地鐵隧道拱頂富水砂層加固技術

萬廣臣，朱 琦，陳 健

（青島地鐵集團有限公司，山東青島 266000）

地鐵隧道拱頂富水砂層加固技術

萬廣臣，朱 琦，陳 健

（青島地鐵集團有限公司，山東青島 266000）

地鐵區間隧道建設工程中，富水砂層極易導致涌水涌砂、塌方、地表沉陷等地質災害，對區間隧道安全開挖造成嚴重威脅。文章結合水文地質及工程地質情況和砂土層的物理力學性質，采用合理的注漿加固方案和注漿工藝及注漿參數對富水砂土層進行加固，并同時進行地表及洞內監測，開挖結果表明，注漿加固效果良好。

地鐵隧道；富水砂層；注漿預加固；監控量測

1 工程概況

青島地鐵 2 號線某區間隧道穿越市內交通繁忙的主干道，區間拱頂范圍管線沿主干道方向主要有給水、有線、通訊、熱力、污水、雨水及電力管線等。該隧道埋深 15～18 m，采用鉆爆法施工，前期該區間采用旋噴樁止水加固措施未達到開挖所需要求，注漿孔鉆進過程中發現掌子面前方地下水仍較豐富，鉆孔內涌水冒砂現象明顯，開挖過程中多次出現股狀涌水險情；隧道開挖揭露砂層位于拱頂以下 1.5 ～2 m 砂層較厚，極易發生塌方，且周邊危險性管線較多。為保證既有管線、地面交通及施工安全，本文結合水文地質及工程地質情況和砂土層的物理力學性質，采用合理的注漿加固方案和注漿工藝及注漿參數，對富水砂土層進行加固，并同時進行地表及洞內監測。

2 注漿加固設計

2.1 注漿參數設計

注漿設計采用洞內洞外相結合的方式，在原設計地面已施作旋噴樁加固地層的基礎上進行洞內半斷面補注漿止水并加固地層。

2.1.1 止漿墻設計

為防止漿液從注漿面的裂縫中反滲出來以及為固定注漿管，設置止漿墻。止漿墻內埋設φ89 mm 無縫鋼管作為孔口管，孔口管長 1 m，孔口外露 0.2～0.3 m。施作止漿墻范圍為掌子面上導開挖輪廓線以內區域，止漿墻采用C25 模筑混凝土，厚度為 50 cm（圖1）。

2.1.2 注漿參數設計

（1）注漿終壓 1.5～2 MPa，極限壓力 2.5 MPa。

圖1 止漿墻圖（單位：mm）

（2）選用水泥漿和水泥-水玻璃雙液漿作為注漿材料，水泥漿使用 42.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比為 1∶1；水泥-水玻璃雙液漿配比（體積比）1∶1，凝膠時間28.30 s。

（3）注漿擴散半徑 0.7～1.0 m。

2.1.3 地質孔及注漿孔設計

（1）超前地質孔布設。注漿實施前，根據前期超前地質預報，鉆 5～6 個超前水平鉆孔以探明地下水水發育情況，超前鉆孔起點在預測突水處以前 5～10 m，其終點超過預測突水段 5 m，超前地質鉆孔位置如圖2 所示。

（2）注漿孔布設。半斷面注漿加固范圍為開挖輪廓外 4 m，開挖輪廓內 1 m 范圍，如圖3 所示，注漿孔沿隧道開挖輪廓線內環向布設，每個循環注漿加固長度為 12 m，開挖長度為 9 m，預留 3 m 已注段作為止漿巖盤；注漿孔由工作面向開挖方向輻射狀發散，確保漿液充分擴散至地層中；鉆孔開孔直徑為 89 mm，孔間距不大于 2.5 m。

2.2 注漿工藝及注漿控制

（1）注漿工藝采用分段前進式注漿，每注漿循環采用 4 個步序：①深孔加固拱頂砂層注漿；②加固破碎巖體；③注漿；④補充注漿。若注漿效果未達到設計要求，增加設置小導管補充注漿。

