聯(lián)絡(luò)通道坍塌后地層加固方案探討

魏玉省

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

0 引言

盾構(gòu)法隧道施工安全、經(jīng)濟(jì)、快速，已在城市地鐵工程中得到了廣泛應(yīng)用，作為盾構(gòu)法隧道重要的附屬工程聯(lián)絡(luò)通道的施工也越來越引起人們的關(guān)注。由于地鐵線路所面臨的環(huán)境和地質(zhì)條件等因素的影響，施工難度、施工風(fēng)險(xiǎn)也越來越大，在聯(lián)絡(luò)通道施工過程中塌方時(shí)有發(fā)生。目前在有關(guān)聯(lián)絡(luò)通道塌方處理的文獻(xiàn)中:文獻(xiàn)［1］闡述了在重復(fù)擾動(dòng)的富含水地層進(jìn)行加固處理的成功經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)地介紹了采用無收縮雙液二重管注漿技術(shù)在重復(fù)擾動(dòng)下富含水地層中的注漿加固方法;文獻(xiàn)［2］對(duì)坍塌事故原因、施工風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［3］闡述了塌方事件發(fā)生后的處理方法，如何及時(shí)、有效地降低損失、減小影響;文獻(xiàn)［4］闡述了聯(lián)絡(luò)通道開挖過程中使用注漿技術(shù)達(dá)到超前支護(hù)的目的，克服了聯(lián)絡(luò)通道施工中的安全、質(zhì)量、技術(shù)難題;文獻(xiàn)［5］闡述了按照“盾構(gòu)區(qū)間強(qiáng)支撐，通道三重管超前注漿，洞口真空降水，開挖上下斷面”的施工原則，著重對(duì)盾構(gòu)區(qū)間強(qiáng)支撐、三重管超前注漿加固地層進(jìn)行介紹。以上文獻(xiàn)主要敘述了在洞內(nèi)采用注漿方法對(duì)地層加固、止水，而對(duì)聯(lián)絡(luò)通道地層加固方案的選擇、施工過程中出現(xiàn)的問題及分析等方面論述較少。本文通過聯(lián)絡(luò)通道塌方后地層加固方案選擇、各方案在實(shí)施過程中出現(xiàn)的問題、施工注意事項(xiàng)及分析，提出了聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)施工過程中應(yīng)該注意的問題。

1 工程概況

廣州地鐵某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道長18 m，直墻拱形斷面，開挖斷面寬 3．6 m，高3．7 m，埋深約 24 m，從地面到隧道底地層依次為回填土、淤泥、淤泥質(zhì)土、中粗砂、軟塑殘積層、硬塑殘積層、強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化-微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，聯(lián)絡(luò)通道靠近左線隧道一端穿越軟、硬塑殘積層，靠近右線隧道一端穿越中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

根據(jù)工程籌劃，聯(lián)絡(luò)通道從左線向右線開挖，當(dāng)下臺(tái)階開挖到3 m，上臺(tái)階開挖到4．5 m，格柵鋼架還沒有及時(shí)安裝，拱頂位置開始漏水、坍塌，進(jìn)而引發(fā)地面坍陷，引起交通中斷，隨后進(jìn)行混凝土和碴土回填，恢復(fù)了地面交通。

事故發(fā)生后，對(duì)坍方原因進(jìn)行分析，并對(duì)以往類似工程［6-7］處理方案進(jìn)行了討論研究，最終采取盡快把左線盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道開口處的地層進(jìn)行固結(jié)、堵水，以阻止向左線盾構(gòu)隧道內(nèi)涌水，防止地面再次塌陷，確保地面交通安全。聯(lián)絡(luò)通道從坍塌到挖通，歷時(shí)13個(gè)月，先后采用了3種地層加固方案和左線盾構(gòu)隧道進(jìn)行灌水兩端封堵的措施，才得以挖通。

2 塌方原因分析

1)聯(lián)絡(luò)通道處于古河道區(qū)域內(nèi)，河流的沖刷作用造成風(fēng)化巖表面凹凸不平，導(dǎo)致沉積砂巖層底部標(biāo)高不規(guī)則的急劇變化。

2)聯(lián)絡(luò)通道開挖后左線拱頂實(shí)際為軟塑狀殘積層和砂礫夾層，交叉口地段應(yīng)力集中，且初期支護(hù)不及時(shí)。

3)對(duì)地質(zhì)突變的認(rèn)知有誤，導(dǎo)致拱頂采用超前小導(dǎo)管注漿未達(dá)到理想的加固與堵水效果。

4)臨近廣茂鐵路頻繁的列車震動(dòng)荷載，超出砂礫層的承載力。

3 地面深孔袖閥管注漿

回填后的地層松軟，采用大型設(shè)備易引起地面坍塌，確定采用小型鉆機(jī)，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道與左線盾構(gòu)隧道節(jié)點(diǎn)處的地層進(jìn)行深孔袖閥管注漿。地面袖閥管注漿設(shè)計(jì)見圖1。

