重慶火風山隧道淺埋暗挖段注漿加固

張建國

（中鐵十八局集團公司，天津 300222）

0 前言

火風山隧道是重慶北部新區重點工程“金童路南段工程”的關鍵控制性工程，主線雙洞1500 m長，為雙向四車道設計，城市主干道I級，設計車速50 km/h。隧道北接金童路，從渝都大道（機場路）和內環快速路下方穿過，南端從峨眉大道穿出，直達火車北站北廣場。

火風山隧道作為城市暗挖隧道，由于埋藏極淺，暗挖施工將強烈擾動地層，引起地基應力調整和重新分布，由此產生的沉降和坍塌必將危及洞內施工和地表建筑物的安全。保證暗挖施工擾動影響范圍內的圍巖穩定，有效控制上部地層沉降量，是在有荷載淺埋暗挖段施工的關鍵。

1 淺埋暗挖法的優點及適用條件

淤泥質地層，具有高壓縮性、高靈敏度、強度低等特點，易產生蠕動現象，開挖后自穩能力極差。軟弱地層暗挖隧道施工，最核心問題是通過注漿改善土層性質，提高土層的承載力和自穩能力。在施工中，采用劈裂注漿，可以改善土層性質，加固土層，使工程取得良好的效果。

淺埋暗挖隧道注漿加固施工技術，是隧道工程項目以及城市地下工程施工的主要方式之一，適宜不適合明挖施工的含水量較小的地層，尤其對城市地面建筑物密集，交通運輸繁忙、地下管線密集且對地面沉陷有著嚴格要求的施工狀況，對于含水量較大的松散地層，采取堵水或是降水等措施后亦可采用。淺埋暗挖施工技術在隧道開挖前作了預先支護，并通過小導管向地層注漿，從而有效改良地層，加固了施工周圍的土體，在施工開挖后能及時安裝網構鋼架，掛鋼筋網和施作密貼于周圍土體的噴射混凝土支護，從而能有效控制施工周圍土體的變形應力釋放，在支護以及周圍土體的共同變形中，調整相應土體應力重分布，從而達到新的應力平衡狀態，最大限度保持周圍土體所固有的強度以及利用自身承載能力。施工方法具有5點優勢。

1.1 及時支護。由于網構鋼筋+鋼筋網+噴射混凝土支護施工的及時性，從而能使施工周圍的土體不由于開挖暴露過多而導致的強度降低，從而能給周圍土體提供支護的抗力，由此改善了周圍土體的應力狀況。注漿加固地層，從而提高了周圍土體的穩定性。

1.2 粘貼性。在噴射混凝土能與周圍土體全面密集粘貼，其粘結力一般能達到0.5 MPa，由于噴射混凝土與周圍土體粘結緊密。從而提高了施工周圍土體的強度，同時也減小了施工周圍土體的集中應力。

1.3 柔性。由于噴射混凝土與周邊土體粘結較為緊密，并且噴射層次較薄，從而具有一定的柔性特征，從而有益于調節周圍土體的變形，有效控制允許周圍土體塑性區存在適度的發展，從而能有效發揮周圍土體的自身承載能力。

1.4 靈活性。噴射混凝土的施工工藝能及時調整和分次完成，從而具有較大的靈活性特點，對于加固周邊土體，提高土體的承載能力有著重要的作用。

1.5 封閉性。噴射的混凝土能及時施工作業，并且建立了全面的支護體系，從而能有效防止地下水的滲透，抑制施工周圍土體的潮解和強度損失，從而能有效保證施工周圍土體的穩定性。

1.6 適應性結構斷面形狀。淺埋暗挖法能對斷面的結構形狀產生較強的適應性，不僅可輕易構成圓形、馬蹄形、矩形、多跨聯拱等多種形狀，并且對不同結構斷面能進行靈活的轉化和銜接，大范圍的淤泥質的軟土、粉砂地層；降水存在困難或是經濟上不合算地區，不應采用淺埋暗挖法進行施工。淺埋暗挖法的施工具有一定的自穩性，而施工工作面的土體的自立時間，應進行必要的初期支護作業，否則也不應采用淺埋暗挖法。在實際施工中，也應對傳統施工工藝進行改進，選擇合理的開挖進尺，從而能有效控制土體的變形和穩定，從而能在軟土地基中取得較好的施工效果。

