距設(shè)置為0.35m。

長管棚注漿采用水灰比為1∶1的水泥漿液，鋼管內(nèi)部和外部的環(huán)向空間內(nèi)均要注漿，可根據(jù)內(nèi)外空間的大小計(jì)算注漿量，作業(yè)時(shí)將泵壓控制在0.4MPa～0.8MPa[3]。

超前小導(dǎo)管施工：超前小導(dǎo)管主要用于支護(hù)掌子面，支護(hù)長度通常在3m～6m。施工方法為鉆孔，將鋼花管安裝在孔內(nèi)，密封孔口后采用壓力注漿設(shè)備向孔內(nèi)注入具有固結(jié)作用的漿液，以加固掌子面[1]。該方法適用于隧道拱部存在軟弱圍巖的情況，符合項(xiàng)目地質(zhì)特點(diǎn)。小導(dǎo)管采用直徑為42mm的無縫鍍鋅鋼管，壁厚為4mm，在管壁上鉆孔，孔徑為8mm，環(huán)向間距為300mm。

將超前小導(dǎo)管的長度記為L，該參數(shù)的取值與圍巖坍落角、圍巖坍落高度相關(guān)。超前小導(dǎo)管長度的計(jì)算過程如公式（1）所示。

L= 1.5+H×cotφ" （1）

式中：L為超前小導(dǎo)管的長度；H為圍巖坍塌高度。

H為3.47m，φ為60°，將參數(shù)代入公式中，得到L=3.5m。

將小導(dǎo)管的外插角記為α，該參數(shù)的計(jì)算方法與小導(dǎo)管長度和注漿半徑相關(guān)，計(jì)算過程如公式（2）所示。

α=arcsin（r/L）" （2）

式中：r為注漿半徑。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，r為0.5m，因此α=arcsin（0.5/3.5）≈8°13\"，施工時(shí)取8°。

將超前小導(dǎo)管的單孔注漿量記為Q，該參數(shù)的取值與注漿系數(shù)、注漿長度等多個(gè)參數(shù)相關(guān)，計(jì)算過程如公式（3）所示。

Q=π·R2·L·e·（1+n）" （3）

式中：Q為單孔的注漿量；R為漿液的擴(kuò)散半徑，值為0.25m～0.35m；e為注漿系數(shù)，可根據(jù)圍巖的孔隙比來確定取值，本項(xiàng)目取值為0.75；L為注漿長度，與小導(dǎo)管的設(shè)計(jì)長度相同，值為3.5m；利用小導(dǎo)管注漿時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏漿，造成漿液損失，將漏漿系數(shù)記為n，取值為0.6。將總注漿量記為Qtotal，該設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：Qi為第i個(gè)注漿孔的注漿量；K為注漿孔的總數(shù)量[3]?？梢园凑展剑?）估算注漿總量。

Q估=πθ[（R1+t）2-（R1-1）2]ηL/360 （5）

式中：Q估為估算出的總注漿量；θ為拱部小導(dǎo)管布設(shè)范圍相對(duì)于圓心的角度；R1為小導(dǎo)管布設(shè)的圓弧半徑；t為漿液的擴(kuò)散半徑，為0.5m～1.0m；η為巖體孔隙率，其取值見表2。

2.1.3 初期支護(hù)和二次支護(hù)

該隧道工程初期支護(hù)采取多種技術(shù)措施，包括初噴與掛網(wǎng)、架設(shè)鋼格柵支架、架設(shè)臨時(shí)支撐、補(bǔ)噴早強(qiáng)混凝土等，部分初期支護(hù)的技術(shù)要點(diǎn)如下[4]。

初噴與掛網(wǎng)：初噴混凝土可達(dá)到封閉圍巖的目的，沿著全斷面范圍掛設(shè)兩層鋼筋網(wǎng)片，環(huán)向鋼筋和縱向鋼筋的直徑均為8mm，在鋼筋網(wǎng)片掛設(shè)完成后，將長0.5m的?22mm鋼筋打入圍巖，用來固定鋼筋網(wǎng)片。

架設(shè)臨時(shí)支撐：該隧道采用中隔壁開挖方式，其臨時(shí)支撐包括仰拱和直立式中隔壁墻，主要施工材料為I22b工字鋼。中隔墻應(yīng)設(shè)置拱腳，并且將拱腳放置在穩(wěn)定可靠的地基上，盡可能縮小臨時(shí)支撐與初噴結(jié)構(gòu)的間距，如果二者之間的空隙較大，就應(yīng)設(shè)置墊塊，將拱腳的埋設(shè)深度控制在150～200mm。在安裝過程中，臨時(shí)支撐有明確的順序要求，按照隧道右上、左上、左下、右下的開挖順數(shù)，臨時(shí)支撐的安裝順序?yàn)橹懈魤ι习攵巍⒀龉坝野攵?、仰拱左半段、中隔墻下半段?/p>

二次支護(hù)：在完成初期支護(hù)后，通過隧道的二次襯砌鞏固支護(hù)效果，施工采用模筑混凝土工藝，二次襯砌的厚度為500mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

