李延貴

(中鐵一院集團(tuán)蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司,甘肅 蘭州 730000)

隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展,地鐵隧道的總里程也在不斷增長(zhǎng)。在隧道施工中往往面臨著較為復(fù)雜的工程地質(zhì)條件,例如在含水量較高的地層中修建地鐵隧道,圍巖經(jīng)地下水長(zhǎng)時(shí)間浸泡導(dǎo)致性質(zhì)改變的情況時(shí)有發(fā)生,極大的降低了施工的安全性[1]。因此有必要對(duì)滲水后隧道圍巖的綜合處理措施技術(shù)展開研究。

有關(guān)圍巖長(zhǎng)時(shí)間浸水引起軟化的處置技術(shù)主要有圍巖凍結(jié)、增加排水井以及地層注漿等措施,但凍結(jié)加固圍巖的方法往往存在凍脹和融沉的問題,過量的凍脹或融沉?xí)?duì)地表建筑、地下結(jié)構(gòu)和管線產(chǎn)生極大的影響[2-3]。增加排水井是通過抽排地下水,使區(qū)域地下水降至基底以下來保證隧道安全施工的措施,該方法的缺點(diǎn)是地下水降深大,可能引起隧道周圍一定范圍的地表沉降[4-5]。地層注漿則是通過向隧道上方一定范圍的土層內(nèi)注入高壓漿液,將土體中的孔隙水排出且通過漿液與地層中的土顆粒發(fā)生物化反應(yīng),從而達(dá)到加固地層的目的。從地表沉降的控制角度來說,注漿加固較為理想。

目前,注漿加固在理論層面主要有滲透注漿、劈裂注漿、壓密注漿以及加固注漿等理論,這些理論主要研究了注漿前后被注入介質(zhì)的滲透性和物理力學(xué)特性的變化[6]。鄒金鋒等[7]在擴(kuò)孔理論的基礎(chǔ)上,研究了劈裂注漿的的擴(kuò)孔半徑;張淼等[8]研究了不同初始地應(yīng)力條件下劈裂注漿壓力以及塑性區(qū)大小的變化;周偉軍[9]采用迂回導(dǎo)坑、注漿和管棚加固等綜合措施針對(duì)白云隧道突水、突泥情況進(jìn)行了處理;錢莊等[10]提出了采用袖閥管地面注漿技術(shù)對(duì)溶洞進(jìn)行預(yù)加固處理;來弘鵬等[11]采用二重管無收縮注漿技術(shù)對(duì)西安地鐵淺埋暗挖區(qū)間黃土隧道進(jìn)行了預(yù)加固;劉俊成[12]采用水平旋噴樁技術(shù)對(duì)地鐵區(qū)間富水砂層進(jìn)行了預(yù)加固處理;陳劍等[13]通過技術(shù)創(chuàng)新改進(jìn)傳統(tǒng)袖閥管雙液注漿技術(shù)有效解決了堵管現(xiàn)象,降低了地層滲透性;許有俊等[14]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)地鐵上穿工程中的既有隧道結(jié)構(gòu)周圍土體合理注漿加固范圍進(jìn)行了研究;張長(zhǎng)生等[15]依托原位注漿試驗(yàn)并結(jié)合場(chǎng)地土層注漿前后的室內(nèi)土樣物理試驗(yàn)與原位試驗(yàn)對(duì)注漿加固處理軟土地基的施工技術(shù)進(jìn)行了研究,以上工程實(shí)例所采用的注漿加固措施均保證了隧道施工的安全性。

從上述文獻(xiàn)中不難看出,地表注漿加固技術(shù)在應(yīng)對(duì)隧道軟弱圍巖施工中有著舉足輕重的作用。所以面對(duì)本工程所出現(xiàn)的圍巖滲水軟化問題,將主要采用地表注漿加固的方式進(jìn)行處理。

1 工程概況

蘭州市地鐵1號(hào)線東崗站后配線區(qū)間(ZGK0+164～ZGK0+043.013)為單洞雙線隧道,原設(shè)計(jì)中洞內(nèi)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行暗挖施工,初期支護(hù)體系采用0.5 m榀格柵鋼架+超前小導(dǎo)管注漿+Φ89大管棚支護(hù)體系。2014年9月在東崗車站東側(cè)后配線方向,當(dāng)基坑開挖至地面以下9 m位置時(shí),基坑側(cè)壁發(fā)生涌水、涌泥。之后車站內(nèi)該位置長(zhǎng)期有滲流水,但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查未找到水源。之后東崗站后配線區(qū)間隧道在2015年7月、8月2次開挖過程中,洞內(nèi)出現(xiàn)了2次較大滲水現(xiàn)象,經(jīng)勘察同樣未找到水源來向。前期地質(zhì)勘探所得的土層分布范圍及特性見表1。