3．1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1)加固范圍。長8 m，寬9．5 m，盾構(gòu)隧道頂部以上5m，聯(lián)絡(luò)通道底部以下1．5m，第1排注漿孔距離左線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)邊緣0．5 m。

2)注漿材料。采用水泥-水玻璃雙液漿，實(shí)際配合比由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

3)注漿壓力。控制在0．2 ～0．5 MPa。

4)施工工藝。注漿孔必須下袖閥管，反復(fù)多次注漿。

5)注漿順序。先對(duì)靠近左線盾構(gòu)隧道開洞處的一排袖閥管進(jìn)行注漿堵水，后對(duì)外圍地層進(jìn)行注漿加固。

3．2 施工及效果

方案確定后，對(duì)第1排第1注漿孔進(jìn)行鉆孔，鉆到約14 m深時(shí)，遇到塌方區(qū)回填的素混凝土，繼續(xù)下鉆到21 m時(shí)，地面又開始沉降，整個(gè)回填區(qū)平均沉降約0．5 m。

現(xiàn)場(chǎng)分析認(rèn)為:塌方區(qū)剛回填的地層不密實(shí)、特別是回填的素混凝土下方可能有空洞，上部地層透水性強(qiáng);鉆孔過程中可能把上層地下水引入隧道，導(dǎo)致地面下沉。由于對(duì)注漿方案的信心不足，袖閥管注漿加固方案沒有得到實(shí)施。左線盾構(gòu)隧道內(nèi)地下水位繼續(xù)上漲。

圖1 地面袖閥管注漿設(shè)計(jì)圖Fig．1 Design of Soletanche grouting executed from ground surface

4 地面三重管高壓旋噴樁方案

塌方區(qū)地層沉降穩(wěn)定后，決定采用地面三重管高壓旋噴樁方案進(jìn)行加固(見圖2)。

4．1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1)采用直徑1 000間距700 mm的三重管旋噴樁，共布置17排、187根。

2)旋噴樁水泥摻入比不小于25%，壓力15～20 MPa，旋轉(zhuǎn)速度8 ～12 r/min，提升速度6 ～12 cm/min。

3)加固后的土體28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1．5 MPa，滲透系數(shù)≤10-7cm/s。

圖2 地面三重管高壓旋噴樁加固設(shè)計(jì)圖Fig．2 Design of ground consolidation by triple-fluid high-pressure jet grouting columns executed from ground surface

4)加固范圍。長9．8 m，寬8 m，左線盾構(gòu)隧道頂部以上5 m，開始至進(jìn)入中風(fēng)化巖0．5 m結(jié)束。

5)施工順序。先施工第3排聯(lián)絡(luò)通道范圍內(nèi)的樁，然后向外圍施工。

4．2 第1次旋噴樁施工

按施工安排，先從第3排開始。當(dāng)?shù)?排旋噴樁旋噴至回填的素混凝土層以下時(shí)，地面又發(fā)生沉降，沉降平均值0．8 m，旋噴樁地層加固又被迫停止。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)旋噴施工沉降原因分析認(rèn)為，旋噴壓力大(10 MPa)，對(duì)土體有擾動(dòng)。

4．3 左線盾構(gòu)隧道灌水、封堵

塌方回填區(qū)地層松散、富水，和左線盾構(gòu)隧道內(nèi)的水位有約0．2 MPa的水壓差，對(duì)地層稍有擾動(dòng)，松散的回填土層和水就會(huì)涌入左線盾構(gòu)隧道，為減小水壓差，確定從左線盾構(gòu)隧道兩端灌水，并封堵盾構(gòu)隧道兩端(見圖3)。

圖3 左線盾構(gòu)隧道封堵墻Fig．3 Sealing wall installed in left tube

4．4 第2次旋噴樁施工

左線盾構(gòu)隧道兩端灌水、封堵后，再次進(jìn)行三重管高壓旋噴樁地層加固，在施工過程中，地面再?zèng)]有發(fā)生沉降。

4．5 效果檢查

旋噴結(jié)束后，在地表進(jìn)行鉆孔取芯檢查，旋噴樁第2—6排取芯有一定強(qiáng)度，第1—2和7—10排加固后土體還是較為松散，強(qiáng)度較低，自穩(wěn)性差。

在聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)進(jìn)行水平孔檢查，從右線盾構(gòu)隧道向左線鉆孔，鉆桿拔出時(shí)有較大的承壓水從孔口噴出，射程約4 m，3 min后水量減小，但關(guān)上閥門再打開時(shí)孔口水壓仍很大。

檢查結(jié)果表明旋噴樁地層加固效果不理想，主要是旋噴樁深度太大，底部旋噴樁直徑達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;在回填的素混凝土層中不宜旋噴，形不成連續(xù)水泥土樁;中風(fēng)化巖石中亦不宜旋噴，不能滿足聯(lián)絡(luò)通道開挖的條件。

5 洞內(nèi)WSS工法注漿方案

地面深孔袖閥管注漿、地面旋噴樁加固及其對(duì)地層加固效果檢測(cè)結(jié)果顯示，地層加固堵水未達(dá)到預(yù)期目的，必須采用新的加固方案。通過研究，確定在洞內(nèi)采用WSS(無收縮注漿)注漿方案(見圖4)。

5．1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1)加固范圍。聯(lián)絡(luò)通道開挖范圍內(nèi)及輪廓線外厚度不小于4 m。

2)注漿孔布置。分內(nèi)外共3層、30個(gè)注漿孔，注漿孔最大長度為16．716 m，終孔位于聯(lián)絡(luò)通道開挖輪廓線外2．75 m。

3)注漿材料。采用安全性高、滲透性高的AB和AC 2種雙液漿(A液為水玻璃，B液為一種化學(xué)漿液，C液為水泥漿)。

4)注漿壓力?？刂圃?．3～1．0 MPa，實(shí)際注漿壓力由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

5)漿液擴(kuò)散半徑。按照1．5 m設(shè)計(jì)。

6)漿液凝結(jié)時(shí)間。20～1 800 s。

7)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)單孔注漿終壓達(dá)到1．0 MPa，持續(xù)20 min，進(jìn)漿量很少或不進(jìn)漿時(shí)或注漿量為0．4 m3/m，可結(jié)束本孔注漿。

8)施工順序。首先施工聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的8個(gè)水平注漿孔，注漿孔孔底距離左線隧道管片的距離至少1 m;再施工聯(lián)絡(luò)通道周邊注漿孔。

9)檢查標(biāo)準(zhǔn)。加固后的土體28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1．5 MPa，其滲透性系數(shù)≤10-7cm/s。

10)注漿方式采用前進(jìn)式注漿方式。

5．2 施工及效果

1)從右線盾構(gòu)隧道向左線盾構(gòu)隧道開挖聯(lián)絡(luò)通道，開挖長度為2 m，該空間作為WSS注漿加固的施工空間。

2)根據(jù)設(shè)計(jì)方案，每個(gè)注漿孔先鉆孔1 m，設(shè)置孔口管，再鉆孔注漿。

3)效果檢查。對(duì)加固后的地層水平取芯，取出的芯樣漿脈清晰，強(qiáng)度基本滿足設(shè)計(jì)要求;分別設(shè)置在拱頂位置及兩側(cè)的3個(gè)水平探水孔均無地下水流出，滲透系數(shù)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論與建議

該塌方段先后采用地面深孔袖閥管注漿、地面三重管高壓旋噴樁、洞內(nèi)WSS工法注漿3種方案和左線盾構(gòu)隧道灌水、封堵措施，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道塌方區(qū)進(jìn)行了加固，最終地層強(qiáng)度和滲透系數(shù)滿足了設(shè)計(jì)要求，聯(lián)絡(luò)通道繼續(xù)開挖。此次塌方處理過程也是探索、實(shí)踐、認(rèn)知的過程。

圖4 WSS注漿設(shè)計(jì)圖Fig．4 Design of WSS grouting

結(jié)合此次聯(lián)絡(luò)通道塌方處理，對(duì)城市地鐵聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)與施工提出以下幾點(diǎn)建議:

1)聯(lián)絡(luò)通道開挖前要進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并對(duì)地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性風(fēng)險(xiǎn)與對(duì)策進(jìn)行分析［8-9］，如地層發(fā)生較大變化，應(yīng)及時(shí)通知設(shè)計(jì)單位，對(duì)支護(hù)參數(shù)做相應(yīng)變更。

2)聯(lián)絡(luò)通道的開挖方向一般宜從地層較好端向地層差的一端進(jìn)行。

3)軟弱地層、富水砂層中的聯(lián)絡(luò)通道開挖后，初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)封閉，掌子面要噴射厚度不小于5 cm的早強(qiáng)噴射混凝土。

4)應(yīng)充分比較聯(lián)絡(luò)通道地層加固方案，選擇實(shí)施性強(qiáng)、加固效果好、對(duì)環(huán)境影響小的方案作為最佳方案實(shí)施。

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