地鐵區間隧道穿越人工回填卵石地層施工技術

萬飛，張旭昌，滕海渤

地鐵區間隧道穿越人工回填卵石地層施工技術

萬飛1，張旭昌2，滕海渤3

(1.交通運輸部公路科學研究所，北京100088;2.新疆北新路橋集團股份有限公司，烏魯木齊830011; 3.上海市基礎工程集團有限公司，上海200002)

針對烏魯木齊地鐵1號線三工站至宣仁墩站區間隧道，在穿越以卵石為主的人工填土區時的多次失穩現象，對原施工方案進行優化，提出地表袖閥管注漿暗挖法施工方案，確定注漿順序、漿液配比、注漿過程控制、開挖方法、支護方案和專項措施。實際應用表明，地表袖閥管注漿暗挖法施工方案加固土體效果良好，在注漿預加固作用下進行開挖和支護，極大地降低了隧道失穩的風險。

地鐵區間隧道;人工填土;卵石;袖閥管注漿

修建地鐵隧道要面臨城市錯綜復雜的地質條件，亦會遇到人為造成的填土地層。人工填土的組成成分復雜，分布不均，壓縮性高、自穩性差。在此類地層中施工，地表沉降變形難以控制，隧道易發生冒頂、坍塌等危險［12］。深圳地鐵1號線延長線3A標段在通過砂、軟土及素填土構成的土層時，曾出現了2次地表塌陷事故。

烏魯木齊地鐵1號線三工站至宣仁墩站區間隧道，有270m段落上覆4～16.3m厚以無膠結卵石為主的人工填土層，局部填土層侵入隧道斷面。此類地層條件的施工，目前沒有直接的工程經驗可以參考，但可以借鑒砂卵石地層和人工填土地層的相關研究成果。北京地鐵和成都地鐵在工程實踐中進行了砂卵石地層現場量測和計算分析，解決了施工中遇到的技術難題，并形成了相應的施工關鍵技術［39］;重慶市主城區排水工程3#隧道實踐表明［10］，注漿會導致回填土層遇水軟化，需要重點控制注漿導致的地表沉降。

筆者以烏魯木齊地鐵1號線三工站至宣仁墩站區間隧道為背景，通過總結其在人工填土層施工時發生的工程問題，分析隧道失穩的發生原因，優化比選施工方案，確定施工措施、施工工藝及施工支護方案，保障了區間隧道施工的安全與質量。

1 工程概況

烏魯木齊地鐵1號線工程三工站至宣仁墩站區間沿線地貌單元為山前傾斜沖、洪積礫質平原區，卵石層厚度大于40 m，地形平坦，地勢南高北低。區間隧道拱頂埋深為8.8～15.5 m，區間結構均位于V級圍巖砂卵石地層中，區間除下穿出入段及與6號線接軌段采用明挖法施工外，其余均采用暗挖法施工。其中，在YCK21+660～YCK21+750段和ZCK21+480～ZCK21+ 660段存在4～16.3 m厚的人工填土，隧道局部段落拱頂處于填土層中(見圖1)。該段人工填土為取土坑經回填而成，地勘資料顯示回填土中有25%的建筑垃圾及生活垃圾，其余為砂卵石，卵石呈渾圓狀，母巖成分為灰巖、砂巖等，顆粒不均，粒徑2～20 mm的約占10%，20～60 mm的約占40%，60～90 mm的約占10%，90 mm以上的約占5%，其余為雜砂礫及粉黏粒充填，巖芯呈散狀，中密，稍濕。

圖1 人工填土區縱剖面Fig.1 Profile of artificial filled soil area

隧道在該區段施工時先后出現了2次工作面滑塌現象:

1)2015年4月16日17:45，三—宣區間左線橫通道上臺階開挖至28.25 m，準備安裝鋼格柵時，拱頂出現局部滑落，滑落料主要為卵石，顏色呈黃色，卵石表面較為潔凈，粒徑在50～150 mm之間，級配極為單一，滑落方量約2～3 m3，其滑落位置在拱頂中心偏右。橫通道滑落區頂部地表發生輕微沉降，距滑落區3 m左右地表最大沉降速率為21.2 mm/d，累計最大沉降值為22 mm，距滑落區6 m左右地表沉降值未發生顯著變化。

2)2015年7月2日11:05，三宣區間暗挖隧道左線開挖至ZK0+946.058(進尺9.75 m)，上臺階進行噴射混凝土施工時，拱頂突然坍塌。塌落體主要為卵石，表面潔凈，沒有任何膠結物，卵石粒徑為50～200 mm，級配單一，中間夾雜磚塊、蛇皮袋等垃圾，塌落量約18 m3(見圖2)。坍塌范圍內地表瀝青路面出現沉陷，呈鍋底型，面積約為20 m2，最大沉陷深度約為60 cm (見圖3)。

圖2 隧道拱頂坍塌Fig.2 Picture of the collapse of tunnel vault

圖3 地表沉陷Fig.3 Picture of the surface subsidence

2 滑塌原因分析

2.1 巖性分析

2015年7月2日的事故發生后，對坍塌料進行室內篩分實驗，得到實驗結果:大于60 mm的粒料占26.1%，20～60 mm的粒料占72.2%，而小于20 mm的粒料僅占0.7%，不均勻系數為1.9，曲率系數為1.2，砂礫級配不良好。粒徑較為單一，沒有膠結材料，穩定性極差，坍塌時具有一定的流動性。對地表塌陷處揭露發現，塌陷區土體整體下沉，可視地層為垃圾土(含腐殖土、磚塊、塑料制品等)，如圖4所示。

圖4 地表塌陷區地層揭露情況Fig.4 Exposing situation of the surface subsidence area

2.2 無膠結堆石料區圍巖破壞模式

2015年4月16日滑塌事件主要影響地表監測點如圖5所示，監測數據見表1、2。

圖5 地表監測點平面布置Fig.5 Plane layout of surfacemonitoring points

表1 塌陷區及周邊地表監測點沉降值Tab.1 Monitoring points settlement of surface subsidence and the surrounding mm

表2 塌陷工作面相鄰斷面水平收斂Tab.2 Horizontal convergence of ad jacent section of collapse area mm

由表1、表2得出:

1)滑塌發生前，地表沉降速率較小，沒有增大趨勢;滑塌發生后，地表沉降值突然增大，并造成DB 01 38點破壞無法測量，周邊點DB 01 41當天受影響最大，沉降值增量達－21.2 mm;

2)滑塌發生后，洞內水平收斂值無明顯變化，受影響程度極小，說明已支護洞周段圍巖狀態未受到影響。

由以上分析可以得到，三—宣區間隧道穿越人工填土區的地層破壞模式為超前掌子面的不良地質體失穩后涌入隧道(見圖6)，滑塌體為地質突變體，與原地層有明顯的分界面，破壞具有突變性。地質突變導致原施工工藝不適用是造成此次事件的原因，應該對施工工藝進行改進。

圖6 人工填土區失穩模式Fig.6 Instabilitymode of artificial filled soil area

3 施工方案比選

由開挖揭露和地勘結果來看，區間左線隧道自坍塌點(ZJDK0+946.058)～ZJDK1+064.480近119 m范圍、右線隧道自掌子面臨時封閉處(YJDK1+032.230)～YJDK1+070.000近38 m范圍均為人工填土影響區。對這種隧道拱頂為粒徑單一，沒有膠結材料的卵石層，如采用原設計的雙排小導管超前支護措施，其注漿定向效果差，注漿范圍及注漿效果很難控制，再次發生類似坍塌事件的可能性極大。因此，提出了2種施工方案:1)在人工填土影響區采用明挖法施工;2)采取袖閥管地表注漿方式對人工填土進行改良，將拱頂一定厚度范圍內的填土固結，形成具有一定強度的拱殼結構，在拱殼結構保護下進行施工。2種方案的優缺點見表3。