表1 土層分布范圍及特性

該地區(qū)地下水水位高程在1 502.81～1 503.38 m,層厚在12.3～15.0 m之間,最大季節(jié)凍土深度103 cm。

隧道滲水發(fā)生后,為明確現(xiàn)階段土層物理力學(xué)特性,對(duì)該區(qū)間地層進(jìn)行了補(bǔ)充勘測(cè)。此次施工勘察在折返線北側(cè)隧道東西兩端布置完成鉆孔2個(gè),編號(hào)為BZ1、BZ2,深度分別為12.7 m、13.2 m。該鉆孔位置分別與前期東崗車站及折返線勘探點(diǎn)X4S-34、X4Z-276毗鄰,然后將上述相鄰鉆孔土體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比,分別見表2～表4。

表2 各鉆孔含水率及對(duì)比情況

由表2可知,含水率前后對(duì)比普遍增加,垂直深度3～6 m范圍變化較大,增加值4.4%～12.3%,6 m以下變化量較小,差值-1.7%～4.4%,6 m以上地層含水率增加明顯;BZ1鉆孔附近含水率增加了1.5%～12.3%,BZ2鉆孔附近增加了-1.7%～7.4%,BZ1鉆孔附近比BZ2鉆孔附近含水率增高較多。

表3 各鉆孔液性指數(shù)及對(duì)比情況

由表3可見,液性指數(shù)在水平和垂直方向均有大幅增加,BZ1鉆孔增加值在0.26～1.03,BZ2鉆孔增加值在0.11～0.81,對(duì)比可見,土體變軟明顯。

表4 各鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)及對(duì)比情況

由表4可知,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)在孔深范圍內(nèi)均有所減少,減少幅度5～7擊,因此,浸水后土體變軟。

同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)資料,BZ1、BZ2鉆孔濕陷系數(shù)在0.002～0.006之間,屬非濕陷性土層,X4S-34濕陷深度9.0 m,濕陷系數(shù)0.004～0.049,為濕陷性土層,前后對(duì)比可見,土體濕陷性減弱。

從數(shù)據(jù)資料看,含水率、液性指數(shù)增加,濕陷性減小,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)減小,土體變軟,暗挖折返線段垂直方向上,比較明顯的地段主要集中在3～8 m,8 m以下含水率、液性指數(shù)、濕陷性及標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)變化相對(duì)較小,但土體性質(zhì)仍有小幅減弱。

現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充勘探證明:地層土含水率,液性指數(shù)等物理力學(xué)參數(shù)均已發(fā)生改變,后期施工存在著較大的安全隱患。

2 后配線區(qū)間地層加固方案

為確保后配線區(qū)間隧道開挖時(shí)圍巖的穩(wěn)定性,經(jīng)后配線專題專家會(huì)決定采用水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行地表注漿加固,同時(shí)采用增加交通疏解、增加排水井、給水管管箍等輔助措施進(jìn)行綜合治理。

2.1 地表注漿加固方案

(1) 漿液類型 水泥-水玻璃雙液漿。

(2) 注漿范圍及間距 根據(jù)專題專家會(huì),首先對(duì)東崗站后配線區(qū)間試驗(yàn)段(ZGK0+164～ZGK0+144)地層土體采用水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行加固,以驗(yàn)證注漿效果。加固范圍為東崗站后配線區(qū)間隧道中線以北至隧道外輪廓線2 m的區(qū)間左上方土體,注漿深度為自來水管線管底以下0.5 m至隧道開挖輪廓線以內(nèi)1.5 m。注漿孔間距1.5 m×1.5 m,孔徑10 cm,采用梅花型布置,孔深9.87～11.75 m。地表注漿剖面如圖1所示,地表注漿孔平面布置如圖2所示。

圖1 注漿加固范圍剖面圖(單位:mm)

圖2 注漿孔平面布置圖

(3) 注漿壓力 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)注漿壓力應(yīng)控制在1.5～1.8 MPa,單位時(shí)間注漿量應(yīng)控制在15～30 L/min。