（2）注漿終壓控制在 1.5～2.0 MPa，極限壓力2.5 MPa。

（3）單孔注漿壓力達到設計壓力并繼續注漿 10 min 以上，方可結束注漿或者當單孔注漿量達到設計注漿量并且注漿量小于 20～30 L/min 時，可結束本孔注漿。

3 注漿效果檢測

3.1 現場觀察

掌子面開挖后，通過現場觀察掌子面注漿情況（圖4）和注漿加固塊（圖5），分析注漿效果。由圖4、圖5 可以看出，掌子面有大量明顯的漿脈，且圍巖穩定，未發生坍塌失穩、涌水、涌泥等現象；現場取樣過程中，掌子面土體比注漿前的土體堅硬、密實，土樣不易破碎。從直觀角度判斷，注漿效果良好。

3.2 檢測孔檢測

圖2 超前地質鉆孔布設（單位：mm）

圖3 注漿鉆孔布設（單位：mm）

每循環注漿段的注漿孔全部注完后，鉆 7 個檢測孔對注漿效果進行檢測（圖6），檢測孔檢測范圍為隧道開挖輪廓外 2 m，具體位置根據現場檢驗情況進行調整。檢測情況如下：

（1）取巖芯觀察漿液填充率達到了 80% 以上，巖心室內試驗結果強度值大于 0.5 MPa，含水率小于 30%；

圖4 開挖時上臺階注漿效果

圖5 注漿加固塊

（2）對 7 個檢測孔滴水情況進行檢查，其中 5 個孔滴水很小，滴水量均不大于 1 L/h，表明止水效果良好，對其進行注漿封孔； 2 個檢測孔滲水較大，對該區域進行補注漿，并在其附近補充 1 個檢測孔。

以上檢測說明，通過注漿預加固施工，注漿液滲透土層孔隙，形成凝固體，降低了土體的滲透性，起到了良好的止水帷幕作用，達到了良好的止水效果。

4 監控測量

4.1 洞內監測

洞內監測分為水平位移量測、豎向沉降量測、爆破振速測量 3 個部分。隧道標準斷面量測測點布置見圖7。該區間每 20 m 設 1 個監測斷面，每個監測斷面設置 2 個水平收斂（位移）量測點（沿斷面順時針編號 2和 4）、2 個豎向沉降量測點（沿斷面順時針編號 1 和 3）、2 個爆破振速監測點（Z1 和 Z3）；監測斷面自小里程向大里程編號 JC01～JC13； JC01-1 表示第 1 個斷面的第 1 個點，依次類推。監測項目控制值見表1。

4.1.1 水平收斂測量

水平收斂量測主要是指對隧道壁面兩點間水平距離的變形量的量測（圖7），水平收斂測量采用全站儀觀測的方法進行，內業計算將各期觀測的監測點坐標變化量投影至線路法向方向，計算水平位移值。經過對各監測點數據分析，各監測斷面水平收斂數據整體穩定，監測曲線光滑平緩，變化量較小，說明各斷面均處于安全穩定狀態。各監測斷面中水平收斂量最大的是 JC03 監測斷面，該斷面中 JC03-2 測點和JC03-4測點間的水平收斂時程曲線見圖8，由圖8 可見，最大水平收斂值為 3.2 mm，在允許范圍之內，表明注漿過程中圍巖較穩定，滿足洞內注漿作業安全要求。

4.1.2 沉降測量

圖6 注漿檢查孔布設（單位：mm）

監測數據表明，各監測點沉降數據整體穩定，監測曲線光滑平緩，變化量較小，說明各點均處于安全穩定狀態。各監測斷面中監測斷面 JC11 沉降較大，其底板監測點 JC11-1 和拱頂監測點 JC11-3 沉降監測時程曲線見圖9，由圖9 可見，拱頂測點 JC01-3 累計最大沉降為 3.5 mm，在允許范圍之內，表明注漿過程中圍巖較穩定，滿足洞內注漿作業安全要求；由于隧道基底為中等風化花崗巖，底板監測點 JC11-1 累計最大沉降約為 1 mm。

