地鐵暗挖隧道穿越滯水層綜合施工技術研究

陳 雷

(濟南軌道交通集團有限公司,濟南 250100)

0 引言

隧道工程的前期勘察、論證往往難以全面反映施工過程中圍巖結構的實際力學狀態,尤其是在圍巖性質較差的隧道工程中,需對結構進行實時監控觀測,收集開挖、支護過程中結構各部分所發生的應力及變形情況,在此基礎上針對性地選擇支護方案及施工工藝,確保支護結構的穩定可靠。某地鐵2號線右線長12.4 km,左線長12.8 km,覆土厚度9.8～18.5 m。在第一區段中間設兩處施工豎井及橫通道兼聯絡通道,1號施工豎井及橫通道、泵房位于右DK6+250處,2號施工豎井及橫通道位于右DK5+870處,暗挖施工以此兩處豎井作為施工面開展。在1號豎井工區左線和右線小里程段施工至DK6+200,遇到較大上層滯水,如圖1所示。

圖1 地鐵隧道及車站與地下水層位關系Fig.1 Relationship between subway tunnel and station’ and groundwater level

1 暗挖穿越滯水層施工方案及重難點

由于黏土層為不透水層,不透水層上沿依靠降水井不易完全排干地下水,因此黏土層上沿與砂層交界處會存在一層滯水,即形成了滯水層。當黏土層在隧道作業范圍內,而滯水層位于隧道開挖起拱線以下時,拱部開挖不受滯水影響,按照原設計即可保證開挖安全,而側墻仰拱開挖時,受滯水影響,需進行引排,因此滯水層位置在起拱線以下采用洞內引排措施進行施工。按照原設計采用單排小導管超前支護,增加洞內導流措施。

管線滲漏。區段地面狀況為車站西門約200 m處存在一道DN600的雨水管線,是區間降水井排水的主要輸出管道,管線內水量幾近滿管。經調查,該管線為老舊管線,必然大范圍滲漏,如不做處理,將增加大量滯水,增加施工風險,而此處管線管徑小,管內淤泥多,占道手續繁瑣,做管線內襯的條件苛刻。

滯水導流工作量大。1號井工區根據第一區段的經驗均為滯水層在隧道斷面水平中線之上,黏土層為夾層,隧道底部為中粗砂,具有一定的透水性,而該區段主要措施為導流開挖,底部土層的透水性大大減少了導流的工作量。而新增工區第一區段大部分隧道斷面底部仍為黏土層,滯水無法通過底部滲透,所有滯水均需要導流,為施工帶來了大量導水方面的工作,且隧道延開挖方向為下坡,滯水均會流向正在開挖的掌子面方向,對于仰拱開挖及支護施工有著非常大的影響,處理不好將會嚴重制約施工進度,甚至導致無法施工。

2 施工方案優化

2.1 局部深孔注漿

由于黏土層為不透水層,不透水層上沿依靠降水井不易完全排干地下水,因此黏土層上沿與砂層交界處會存在一層滯水,即形成滯水層。當滯水層位置在拱部下1 m以上至超前探測有水范圍,拱部開挖風險變為最大,拱部穩定性最差,滯水直接沖刷拱部土體造成塌方的可能性最大,拱部不但需阻止水流,還需具備一定強度,避免阻水水壓增加造成突然涌水,如圖2所示。

圖2 半斷面深孔注漿Fig.2 Half-section deep hole grouting

1號井工區施工至第二區段,滯水層上移至隧道起拱線以上,按照已通過的滯水層施工優化方案,采用雙排小導管進行注漿加固,起到了很好的效果,但是隨著滯水層相對隧道開挖面的繼續上移,滯水層距隧道頂部距離逐漸減小,施工風險變大,在第三區段進入半斷面深孔注漿階段。