(4) 漿液材料 水泥漿水灰比(按質(zhì)量)為1∶1,水玻璃的濃度為15～20 Be,水泥漿與水玻璃設(shè)計(jì)的綜合配比(按體積)為1∶0.5。

(5) 注漿量 由于漿液的擴(kuò)散半徑與圍巖孔隙很難精密確定,只能按以往施工經(jīng)驗(yàn)及工程地質(zhì)、水文條件、注漿壓力進(jìn)行注漿量的計(jì)算及漿液注入量的控制,注漿總量計(jì)算公式為

Q=Anα(1+β),

其中:Q為總注漿量(m3);A為注漿范圍體積(m3);n為孔隙率(%)(按地質(zhì)報(bào)告加權(quán)平均后取43%);α為漿液填充系數(shù)(取0.8);β為注漿材料損耗系數(shù)(取1.1)。經(jīng)計(jì)算得,單孔注漿總量約在0.45 m3。

(6) 注漿鋼管 注漿管采用外徑42 mm,壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管,注漿鋼管構(gòu)造如圖3所示。

圖3 注漿鋼管構(gòu)造(單位:mm)

2.2 現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)

(1) 注漿前準(zhǔn)備 注漿前應(yīng)將所需鉆孔機(jī)械、注漿泵、漿液攪拌桶、無縫鋼管等注漿機(jī)具準(zhǔn)備完畢,然后進(jìn)行施工放樣,施工放樣應(yīng)放出隧道中線和注漿區(qū)邊線的位置,并將注漿區(qū)外邊線撒白灰線做標(biāo)記。最后進(jìn)行注漿孔布設(shè),注漿孔采用梅花形布置,孔間距1.5 m×1.5 m,每個(gè)鉆孔點(diǎn)撒白灰進(jìn)行標(biāo)記。上述工作完成后在注漿孔上布置鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)(孔位偏差不超過±10 cm),鉆機(jī)應(yīng)固定平穩(wěn),在開鉆前需確保鉆桿垂直度(垂直度偏差不大于1%)。

(2) 施工順序 為防止鄰近孔位在注漿過程中發(fā)生漿液串流,注漿孔應(yīng)間隔施工,具體的工藝流程如下:

鉆孔:根據(jù)先前測(cè)量放線確定的鉆孔位置,固定鉆機(jī),鉆孔時(shí)應(yīng)一次鉆至設(shè)計(jì)孔深;

清孔:注漿孔鉆至設(shè)計(jì)孔深后,采用高壓空氣進(jìn)行清孔作業(yè);

下注漿管:將注漿管放入孔內(nèi),應(yīng)保證鋼管外漏20 cm,然后將鋼管與注漿孔之間的縫隙用灌注填料(水泥砂漿)封閉;

待凝:為防止注漿時(shí)漿液溢出,填縫料需養(yǎng)生至足夠的強(qiáng)度;

注漿:將注漿管與鋼管端部的對(duì)絲連接,檢查二者連接牢固后即可開始注漿。

(3) 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn) 注漿壓力穩(wěn)定后,保持注漿壓力3～5 min,方可結(jié)束注漿。如若發(fā)生跑漿,不能達(dá)到預(yù)定的注漿壓力,應(yīng)暫停該孔的注漿作業(yè),待漿液稍微凝固后繼續(xù)開始注漿,完成注漿后需封閉注漿孔。

(4) 注漿效果檢查 第一,要求加固后的土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.5 MPa,滲透系數(shù)不大于1.0×10-6cm/s。第二,注漿完畢后,使用洛陽(yáng)鏟進(jìn)行超前探測(cè),孔深大于2 m,檢測(cè)止水效果,效果良好的情況下,按照設(shè)計(jì)圖紙開挖,架設(shè)臨時(shí)支撐,否則,進(jìn)行補(bǔ)漿。

2.3 其他加固措施

(1) 交通疏解 為減少行車荷載對(duì)暗挖區(qū)間隧道的影響以及為地面注漿加固提供施工場(chǎng)地,將現(xiàn)東崗站南側(cè)疏解道路東段跨越車站后改移至北側(cè)。疏解道路長(zhǎng)91 m,寬8.5 m,具體情況如圖4所示。

圖4 交通疏解圖

(2) 增設(shè)排水井 為降低地層含水量,在區(qū)間北側(cè)設(shè)14個(gè)排水井,以5 m的間距依次排開。排水井深27 m,內(nèi)壁為混凝土實(shí)心管,井底至地下水水位線用礫石填料填充,結(jié)構(gòu)剖面如圖5所示。