圖7 標準斷面量測測點布置圖

表1 監測項目控制值

圖8 水平收斂監測曲線

4.1.3 爆破振速測量

表2 給出了采集到的爆破振速數據，由表2 可知，所有爆破數據值均未超出振速預警上限，最大爆破振動速率出現在監測點 JC12-Z2，最大值為 V= 1.38 cm/s，滿足爆破振動速率控制值 V= 2 cm/s（預警值 V= 1.6 cm/s），表明爆破單位控制藥量合理。

圖9 拱頂下沉量監測時程曲線

表2 爆破振速匯總表 cm/s

4.2 地表監測

根據“監測一段、開挖一段、支護一段、封閉一段”的施工工藝，每一監測段長 15 m、監測斷面寬 12 m；監測斷面從掌子面開始沿隧道開挖方向間隔3 m等距離布置 6 個監測斷面，每個監測斷面間隔 3 m 等距離布置 5 個監測點，共計 30 個監測點（圖10）。

注漿過程中對每個注漿孔每 10 min 進行 1 次監測。根據監測結果比較，監測斷面 4 上各監測點地表變形最大，監測斷面 4 上的 5 個監測點 4-1～4-5 地表變形時程曲線如圖11 所示。從圖11 可知：步序 1 注漿 19 t，該過程地表基本無變形；步序 2 注漿 29.5 t，地表變形（隆起）增加緩慢；步序 3 注漿 15 t，該過程注漿開始后變形（隆起）增長速度不斷加快，是地表變形（隆起）發展的主要階段；步序 4 補充注漿 13 t，注漿結束，地表變形（隆起）達到極值，累計最大變形（隆起）量為22 mm。整個監測區域地表未發生大面積變形（隆起、沉降），路面及建筑物總體安全可控。

圖10 地表測點布置圖（單位：mm）

5 結論

（1）地鐵隧道存在上覆砂層時，極易發生涌水涌砂、塌方等災害，應對地層進行預加固堵水處理，以降低施工風險；

（2）通過注漿對掌子面前方 12 m 富水砂層注漿堵水加固，確定注漿擴散半徑、漿液配比等注漿參數，采用單液、雙液混合注漿，既能控制漿液擴散范圍，又能保證砂層加固后的強度，實踐證明該段砂層及破碎圍巖加固效果良好；

（3）通過單孔注漿量和注漿壓力對注漿過程雙重控制，對控制地表隆起效果較好，為最大限度控制地面沉降，應采用分段前進式注漿；

（4）由外向內由上向下，跳孔間隔注漿，施工效果較好。

［1］ 來弘鵬.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，2014，5（1）.

［2］ 孔恒，王夢恕.城市地鐵隧道淺埋暗挖法地層預加固機理及其應用研究［D］.北京：北方交通大學，2003.

［3］ 青島地鐵集團有限公司.青島地鐵2號線監測報告［R］.山東青島：青島地鐵集團有限公司，2015.

［4］ 孫立功.廣州地鐵3號線盾構區間同步注漿技術［J］.鐵道標準技術，2010（10）.

［5］ 孔恒，王夢恕.淺埋暗挖隧道工作面正面土體超前預加固的力學行為分析［C］.第九屆海峽兩岸隧道與地下工程學術及技術研討會論文集，2010.

［6］ TB10012-2007 鐵路工程地質勘察規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［7］ TB10003-2005 鐵路隧道設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

圖11 地表隆起變形監測時間歷程

責任編輯 朱開明

Reinforcement Technology of Metro Tunnel Vault Water Rich Sand Stratum

Wan Guangchen， Zhu Qi， Chen Jian

In metro tunnel construction engineering，water rich sand stratum is extremely prone to the gushing water and sand， collapse， ground subsidence and other geological disasters， bringing serious threat to tunnel excavation.By taking into consideration of the physical and mechanical properties of the geological，hydrogeological and engineering geological conditions and the sand soil stratum， the paper suggests to use optimal grouting reinforcement schemes and grouting technology for reinforcement while having the surface monitoring and inside monitoring on grouting parameters at the same time on the water rich sand and soil stratum.The excavation results show that the grouting reinforcement effect is satisfactory.

metro tunnel， water rich sand stratum，grouting reinforcement， monitoring and measurement

TU45

萬廣臣（1982—），男，工程師

2015-12-08