表3 施工方案優缺點Tab.3 Advantages and disadvantages of construction scheme

綜合比較后，確定后續人工填土影響范圍的左右線隧道采取地表袖閥管注漿暗挖法施工。袖閥管注漿平面范圍為右線里程YJDK1+032.000～YJDK1+ 070.000、左線里程ZJDK0+936.308(馬頭門位置)～ZJDK1+064.480，沿開挖線外各3 m，深度范圍為拱腰至拱頂以上5 m范圍，如圖7所示。

圖7 注漿加固剖面Fig.7 Profile of grouting reinforcement

4 袖閥管注漿試驗段設計方案

4.1 注漿范圍

在實施大面積注漿前，首先進行了小范圍注漿試驗。選取在ZK0+956.78～ZK0+966.78范圍內進行地表注漿試驗段施工，并先進行塌陷區的地表注漿，通過塌陷區地表注漿總結優化施工參數，而后在試驗段進行地表注漿驗證。注漿范圍見表4。

表4 塌陷區及試驗段地表注漿范圍Tab.4 Surface grouting range of subsidence area and the test section

4.2 注漿順序

注漿按分區分塊、先四周后中間的順序，注漿采取跳孔施工，自下而上分段注漿，注漿孔布置如圖8所示(紅色點為帷幕注漿孔，黑色點為中間注漿孔)。

4.3 漿液配比方案

4.3.1 配比原則

1)在注漿設備可注能力范圍內，漿液水灰比取小值，最大限度地提高漿液濃度，一方面減小漿液的擴散范圍，另一方面提高早期強度。

AVO是在疊前道集上分析振幅隨偏移距的變化特征來識別巖性及預測油氣。Zoeppritz方程是AVO技術的理論基礎，該方程給出了地震縱波非零角度入射的縱、橫波反射系數及透射系數間的關系。在實際應用中，常常廣泛采用該方程的近似表達式，當入射角較小（θ＜30°）時，縱波反射系數近似與入射角正弦值的平方成線性關系，即Shuey近似公式

2)注漿以填充固結提高土層自穩能力為目的，不需要較高強度。在注漿過程中，漿液會下滲至暗挖掌子面區域，如強度過高會嚴重增大掌子面人工開挖難度。同時，從經濟角度出發，可適當減少水泥用量，摻加部分相對經濟的膠凝材料。

3)周邊帷幕注漿漿液應盡量縮短初凝時間，以便快速形成有效封堵，防止漿液向加固區外大范圍擴散。

4.3.2 內部注漿孔漿液配比

按照配比原則，參照類似工程經驗，注漿采取單液混合漿，其中膠凝材料由水泥、粉煤灰、生石灰組成。在塌陷區地表注漿施工過程中，漿液觀感較濃，可注性較好。單液混合漿配比見表5。

圖8 地表注漿順序Fig.8 Surface grouting order

表5 單液混合漿配比Tab.5 Ratio of single fluid m ixture

4.3.3 帷幕注漿孔漿液配比

對于四周封堵帷幕孔必須加快初凝時間，減少漿液向加固范圍外擴散。因此，在上述單液混合漿配比基礎上，現場摻加水玻璃以縮短初凝時間，用于四周封堵帷幕孔的注漿施工，封堵帷幕孔漿液配合比見表6。4.4注漿過程控制

表6 帷幕注漿孔漿液配比Tab.6__ Ratio of curtain grouting slurry

4.4.1 分段注漿

注漿試驗之初，現場設計以注漿壓力發生顯著變化作為分段提管或終止注漿指標。如初始注漿壓力為1.0 MPa，當注漿壓力提升至1.2～1.5 MPa后，再持續注10min，則提管或終止注漿。塌陷區地表注漿前期部分注漿孔采取了壓力顯著提升作為分段提升或終止注漿指標，但在施工過程中，各孔初始壓力在0.2～1.0 MPa之間不等，差異較大，單孔壓注持續近一個作業班次的時間未見注漿壓力顯著提升，并且出現加固孔位5 m以外的地表裂縫冒漿的情況。