(3) 設(shè)置水管管箍 暗挖隧道上方Φ600自來水管為鑄鐵承插式接頭,開挖過程中必會(huì)產(chǎn)生沉降,為了確保施工安全,對(duì)每個(gè)自來水管接頭進(jìn)行重新加抱箍加強(qiáng),每6 m增加一個(gè)供水管箍。供水管管箍加固剖面如圖6所示。

3 注漿效果的評(píng)價(jià)與檢驗(yàn)

注漿效果是指地層中注入漿液的實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)的吻合程度,以及注漿后被加固地層的物理力學(xué)特性(土體密度、滲透系數(shù)、空隙率)的變化情況。注漿工程是一個(gè)非常復(fù)雜的隱蔽工程,實(shí)際工程中經(jīng)常出現(xiàn)未加固的區(qū)域。所以注漿效果的評(píng)價(jià)與檢驗(yàn)是整個(gè)注漿工程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。注漿結(jié)束后,在使用洛陽(yáng)鏟完成超前探測(cè)的基礎(chǔ)上,通過研究注漿過程中注漿壓力、拱頂及地表沉降量隨時(shí)間的變化趨勢(shì),對(duì)注漿加固效果進(jìn)行綜合評(píng)定。

3.1 P-t曲線法

施工過程中應(yīng)當(dāng)每隔一定時(shí)間認(rèn)真記錄注漿時(shí)的壓力值,挑選試驗(yàn)段部分注漿孔的壓力數(shù)值,繪制注漿壓力隨著時(shí)間的變化曲線,如圖7所示。

圖5 排水井結(jié)構(gòu)剖面圖

圖6 供水管管箍加固剖面圖(單位:mm)

由圖7可知,整個(gè)注漿過程中P-t曲線的變化趨勢(shì)大致可分為3種,即滲透-擠密、滲透-劈裂-擠密、滲透-劈裂-擠密-再劈裂-再擠密。圖7(a)中,在注漿前20 min,注漿壓力近乎線性增長(zhǎng),漿液先完成了對(duì)地下水的擠出和自身的入滲過程。隨后注漿壓力開始相對(duì)緩慢的增加,說明漿液在地層孔隙中正進(jìn)行連續(xù)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),被注入的介質(zhì)得到了充分的壓密,最后注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓。

由圖7(b)可知,在注漿的開始階段,壓力數(shù)值仍然呈線性增長(zhǎng),處于對(duì)地下水的擠出和自身的入滲階段。然而當(dāng)注漿壓力達(dá)到某一水平時(shí),均出現(xiàn)一次注漿壓力減小的過程,這說明地層中相對(duì)軟弱土體的既有結(jié)構(gòu)遭到破壞,出現(xiàn)注漿劈裂現(xiàn)象,并在地層中產(chǎn)生了新的漿液流通通道。隨著注漿壓力的進(jìn)一步增大,在新產(chǎn)生的漿液通道中又開始一個(gè)新的被注入介質(zhì)的擠密過程,直至達(dá)到設(shè)計(jì)終壓。

圖7 試驗(yàn)段注漿孔P-t曲線

由圖7(c)可知,與圖7(a)和圖7(b)中注漿開始時(shí)注漿壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)類似,在注漿前20 min,注漿壓力有一個(gè)快速增長(zhǎng)的過程,然后注漿壓力開始出現(xiàn)下降,產(chǎn)生了第1次注漿劈裂現(xiàn)象。之后隨著注入漿液的增加,注漿壓力開始進(jìn)一步增大,第1次注漿劈裂后形成的新的孔隙結(jié)構(gòu)不能抵抗注漿壓力再次發(fā)生破壞,地層相對(duì)軟弱的土體被再次壓縮,軟弱土層結(jié)構(gòu)得到再次壓密。

通過對(duì)P-t曲線變化趨勢(shì)的分析得出,地層結(jié)構(gòu)中存在部分較為堅(jiān)硬的孔隙結(jié)構(gòu),注漿過程中很難將其破壞,漿液只能在既有的孔隙通道中擠壓、填充。同時(shí)對(duì)于地層中所存在的軟弱部分,注漿漿液完成了1次甚至2次劈裂注漿加固,該過程完全破壞了軟弱地層中既有的孔隙結(jié)構(gòu),使得漿液與地層土體得到了充分的混合。