2.2 原方案預(yù)加固施工遇到的難點(diǎn)

長管棚和超前小導(dǎo)管注漿均屬于軟弱圍巖預(yù)加固措施，但是本項(xiàng)目在具體實(shí)施過程中遇到了以下難點(diǎn)。

本項(xiàng)目地下水埋深較淺，水位在-1.8m～-5.6m，當(dāng)雨季施工時(shí)，水位上漲明顯，部分砂層富含地下水，導(dǎo)致注漿時(shí)不能有效固結(jié)砂層。

在挖掘掌子面的過程中，出現(xiàn)了砂層流失的現(xiàn)象，尤其在掌子面的右上和右下拱腳，嚴(yán)重的砂層下滑現(xiàn)象增加了掌子面塌方的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

本項(xiàng)目的中砂層內(nèi)存在一層粉細(xì)砂層，其主要成分為石英，呈現(xiàn)為較細(xì)密的粉粒狀，其在干燥條件下能夠保持自穩(wěn)，遇水后軟化，存在崩解風(fēng)險(xiǎn)。

在施工過程中，受到地下水和降雨的影響，以上3種不利情況反復(fù)出現(xiàn)，極大地制約了原方案中預(yù)加固措施的效果，因此要對(duì)原方案進(jìn)行改進(jìn)。

3 預(yù)加固注漿工藝改進(jìn)措施及效果分析

3.1 預(yù)加固注漿工藝的改進(jìn)措施

3.1.1 整體改進(jìn)方案

針對(duì)長管棚和超前小導(dǎo)管預(yù)加固施工存在的問題，制定綜合性的改進(jìn)措施，主要包括預(yù)排地下水、雙重管后退式預(yù)注漿、小斷面開挖以及“大環(huán)套小環(huán)”等。新的施工方案改進(jìn)了注漿加固方法、斷面開挖方式以及干擾因素的控制方法，改進(jìn)方案的技術(shù)要點(diǎn)如下。

3.1.2 預(yù)排地下水

針對(duì)地下水，在隧道作業(yè)區(qū)域外圍利用鋼管井進(jìn)行降水，防止隧道開挖時(shí)地下水通過拱頂、側(cè)壁以及底板向作業(yè)面滲流。鋼管降水井的施工流程為地質(zhì)勘察→確定鉆井位置→確定鉆井深度→井位放樣→安裝護(hù)筒→鉆孔→清水置換泥漿→沉渣厚度檢查→下放鋼管→整體質(zhì)量檢查[3]。在施工過程中需要從多方面進(jìn)行質(zhì)量控制，表3為鋼管井施工的主要質(zhì)量檢查內(nèi)容及指標(biāo)。由于鋼管井的埋深超過隧道基底，因此可大量收集地下水，以便進(jìn)行抽水和降水。項(xiàng)目鋼管井的直徑為273mm，壁厚為4mm，經(jīng)過處理后的降水效果明顯[5]。

3.1.3 軟土預(yù)加固注漿改進(jìn)措施

原注漿方案效果較差，除了砂層含水、砂層流失等地質(zhì)因素外，注漿工藝本身也存在一定的問題。以超前小導(dǎo)管注漿為例，漿液初入導(dǎo)管時(shí)流速和壓力較大，隨著注漿深度增加，漿液的壓力不斷下降，擴(kuò)散效果也受到影響，導(dǎo)致其不能滲入更大的范圍。針對(duì)現(xiàn)有問題，將注漿加固工藝改為雙重管后退式注漿，該施工方法的原理如下。

注漿方式改進(jìn)：雙重管后退式注漿系統(tǒng)由水泥漿儲(chǔ)漿桶、水玻璃儲(chǔ)漿桶、雙液注漿泵、注漿管、鉆機(jī)、鉆桿（注漿桿）等構(gòu)成，其注漿管分為A、B兩條，A管注入水泥漿液，B管注入水玻璃漿液。與小導(dǎo)管注漿法不同，該作業(yè)方法無須提前布設(shè)鋼花管，而是利用鉆桿成孔至預(yù)定深度，其鉆桿本身也是注漿管，從成孔的最深處開始向四周注漿，以倒退（每次后退0.4m）的方式逐層向外側(cè)注漿。該施工工藝的優(yōu)點(diǎn)是每處注漿均能維持穩(wěn)定的壓力，保證漿液在砂層內(nèi)的滲透深度。鉆機(jī)的鉆桿可旋轉(zhuǎn)360°，因此可保證注漿過程的均勻性。整體的施工流程為鉆孔→設(shè)置注漿管→橫向360°噴射注漿→縱向回抽注漿→注漿完成[4]。

注漿材料改進(jìn)：在原注漿方案中采用水泥漿液，而改進(jìn)的注漿施工采用水泥—水玻璃漿液。水泥漿液的配比如公式（6）所示。

V配=G水/r水+G灰/r灰 （6）

式中：V配為混合后漿液的體積；G水、G灰分別為水和水泥的質(zhì)量；r水和r灰分別為水、水泥的密度[5]。利用特定濃度的水玻璃溶液和水配置水玻璃漿液，水玻璃溶液的濃度通常為30%～45%，使用時(shí)需要進(jìn)行稀釋處理，加水量的計(jì)算過程如公式（7）所示。