坍塌段地表注漿初步試驗表明，因土層空隙率大，以注漿壓力顯著提升作為控制指標會使漿液在松散地層中大范圍擴散而造成浪費。鑒于此，現場注漿泵隨即采取大流量低壓力的檔位進行，對單孔注漿以理論注漿量為控制依據，并采取間歇性注漿。

1)四周封堵帷幕孔。封堵帷幕孔間距為1 m，各孔注漿體必須形成有效搭接方能起到封堵作用，按搭接15 cm計，單孔理論擴散半徑為0.65 m，則單孔每延米耗漿量為

式中，r為注漿擴散半徑，0.65 m;n為土層孔隙率，取0.42(取自坍塌料室內土工試驗報告);β為漿液填充系數，砂卵石取0.8;α為漿液損耗系數(漿液會流失至加固區域平面、深度范圍以外)，《隧道施工規范》規定其取值在1.1～1.4之間，本工程試驗段因孔隙率大，取大值1.4。

2)中部注漿孔。中部注漿孔間距為1 m，不考慮搭接，理論影響半徑為0.5 m，則單孔每延米耗漿量為

3)間歇注漿過程控制。先進行四周封堵帷幕孔的間歇性注漿，再進行中間孔的間歇性注漿。

為方便現場計量控制，在操作過程中注漿量盡量以每桶實際拌漿量的倍數控制。四周封堵帷幕孔第1次注漿以理論注漿量的80%進行控制，中間孔注漿孔第1次注漿以理論注漿量的70%進行控制。單孔注漿完成后，采用清水進行洗孔，將袖閥管內的漿液沖出，防止管內積漿凝固而影響第2次注漿。

在四周封堵帷幕孔或中間孔的第1次注漿全部完成后，重新在袖閥管內下放注漿器進行第2次注漿，四周封堵帷幕孔第2次注漿以理論注漿量的20%進行控制，中間孔注漿第2次注漿以理論注漿量的30%進行控制。

4.5 注漿工藝

鉆孔采用ф157 mm鋼制護管跟管干式鉆進，成孔直徑為150 mm。成孔后，在套管內下入袖閥管，袖閥管露出地面30 cm左右，注入套殼料，套殼料采用膨潤土現場配置，配比(重量比)為水泥∶粉性黏土∶水=1∶1.5∶2。套殼料注滿后，快速拔出套管，然后連接注漿設備注漿。注漿結束后采用1∶2水泥砂漿封口，封口的長度應保證在1.5 m以上。

袖閥管施工工藝流程如圖9所示。

圖9 袖閥管施工工藝流程Fig.9 Procedure of sleeve valve pipe construction technology

5 注漿效果檢驗

上述兩組配比的漿液在塌陷區及試驗段進行了應用。經跟管引孔和開挖情況驗證，2組漿液均能滿足加固要求。

5.1 跟管引孔檢驗加固效果

對塌陷區地表注漿區域進行了跟管引孔檢驗加固，效果如下:

1)對比加固前后的引孔施工可知，加固前單節1.5 m長鉆桿鉆進僅需10 s，期間存在掉鉆情況;加固后成孔難度加大，單節鉆桿需60～80 s，同時在引孔過程中存在抬鉆情況。

2)對比加固前后出渣情況可知，加固前引孔基本不出渣或出渣較少;加固后引孔出渣較多，渣樣表面黏附有水泥等黏結料，土層密實度有了顯著提高。

3)引孔后拔出護管前，對引孔深度進行了實測，而后對加固深度范圍內的護管進行了拔除，間隔30 min后，再次實測孔深，孔深未變化，說明孔壁土體自立性較好。

4)孔內拍攝圖像顯示(見圖10)，加固區孔壁較為光滑，可見明顯加固漿脈。

圖10 鉆孔壁Fig.10 Drill hole wall

5.2 塌陷區隧道開挖過程加固效果檢驗

掌子面開挖進入原狀土后，拱頂以上袖閥管周邊可見明顯的注漿固結體，卵石全部被固結成塊(見圖11)，拱頂以下掌子面1～2 m范圍內亦可見明顯注漿固結體，部分固結體仍有一定的可塑性，但已將周邊土體固結成整體，可滿足暗挖施工要求。