2 淺埋暗挖隧道注漿施工技術的實施

2.1 施工方法選擇

為有效控制圍巖周圍松弛以及由于圍巖周圍松弛引發的地表沉陷，淺埋暗挖的施工方式有臺階法、CD法、CRD法和眼鏡法等。在金童路南段火風山隧道的施工過程中，根據地質條件，火風山隧道地層巖性主要為第四系壓實填土及強風化泥巖，以壓實填土為主，強風化泥巖為極軟巖，風化裂隙較發育，強風化帶較薄，層間結合差，隧道埋深較淺，處理不當洞頂易發生大規模坍塌，側壁經常小坍塌，淺埋時易出現地表下沉（陷）或坍至地表，為確保施工安全，施工時應采用對巖體進行劈裂注漿，待軟弱圍巖達到一定強度后然后再進行開挖，施工時重點控制段。根據火風山隧道斷面形成和構成，以及周圍環境條件的限制，選擇合適的施工方式。城市中的淺埋暗挖施工受到地面的荷載較大，且地中管線密集，開挖過程中應嚴格控制地面沉降。在通道設計過程中，應采用CD施工法，由于該施工方法工序較多，導致使相應的結構受力較為復雜，實際施工中，結構內力也經過了多次轉換，從而具有較大的技術難度，結合施工工期以及工序，參照有限原因分析，采用斷面的開挖施工方式，保留核心土，并且增加必要的臨時支撐。

2.2 主要施工技術

為防止施工地表沉降過大，應實施相應施工技術措施圍繞，主要技術措施：在路面鋪墊2 cm厚的鋼板，從而能有效緩沖和擴散施工周邊的荷載。使用長管棚加超前小導管注漿預支護，施工土層壓力通過長管進行承擔。嚴格控制開挖循環進尺，按0.5 m每循環掘進。開挖掌子面適當留取核心土，及時封閉成環。二襯及時跟上，防止地表沉降過大。

為了防止隧道通道頂部噴射混凝土和二次模筑襯砌之間存在空洞的可能性，由此在土層以及初期的支護過程中，應在涂層和初期支護，初期支護以及二襯之間預留注漿管，并實時注漿充填，防止地表下沉，在注漿過程中應主義注漿壓力的控制，盡量實現充填而不是劈裂，注漿壓力過大將對二襯結構施工不利。

實際施工過程中，應建立嚴格的監控和量測體系，能根據所反饋的信息對設計進行修正，并采取信息化的施工模式。

2.3 施工重難點

施工火風山隧道土層的上方是雜填土，不同土層泥土成分和分布特點差異性加大，例如土層有可能為河流常年淤積而成，主要成分為飽和狀淤黏土；部分土層為強風化泥巖，主要成分是飽和砂性土，最顯著的特點是自穩性極差。一般隧道距離地面非常淺，而且在隧道頂部還有大量的電力、電信、路燈等數種管道路線通過，而且幾乎不存在遷移的可能。開挖工作主要集中在淤泥質粘土地層中，該土層的特點是高壓縮性、高靈敏度、強度低，發生蠕動的可能性較大，開挖過程中自穩性能非常差，很容易造成塌方、地面沉降等施工事故，施工質量很難得到保障。因此，必須采取相應的措施進行加固。在此次施工過程中，選擇注漿的方法來解決加固的問題。由于施工土層自穩性極差，普通的注漿方法很難起到保證性的加固效果，因此，本次采用壓力注漿的方式，選擇了擬采用劈裂注漿方法。下文主要對該注漿方法的一些

2.4 注漿加固施工管理過程

2.4.1 劈裂注漿加固原理。在進行劈裂注漿時，注漿管出口高壓作用下噴出的的漿液會在對地層周圍形成附加壓應力，壓迫土體出現裂縫，漿液就會順著土體強度低的地方向強度高的地方劈裂，漿體冷固后就會對土體的網絡或骨架形成強力的支撐，達到加固的效果。在漿液注入的過程中，漿液會擠開土體中的淤泥質土，使得其向兩邊分散或者直接擠出土層。另外，在注漿范圍內，注漿過程會擾動淤泥質土，該土層的強度就會被大幅度削弱，當注漿過程完成后淤泥質土中的壓力就會消失，漿液固結和土體化學固結就能加強土體的強度，防止土體發生變形。但該注漿方法的弊端是土層固結有可能導致土體的沉降和位移。

2.4.2 劈裂注漿過程。從劈裂注漿的原理我們可以看到，劈裂注漿總的是把土體進行壓密后再劈裂，根據漿液對土體作用的差異，可以把這個過程分為3個步驟。

泡壓密階段。在注漿的初始階段，漿液中所含有的能量較小，不能立即破開土體形成裂縫，當漿液逐漸聚集在注漿管孔周邊時，就會以橢形泡體的形式逐漸擠壓土體，土體所承受的壓力會越來越大，通過計算可得出壓力和流量的曲線圖，在曲線的初始部分噴出的漿液較少，所承受的壓力增長速度不斷加快，說明此時土體還沒有出現裂縫，直到曲線中的第1個峰值壓力，此時土體被破開，該點所對應的壓力稱為啟裂壓力，曲線中該點以前的部分都屬于鼓泡壓密階段。

裂流動階段。當漿液對土體的壓力超過啟裂壓力時，漿液就會在土體的裂縫中流動，劈裂面發生在阻力最小的小主應力面。在漿液的作用下，土體層會沿著已有的軟弱破裂面逐漸破裂，漿液就會順著新形成的裂縫流動。如果土體層面比較均勻，初始劈裂面就會顯示為垂直的效果。

