明挖隧道涌水搶險中二次快速注漿的實踐

周陽宗

(中鐵十六局集團有限公司，北京 100000)

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明挖隧道涌水搶險中二次快速注漿的實踐

周陽宗

(中鐵十六局集團有限公司，北京 100000)

摘要：明挖隧道圍護樁穿越砂層時，在地下水豐富的情況下樁間旋噴難以形成止水帷幕，因此在開挖過程中樁間經常發生涌水現象，如不及時搶險很快就會在圍護結構外形成空洞，造成地面塌陷。采用樁間二次注漿止水工藝：一次注漿對砂層空隙進行填充減小流速；二次注漿繼續填充砂層空隙，對涌水點進行封堵。此措施有效地防止了隧道外部涌水、涌砂現象的發生，保證了隧道安全，取得了良好的社會效益和經濟效益。

關鍵詞：隧道；砂層；涌水；注漿止水

明挖隧道圍護樁在穿越流砂層等惡劣地質時，由于地下水位高、地下暗河等原因，旋噴樁在樁間難以形成有效的止水帷幕，在開挖過程中樁間出現多次涌砂、涌水事故，形成危險段，如何在短時間內對涌水部位進行封堵成為解決危險源的關鍵措施。

1 工程概況

本工程區間明挖段位于惠州大道，惠州火車站附近，南北走向，附近地勢較平坦，現主要為交通道路、商鋪和居民區。

隧道里程：GDK104+027.522～GDK105+559.500，長1 531.978 m，寬27.4～40.4 m，隧道圍護結構采用?1 200 mm@1 350 mm(局部采用?1 000 mm@1 200 mm)鉆孔灌注樁+樁間旋噴樁止水的形式，圍護結構頂設置冠梁。隧道內設置內支撐體系(部分區域采用內支撐+預應力錨索體系)，豎向設3～5道內支撐，第1、2道支撐為1.0 m×1.2 m的混凝土支撐，水平間距約9 m；其余均為?600 mm、t=16 mm鋼管支撐，水平間距約3 m。隧道中間加設1～2排臨時立柱，縱向間距約9.0 m。見圖1。

隧道發生涌水的區域地質情況為：

(1)素填土①1，主要成分為風化黏性土，砂巖、磚或砼碎塊堆填，厚0.50～5.80 m。

(2)粉質黏土①2，硬塑，土質較均勻，黏性一般，含砂粒，具中壓縮性。厚1.70～18.40 m。

(3)粉砂③3，淺黃、灰白色，級配差，稍密，飽和。

圖1　明挖隧道斷面及地質斷面示意圖

厚1.10～4.60 m，層頂高程-4.49～6.94 m，層底高程-5.59～2.34 m。

(4)細砂③4，稍密，飽和。厚2.50～9.00 m。

(5)中砂③5，級配差，稍密，飽和。厚1.70～10.30 m，層頂高程3.00～13.45 m，層底高程-2.46～11.45 m。

(6)粗砂③6，級配一般，稍密，飽和。厚2.90～8.50 m，層頂高程0.64～8.93 m，層底高程-4.72～4.43 m。

(7)粉質黏土，硬塑，為含礫砂巖風化殘積土，遇水易軟化，具中壓縮性。厚1.30～16.00 m。

(8)下伏基巖為下第三系含礫砂巖，泥質膠結，砂狀結構，層狀構造，按風化程度可分為全風化含礫砂巖、強風化含礫砂巖和弱風化含礫砂巖3個亞層。

地下水位埋深2～3 m，受季節影響較大。沖積中粗砂層具有強透水性，發生涌水的土體物理參數見表1。

表1 巖土物理力學指標

2 工程難點

由于砂層厚度大，且地下水非常豐富，砂層處于飽和狀態，旋噴樁難以形成有效的止水帷幕，因此，在隧道開挖過程中，出現了非常大的涌水現象，最大流速達0.3～0.4 m/s，流量最大時達0.2 m3/s，見圖2、圖3。涌水同時帶出大量土體顆粒，不迅速止水的話，在樁體背后迅速形成空洞，造成路面塌陷，造成市政管線變形或斷裂，后果相當嚴重。因此，本工程最大難點在于開挖發生涌水時，啟動應急預案，迅速止水，同時補充流失的土體顆粒。由于水流非常快，且水壓較高，如何止水是關鍵問題。

圖2明挖隧道樁間漏水圖圖3明挖隧道樁間搶險圖

3 樁間止水的方法

在城市軌道交通設計中，樁間止水最常用的方法為旋噴樁止水。對于普通地層咬合旋噴樁止水效果明顯，但在地質情況為砂層且地下水非常豐富時，旋噴樁往往難以成樁，起不到應有的止水效果。因此，對于地下水豐富且砂層厚度大的明挖隧道，注漿止水成為最有效的補救措施。

4 雙液漿二次堵水工作原理

在地下水動力學中，飽和含水砂層被稱為飽水砂土，飽和砂土是一種多相介質，由土顆粒和水構成，地下水在其中流動規律相當復雜[1]。本工程滲水點為承壓水類型，地下水水力梯度高，地下水在砂層中滲流速度非常快，水泥水玻璃雙液漿在噴出注漿管的瞬間就被快速流動的地下水稀釋沖刷，如果稀釋后的雙液漿不能迅速凝固，水泥顆粒隨著地下水涌出，起不到止水作用；同時，由于水流涌出速度快，難以一次注漿即完成止水。故堵水提出分成兩步：第1步對砂層空隙進行填充，減小砂層的孔隙率及降低砂層的滲透系數；第2步即在地下水流速降低的情況下，繼續填充砂層空隙，直到將地下水止住為止。