6 開挖支護方案及專項措施

6.1開挖支護方案

塌陷區暗挖采用正臺階預留核心土法，初支參數見表7。

表7 塌陷區初支參數Tab.7__ Primary support param eters of collapse area

6.2 專項措施

1)為加快初支封閉速度，減少圍巖暴露時間，同時減小打設小導管對拱頂土體的擾動，格柵架設完成后，在超前小導管打設部位預留PVC導向管，而后對除核心土之外的工作面和掌子面噴砼封閉。在噴砼形成強度后，再進行超前小導管的打設及注漿施工。

2)加固范圍內注漿體的均勻性不甚理想，有些部位注漿體強度較高，而局部注漿體強度尚未完全形成。為此，采取如下針對性措施:

在開挖前，沿拱頂傾斜向上進行人工開挖探孔，一方面掌握掌子面及拱頂一定范圍的加固情況;另一方面，局部暴露加固體，通過隧道內的通風系統改善養護條件，提高塑性注漿體強度。

掌子面開挖后，根據加固效果，動態調整小導管的布置。對拱頂注漿體已形成強度的區域，可適當減少小導管。對拱頂局部加固不均勻或尚未形成一定強度的區域應加密小導管布置。

7 結論

針對烏魯木齊地鐵1號線三工站—宣仁墩站區間隧道施工難題，提出了一套適用于淺埋隧道穿越無膠結卵石區段的施工技術，其中袖閥管地表注漿措施是穿越工程的關鍵技術。經跟管引孔和圍巖揭露情況檢驗結果證明，袖閥管注漿方案可控制注漿范圍并保證注漿質量，大大增強了土體的穩定性。

目前，區間隧道已順利通過該人工填土區段，說明研究提出的袖閥管注漿方案、正臺階預留核心土法、支護方案和專項措施等適用于該地層隧道施工，達到了安全施工的目的，為隧道穿越以無膠結卵石為主的人工填土區施工積累了經驗、提供了技術保障。

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(編輯:郝京紅)

Construction Technology of Metro Tunnel Crossing Artificially Filled Pebble Stratum

WAN Fei1，ZHANG Xuchang2，TENG Haibo3
(1.Research Institute of Highway，Ministry of Transport，Beijing 100088; 2.Xinjiang Beixin Road＆Bridge Group Co.，Ltd.，Urumqi830011; 3.Shanghai Foundation Engineering Group Co.，Ltd.，Shanghai200002)

Instability has occurred formany times when the tunnel from Sangong Station to Xuanrendun Station in Line 1 of UrumqiMetro passed through the areaw ith artificially filled pebble soil.The original construction schemewasmodified to solve the instability.It is proposed that the surface sleeve valve pipe groutingmethod of underground construction should be adopted，and the grouting order，ratio of grouting material，grouting process control，excavation method，support scheme and special measure were determ ined.It proved that the surface sleeve valve pipe groutingmethod of underground construction can significantly reinforce soil，and the risk of tunnel instability，appearing in the stage of excavation and supporting，was greatly reduced w ith grouting pre-reinforcement.

metro tunnel;artificial filled soil;pebble;sleeve valve pipe grouting

U231.3

A

1672- 6073(2017)02- 0063- 07

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.013

2016- 11 02

2016 11 21

萬飛，男，博士，助理研究員，主要從事隧道及地下工程方面研究，dyw f5167@163.com

中央級公益性科研所基本科研業務費專項資金項目(2016- 9014)