3.2 掌子面揭露圍巖分析

在分析P-t曲線初步判斷圍巖加固效果良好的基礎(chǔ)上,重新開始試驗(yàn)段隧道開挖。開挖后掌子面的土體情況如圖8所示,在圖8中可以看到圍巖中的軟弱夾層和孔隙被漿液填充并形成了清晰可見的漿脈,掌子面濕潤(rùn)無流動(dòng)水,地下水得到了有效封堵,漿液存留在了目標(biāo)加固區(qū)。

圖8 掌子面開挖后的漿脈表觀

3.3 地表及拱頂沉降

對(duì)地層進(jìn)行注漿加固,一方面是為了確保區(qū)間隧道開挖及運(yùn)營(yíng)的安全,另一方面是為了減少開挖引起過大的地表沉降。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)注漿加固效果,在隧道拱頂和地表布置了沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),目的是對(duì)開挖過程中各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(1) 拱頂位移 試驗(yàn)段區(qū)間隧道開挖過程中的拱頂豎向位移隨開挖時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖9所示。試段長(zhǎng)20 m,并且每隔4 m在拱頂布置一個(gè)沉降標(biāo)點(diǎn)。

由圖9可知,隧道開挖初期,拱頂位移下沉速率較快,最快達(dá)到2 mm/d,隨著時(shí)間的推移,各個(gè)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量很快達(dá)到最大值,拱頂各個(gè)測(cè)點(diǎn)總沉降量在8～11 mm之間,滿足隧道安全施工的要求。

(2) 地表及管線沉降 試驗(yàn)段地表及管線沉降測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示,圖10中GS01-1～GS05-1為設(shè)置在供水管線上方的沉降標(biāo)點(diǎn);DB01-1～DB05-1為隧道中線上的沉降標(biāo)點(diǎn);DB01-2～DB05-2為未加固地層區(qū)域的沉降標(biāo)點(diǎn)?？紤]到管線對(duì)于沉降的要求較高以及地表沉降量最大值一般處于隧道中線上方,因此將供水管線和區(qū)間隧道中線上方的沉降值作為研究重點(diǎn)。

圖9 拱頂沉降

圖10 試驗(yàn)段地表及管線沉降測(cè)點(diǎn)布置

DB0X-1和GS0X-1的沉降值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)分別如圖11和圖12所示。由圖11、圖12可知,在注漿階段試驗(yàn)段地表產(chǎn)生了輕微的隆起現(xiàn)象,在隧道中線上方最大隆起量約3 mm;在管線上方最大隆起量約2.5 mm,地表隆起量很小。在隧道開挖階段,地表隆起量消失,開挖前期地表累計(jì)沉降量增長(zhǎng)迅速,在第30天后總沉降量開始趨于穩(wěn)定,最大值不超過6 mm,小于管線變形控制標(biāo)準(zhǔn)(有壓管線最大允許沉降值不超過10 mm)。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 一般來說對(duì)隧道軟弱圍巖進(jìn)行注漿加固,多數(shù)工程采取隧道全斷面注漿加固的方法,但在此工程中,將管線和隧道中線上方的地表沉降作為控制重點(diǎn),僅對(duì)隧道中線以北的地層土體進(jìn)行了注漿加固。研究中試驗(yàn)段及剩余隧道的開挖實(shí)踐證明,該方法同樣滿足隧道施工的安全性要求且節(jié)約了建設(shè)成本。

圖11 地表測(cè)點(diǎn)(DB0X-1)累計(jì)沉降量隨時(shí)間變化曲線

圖12 管線測(cè)點(diǎn)(GS0X-1)累計(jì)沉降量隨時(shí)間變化曲線

(2) 通過研究注漿壓力隨時(shí)間的變化曲線(P-t曲線)實(shí)現(xiàn)了對(duì)注漿效果的定性預(yù)判。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)例工程通過采用地表注漿加固、增加排水井、增加交通疏解以及加強(qiáng)給水管管箍等一系列措施,對(duì)地下水入滲引起的圍巖軟化進(jìn)行了綜合治理。并通過研究P-t曲線、地表及拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及掌子面圍巖等,證明了該注漿加固方案的可行性和有效性。在試驗(yàn)段及剩余隧道的開挖過程中取得了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果,工程中所采取的技術(shù)措施可為類似工程提供一定的參考。