上軟下硬地質條件中地鐵施工的地層預加固方法

楊林

【摘 要】本文根據青島地鐵礦山法設計、施工中最常遇到的上軟下硬地層，對幾種地層注漿預加固方法的加固機理、適用條件進行分析，并給出相關工程實例，為設計、施工提供參考。

【關鍵詞】地鐵；礦山法；地層加固；注漿

0 前言

青島市位于膠東丘陵地帶，以巖石地層為主，受巖石風化、地層斷裂的影響，為確保使用功能，地鐵車站和區間隧道的埋深不能過大，因此青島地鐵多在“上軟下硬”地層中施工，該地層隧道拱頂或上半斷面多為強風化花崗巖、砂層等，隧道底部多為中風化、微風化花崗巖。隧道開挖中還會遇到巖石局部破碎、斷裂帶，并伴有裂隙水。

青島的這種不均勻的地質條件在全國地鐵工程中都是不多見的，對設計和施工都帶來的相當大的挑戰。如果針對拱頂不良地層選取支護參數，則對于隧道底部硬巖部分就會造成浪費，導致工程造價提高；如過按照底部較好的底層來進行支護，則又無法保證隧道拱頂的施工安全。面對這種情況，在隧道開挖前對上部不良地層進行預加固，提高其設計圍巖等級，以便于選取合理的支護形式，對保證工程安全，節省投資都有著至關重要的意義。

1 地層預加固的常用方法

常用的地層加固方法由錨桿加固法、注漿加固法、機械預切槽法、預襯砌法、凍結法等[1]，根據青島地鐵工程特點，多采用超前小導管注漿、管棚加固、全（半）斷面注漿等方法，并結合最新的新意法理論開展了水平旋噴樁加固的研究和試驗。

1.1 超前小導管注漿加固

超前小導管注漿加固是沿隧道開挖方向在拱頂開挖輪廓線外一定范圍內向前上方傾斜一定角度，密排打設側壁鉆孔的注漿鋼管。達到一定深度后向管內注入漿液，是隧道拱部形成加固的殼體，在其保護下進行開挖和支護（見圖1）。超前小導管注漿既能加固一定范圍的圍巖，又能支托圍巖，其支護剛度、預支護效果均大于錨桿加固，適合于砂層、斷裂破碎帶以及局部裂隙水的封堵等[2]，具有以下特點：（1）比超前錨桿支護能力更強；（2）比管棚施工簡便，經濟性好，但支護能力較弱；（3）初期支護的噴射混凝土能將圍巖與小導管緊密粘結，形成一個共同變形體，受力條件合理。具體設計中小導管直徑一般采用40～60mm，長度一般為3～6m。

1.2 管棚注漿加固

管棚注漿加固是一種長距離超前支護方法，具有加固距離長，剛度較大，適用于開挖面不能自穩、含水的地層。能較好的控制地表沉降、防滲止水，但對施工工藝要求較高[3]。管棚支護的主要作用機理可以歸納如下：（1）梁拱效應：先行施設的管棚，以開挖面和后方支撐為支點，形成一個梁式結構，二者構成環繞隧洞輪廓的殼狀結構，可有效抑制圍巖松動和垮塌；（2）加固效應：注漿漿液經管壁孔壓入圍巖裂隙中，使松散巖體膠結、固結，從而改善了軟弱圍巖的物理力學性質，增強了圍巖的自承能力，達到加固鋼管周邊軟弱圍巖的目的；（3）環槽效應：開挖面爆破產生的爆炸沖擊波傳播和爆生氣體擴展遇管棚密集環形孔槽后被反射、吸收或繞射，大大降低了反向拉伸波所造成的圍巖破壞程度及擾動范圍；（4）確保施工安全：管棚支護剛度較大，施工時如發生塌方，塌碴也是落在管棚上部巖碴上，起到緩沖作用，即使管棚失穩，其破壞也較緩慢。此外，管棚施工過程中通過鉆孔可較為準確的預知管棚范圍內復雜圍巖情況，為隨后的注漿、開挖提供第一手地質資料，有利于施工方案的確定。