V水=V原×（r原-r配）/（r配-1） （7）

式中：V水為需要加入的水量；V原、r原分別為原水玻璃溶液的體積和密度；r配為稀釋后水玻璃溶液的密度[6]。

雙液注漿配比及注漿順序：注漿參數(shù)包括外圍護(hù)壁和掌子面兩個(gè)重點(diǎn)施工部位，表4統(tǒng)計(jì)了相關(guān)的注漿參數(shù)，外圍護(hù)壁和掌子面的漿液配比存在差異，將注漿壓力控制在0.2MPa～0.5MPa。

在外圍護(hù)壁注漿施工中，用弧形方式將注漿孔布置在初支外圍護(hù)壁上，注漿孔的間距為0.8m，根據(jù)注漿部位的特點(diǎn)，將注漿管的長度限制在6～10m，其外插角為5°～10°。

在掌子面的注漿施工中，注漿孔沿著掌子面呈“梅花”形布置，排距和孔位間距均為0.8m，注漿順序采取從上到下、跳一排孔、隔一個(gè)孔的設(shè)計(jì)方案，先完成奇數(shù)系列孔位注漿，再完成偶數(shù)系列孔位注漿，同時(shí)將后者作為檢查孔。初始階段的注漿壓力為0.2MPa，當(dāng)注漿壓力超過0.5MPa時(shí)，說明注漿已達(dá)到飽和狀態(tài)。

3.1.4 改進(jìn)開挖方式

當(dāng)改進(jìn)注漿加固方案時(shí)，還要同步優(yōu)化開挖方式。在原施工方案的作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，水受到重力的作用，不斷向地勢(shì)更低的空間聚集，并且先開挖的部分通常先進(jìn)水，未開挖的地方很少進(jìn)水。在長管棚的作用下，隧道拱頂形成了較為密實(shí)的結(jié)構(gòu)，達(dá)到了良好的防水效果，地下水難以通過拱頂流入開挖斷面。當(dāng)采用CD法開挖時(shí)，以臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)在斷面內(nèi)形成了4個(gè)小斷面，分別為左上、左下、右上、右下，原方案按照右上、右下、左上、左下的順序?qū)π嗝孢M(jìn)行開挖，右下方容易出現(xiàn)滲水、流砂現(xiàn)象。改進(jìn)后的開挖順序?yàn)橛疑?、左上、左下、右下，在右上?dǎo)洞開挖后，地下水會(huì)優(yōu)先集中在右上導(dǎo)洞底部，再開挖左上導(dǎo)洞，此時(shí)地下水會(huì)集中在暗挖隧道已開挖空間的中間部位，隨著左下導(dǎo)洞的開挖，地下水受到重力的作用，進(jìn)一步流入左下導(dǎo)洞，并且靠近右下導(dǎo)洞的左側(cè)區(qū)域，將滲水從右下導(dǎo)洞的左側(cè)引出[6]。改進(jìn)后的開挖順序能夠有效控制地下水的流向，使其隨著隧道掘進(jìn)廢土同步排出，不會(huì)干擾圍巖，避免滲水破壞拱墻外護(hù)壁。

3.2 加固效果分析

3.2.1 變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

在隧道開挖前，在上方市政道路沿線布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，掌握測(cè)點(diǎn)的初始標(biāo)高。在隧道開挖完成后，在拱頂設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量初始標(biāo)高，30天后再次測(cè)量各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高。結(jié)果顯示，市政道路監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的最大沉降量為9.4mm，隧道拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大下沉量為14.1mm。隧道各處最大變形量為15.4mm，變形量在可接受的安全范圍內(nèi)，證明改進(jìn)后的加固方案可以滿足施工需要。

3.2.2 隧道滲漏監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，在改進(jìn)注漿工藝后，各導(dǎo)洞的滲流量均大幅下降，有效遏制了砂層流失，少量的滲流中不再出現(xiàn)明顯的細(xì)砂，掌子面沒有出現(xiàn)塌方的情況。證明改進(jìn)后的注漿加固技術(shù)能夠有效預(yù)防地下水的滲漏問題。

4 結(jié)語

該淺埋暗挖隧道工程下穿市政道路，并且上覆層為軟弱圍巖，主要地質(zhì)層為富水砂層，因此常規(guī)的長管棚+超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固技術(shù)難以適應(yīng)其地質(zhì)特點(diǎn)，會(huì)出現(xiàn)注漿固結(jié)效果差、地下水滲漏、砂層下滑、掌子面局部坍塌等問題。針對(duì)注漿壓力下降的情況，本文將軟土預(yù)加工注漿工藝改為雙重管后退式注漿技術(shù)，有效地解決了原施工方案存在的各種缺陷，達(dá)到了預(yù)期的加固效果。

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