動土壓力階段。當土體被擠壓到一定程度后，土體的強度就會增強到不能被再碎裂的情況，就很難再形成新的裂縫。此時，注漿壓力就會逐步上升，地層中大小主應力方向改變，水平向主應力轉化為被動土壓力狀態，如果想要進一步加寬裂縫或者擠壓形成新的裂縫就要就加大注漿的壓力，直到出現曲線圖中的第2個壓力峰值。在該壓力處，水平向應力大于垂直向應力，土層會被劈開形成新的裂縫。被動土壓力階段是劈裂注漿加固的關鍵階段，在2個壓力峰值后會有大量的漿液再次流入縫隙，這就會使得小主應力有所增加，縮小了大小主應力間的差別，進一步加固了土體。

2.4.3 注漿材料的選擇。漿材料的種類較多，而且不同種類的注漿材料性能差異較大。在當前，以水泥系和無毒的硅酸鹽系漿材比較流行。但施工隧道土層大多是淤泥質黏土，穩定性較差，一般的注漿材料很難起到理想的加固效果。此外，隧道底部注漿對漿液后期的強度要求比較高，在多方面比較后，選擇了水泥水玻璃雙液注漿作為注漿材料。如果采用水泥漿液、水泥黏土漿液進行注漿，注漿過程中土體受壓后會很快固結，不能進行進一步的加固，而且在后面的固結過程中，漿液中多余的水分在黏土中不能拍排除，只有通過黏土中劈開的裂隙中慢慢溢出，溢出的過程很有可能發生跑漿的問題。采用水泥水玻璃材料就可以避免這些問題，水泥水玻璃反應后結石率達到100%，無水排出。

2.4.4 注漿壓力的設定。由于隧道頂部距離地面很淺，在進行注漿時，漿液沿水平剪切方向流動會在地表出現冒漿現象。實際注漿過程中，考慮注漿管道的壓力損耗、注漿端頭漿體堵塞等影響，隧道施工現場調整后一般采用的注漿壓力初壓為0.5～1 MPa，終壓為2 MPa，大于計算的劈裂注漿的極限壓力。

2.4.5 注漿效果。在注漿施工過程完成后，對加固土體進行開挖，觀察記錄了注漿加固的范圍。可以看到漿脈分布較為明，注漿孔周圍有明顯的擠密土體。采取物理力學指標對加固后的土體進行檢測后，加固效果非常明顯。

3 施工總結

3.1 具有明顯的管棚作用。在施工的初期支護前，管棚承擔著43%的圍巖變形作用力，管棚是通道順利開挖的關鍵，長管棚的支護加小導管注漿能加固開挖擾動范圍內的巖土體，在管棚的防護下，開挖過程中產生的地中以及地表位移的應力都得到了有效的控制。

3.2 在分步開挖以及全斷面開挖兩種施工狀況中，初期的支護以及模筑襯砌受力在彈性范圍內，其產生的支護作用安全可靠，

3.3 施工地中具有軟弱土體以及通道埋深超淺，由此在開挖過程中在通道底部并向左右擴展延伸一定的厚度范圍內部產生了較大面積的塑性區域，在通道頂部一定的厚度范圍產生了受拉屈服區，應在實際的施工中加以注意。根據具體的施工狀況采取具體的施工技術。

3.4 地表下沉量較大。左右機動車道中心斷面，累計沉降值達到了61 mm和51 mm，并且具有較長的沉降持續時間，最大沉降值超出了基準值一倍多，但在實際沉降過程中，路面均能正常使用，未見明顯裂紋出現，說明對于類似工程，可以將地表沉降管理基準值提高到50 mm。

3.5 信息化施工加強了監控以及量測，從而能對地表沉降、洞內拱頂下沉、周邊收斂以及土體壓力、鋼拱架內力進行觀測和反饋，使整體的施工建立在科學以及嚴密的監測指導和監督體系下，從而能及時修改施工設計參數，調整施工方案，建立動態施工模式，保證施工安全以及地中管線的正常運行，實現對地面沉降的控制和路面交通的暢通。

4 結束語

為了獲得更好的加固效果，在施工設計時，要注重理論與實際的結合。注漿過程中，施工人員要充分了解土層條件、注漿孔布置、凝膠時間等現場施工條件。在施工過程中，要做好相關的施工管理和現場監督工作，尤其要注意注漿過程中一些參數（如注漿壓力、注漿速率和注漿量）的設定，要根據實際施工情況不斷對這些參數進行調整。

［1］ 王夢恕.地下工程淺埋暗挖通論［M］.合肥：安徽教育出版社，2004.

［2］ 關寶樹.遂道工程施工要點集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］ 張旭芝，符飛躍，王星華.輪流塑淤泥質地層劈裂注漿加固試驗研究［J］.地下空間，2003，23（4）：405-408.

［4］ 鄺健政，咎月穩，王杰.巖土注漿理論與工程實踐［M］.北京：科學出版社，2001.