1.3 全（半）斷面注漿加固

青島地鐵的部分區間的拱頂處在富水砂層中，這種地層容易產生涌水、流砂等現象，對施工構成極大風險，在這種地層中采用超前小導管、管棚等加固方式無法起到封堵涌水的效果，需對掌子面中的砂層部分進行全面的注漿加固，時掌子面部分的砂層形成不透水、有一定強度的整體，從而便于進行開挖施工[4]。

青島地鐵3號線萬年泉路站至李村站區間拱部為富水砂層，下半斷面為中風化花崗巖，地面為多層磚混結構住宅和框架結構商場，設計采用108mm管棚配合上半斷面注漿加固，每3m設置一循環，在每一循環掌子面上按梅花狀布置注漿管，對掌子面進行全斷面注漿；注漿管的間距控制在0.5m（圖2）。該方案對地面建筑沉降取得了良好的控制效果。

（a）注漿孔布置示意圖

（b）區間隧道剖面圖

（c）注漿加固范圍示意圖

1.4 全斷面水平旋噴樁加固

水平旋噴樁法首先于20世紀70年代在日本進行應用，它是在一般的初期導管注漿的基礎上發展起來的，以高壓旋噴的方式壓注水泥漿，從而在隧道開挖輪廓外形成拱形預襯砌的預支護工法。其加固原理包括成樁原理和成拱原理兩個方面，具有加固距離長、剛度大，適用于開挖面不能自穩、含水豐富的地層。

近年來，隨著巖土控制變形法（新意法）得到日益廣泛的研究和應用，青島地鐵依據其.運用超前支護和加固措施減小或避免圍巖變形、在離掌子面較短的距離支護封閉以減小隧道變形和全斷面開挖的理念[5-6]，在3號線保兒站至地鐵大廈站區間進行了全斷面水平旋噴樁加固地層試驗研究，通過在拱部和掌子面布設水平旋噴裝（見圖3），將隧道富水砂層進行整體加固，較大程度的提升其圍巖等級，進行全斷面開挖，在提升工效的同時很好的控制了地面沉降和圍巖變形，取得了良好的試驗效果。

2 不同地層加固方法的適用條件

以上地層預加固方法的選用，應結合水文地質條件、線路周邊環境、工期安排、技術經濟分析等具體情況綜合確定，并可以選擇其中一種或幾種方法結合使用。表1列出了上述隧道預加固法的特點和使用條件。

表1 隧道地層預加固方法一覽表

3 結語

在青島“上軟下硬、局部破碎”的特殊地層中進行地鐵隧道礦山法施工，選擇合適的地層加固方法至關重要，其不但能減小施工風險，節約工程投資，還能夠有效的控制道路、管線、地面建筑物等的沉降變形，使對周邊居民的影響減到最小，充分體現安全地鐵、人文地鐵的理念。

【參考文獻】

[1]來弘鵬，康佐，謝永利，等.地鐵區間隧道黃土地層注漿預加固技術研究[J].中國鐵道科學；2014，01.

[2]程顯濤.帷幕注漿技術在軟弱圍巖隧道施工中的應用[J].中國市政工程，2014，01.

[3]周捷，漆泰岳，曠文濤，等.大斷面隧道地層超前預加固及開挖支護過程穩定性的數值模擬[J].隧道建設，2009，2.

[4]張成平，張頂立，葉英，等.高壓富水巖溶隧道注漿機理及作用效果分析[J].地下空間與工程學報，2009，05.

[5]翟進營，楊會軍，王莉莉.新意法隧道設計施工概述[J].隧道建設， 2008， 01.

[6]趙錄學.關于新意法隧道設計的幾點建議[J].現代隧道技術，2012，01.

[責任編輯：曹明明]