5 快速止水注漿工藝

5.1 漿液凝固時間調節

堵水原理圖見圖4。第1次注漿目的是填充砂層空隙，減小滲透系數K。雙液漿在A點開始混合，從B點射出，在C點隨水流滲出。為了達到漿液在C點正好凝固的效果，t1為漿液從混合點A流入至涌水點C所需要的凝固時間。

圖4　注漿止水原理圖

第1次注漿的雙液漿凝固時間t1確定：

(1)

式中：L1為注漿管長度；L2為出漿口距離滲水點外側的距離；V1為漿液在注漿管內流動的速度；K0為地下水在水力梯度J作用下的滲透系數。

在注漿一定時間后涌水流速明顯減小，土體顆粒空隙被填充，第1次注漿填充后砂層孔隙率與滲透系數的關系：

(2)

式中：e0為注漿前土體孔隙率；e1為注漿后土體孔隙率；k1為注漿后改良土體的滲透系數；k0為注漿前改良土體的滲透系數；x為擬合系數，T.P.Clement[2]等提出x=19/6。

經過第1次填充后，砂層滲透系數變小，因此，對凝固時間進行第2次調節，目的是堵住滲水點。同理，第2次注漿的雙液漿凝固時間t2為漿液從A點至C點的凝固時間：

(3)

水泥與水玻璃的主要化學反應為:

Ca(OH)2+NaO·nSiO2+mH2O→Ca·nSiO2·

(4)

水泥本身的凝結和硬化主要是水泥水化析出凝膠性的膠體物質所引起的,在硅酸三鈣的水化過程中產生氫氧化鈣:

(5)

在混合液中水泥與水玻璃的反應快,水泥本身的水解化學反應要慢得多[3]。因此，為了調配出合適的漿液凝固時間(終凝)，根據上述化學反應原理，結合現場水流速度，將水玻璃(45Be′)與水泥漿液(1∶1)按不同配比進行現場試驗，結果如圖5所示。

圖5　水泥水玻璃雙液漿凝固時間曲線圖 現場操作根據情況初擬雙液漿配比和凝固時間，試注漿后認為合適就用此配比及凝固時間進行注漿，否則進行調整，直至適合為止。

5.2 注漿管布置

隧道涌水部位大部分在地表以下8～15 m，隧道發生涌水時水量大、速度快，涌水同時帶走大量土體顆粒，如不及時處理很快就形成塌方。因此，注漿管布置速度要快，為了搶速度，在塌方前將水止住，采取在出水口直接插管的方式布置注漿管，插管深度4～6 m之間，插管結束后立即對管周堆沙袋封閉，并立即開始注漿。

根據二次注漿堵水理論，第1次插管法為應急措施，目的是減小地下水流動速度，同時對砂層空隙進行填充；在第1次注漿堵水的同時在地面上鉆孔，將注漿管插入涌水點以下，進行二次注漿堵水。

5.3 注漿壓力控制

由于水流急，滲透速度快，第1次注漿壓力很小，不超過0.1 MPa；第2次注漿壓力隨著涌水停止及注漿量的增加不斷增大，二次注漿在涌水停止時繼續注漿，直到填充空隙完畢，此時注漿壓力可達到0.5 MPa。

6 結束語

本段隧道地質條件復雜，圍巖差，地下水異常豐富，開挖困難，施工風險大。堵水工藝的成功實施，確保了惠州大道的正常交通運營及市政管線的安全，將隧道開挖對周邊環境的影響降到最低，取得了滿意的經濟效益。

實踐證明，對大方量快流速的涌水采用在樁間二次注漿止水的方法是成功的，確保了本工程明挖隧道的順利貫通。同時為類似工程的施工提供了寶貴的借鑒。

參考文獻

[1]吉小明.譚 文.飽和含水砂層地下水滲流對隧道圍巖加固效果的影響研究[J].巖石力學與工程學報，2010，29(S2)：3655-3662

[2]Clement T P,Hooker B S,Skeen R S.Macroscopic models for predicting changes in saturated porous media properties caused by microbial growth[J].Ground Water,1996，34(5):934-942

[3]劉玉祥.柳慧鵬.水泥水玻璃雙液注漿中的最優參數選擇[J].礦冶，2005，14(12)：1-3，22

On the Application of the Quick Two-Times Slip-Casting to the Treatment of Water Gush in an Open-Cut Tunnel

Zhou Yangzong

(16th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Beijing 100000,China)

Abstract:When the retaining piles for the construction of an open-cut tunnel go through a sandy stratum where underground water is abundant, the rotary spraying among the piles can hardly help a water-stopping curtain form,in which case water gush often happens among the piles in the course of excavation. If the problem of water gush were not solved in time,cavities would be formed outside the retaining structure,as a result of which ground would collapse.In such a case,the water-stopping process of twice-slip-casting among the plies is adopted:the first-time slip-casting aims at filling the cavities or cracks among the sandy stratum to slow down the velocity of the water gush and the 2nd-time slip-casting aims at continuing filling the cavities among the sandy stratum so as to block all the water-gushing points.The technical measures mentioned above help effectively prevent water and sand gush outside the tunnel so that the safety of the tunnel is ensured,with good social and economic benefits achieved.

Key words:tunnel;sandy stratum;water gush;slip-cast concrete to stop water

中圖分類號：U455.49

文獻標識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)02-0058-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.016

作者簡介：周陽宗(1977—)，男，高級工程師，主要從事工程管理工作

收稿日期：2016-01-29