局部深孔注漿是考慮開挖斷面上層滯水較豐富,為避免滯水沖刷導致大面積流砂坍塌事故的發生,對隧道斷面周圈局部滯水較大的部位進行封堵,達到安全開挖的目的。

2.1.1 局部注漿加固范圍

滯水層水流較大部位在黏土層與砂層交界面隧道開挖斷面兩側,對左上角與右上角的地層交界面做局部封堵即可阻止較大水流的沖刷,在左右上角各注處1 m×1.4 m的范圍,注漿處必須咬合至少20 cm黏土層,以保證交界面不漏水,加固范圍如圖3所示。

圖3 局部深孔注漿范圍Fig.3 Local deep hole grouting range

采用磷酸和水玻璃雙液漿,注漿時雙液漿發生化學反應,形成塊狀物體將上層滯水強迫擠出,達到止水的效果。采用水泥漿和水玻璃雙液漿,使顆粒間的空隙充滿漿材并使其固結達到改良土層性狀的目的。其噴漿特性是令該土層黏結力、內磨擦角值增大,從而使地層黏結強度及密實度增加,起到加固作用。

2.1.2 效果評價

從開挖效果來看,由于黏土層上方砂卵層自身較好的穩定性,加之兩側局部深孔注漿與雙排小導管加固措施后,兩側水流大量變小,掌子面穩定,可達到安全開挖效果。各測點趨于穩定(見圖4),累計地面沉降量最大值為3.39 mm、累計拱頂下沉為0.86 mm、結構收斂為0.99 mm。正常開挖作業一天可完成兩榀累計1 m,此種注漿由于所需漿液較少,且打孔、注漿都可與小導管同步進行,注漿時間短,不占用正常工期。根據1號井現階段經驗,洞內深孔注漿操作每循環開挖8 m大約用20 d,平均每天進尺僅0.4 m。對比來看,采用局部深孔注漿+雙排小導管方法施工大大提高了工作效率,因此在條件允許的情況下優先選取。

圖4 局部深孔注漿結構變形結果Fig.4 Deformation results of local deep hole grouting structure

從局部深孔注漿+雙排小導管加固來看,掌子面流水大量減少,穩定性較好。由于開挖面后方預留泄水孔,大大減少了掌子面的水壓力,又通過局部深孔注漿阻隔了掌子面剩余水流,再采用雙排小導管加之砂卵層自身良好的穩定性,可達到穩定開挖效果,開挖過程可控。從開挖后的監測數據來看,各方面數據包括地面沉降、拱頂下沉及結構收斂等都在合理范圍,整體效果良好。從開挖進度來看,相較洞內深孔注漿有著很大的優勢。

2.2 地面深孔注漿

2.2.1 深孔注漿方案

隨著滯水層的繼續上移,局部深孔注漿法無法阻擋上部滯水侵入,注漿不能滿足施工需要,按照1號井科研成果,不得不采用洞內深孔注漿方法,但考慮洞內深孔注漿工期長,進度緩慢,加之隧道線路進入建筑工地內,隧道上方場地寬闊,周圍無任何建筑物,地面條件良好,經研究,施工時參考區間穿越雜填土注漿方案,選用地面深孔注漿加固施工。

綜合試驗段前期施工經驗及土質特點,改善雜填土特性是保證暗挖施工正常、安全開挖的必要措施,考慮綜合因素,決定在試驗段范圍內地面進行深孔注漿。加固范圍以前期施工經驗為依據,以阻隔滯水層影響范圍內滯水為主要目的,確定地面深孔注漿范圍。

2.2.2 效果評價

由于地面深孔注漿能將隧道上方土體固結,大大減少了滯水沖刷風險,能阻隔大部分滯水水流,減小洞內開挖風險,開挖過程中掌子面穩定,可達到安全開挖效果。目前各測點已趨于穩定(見圖5),累計地面沉降量最大值為2.32 mm、域累計拱頂下沉為2.09 mm、結構收斂為1.27 mm。洞內深孔注漿需在洞內進行,注漿期間開挖作業必須停止,而地面深孔注漿可保證洞內連續作業。目前,正常作業一天可完成兩榀累計1 m,相較洞內深孔注漿,大大提高了施工效率。

圖5 地面深孔注漿結構變形結果Fig.5 Deformation results of ground deep hole grouting structure

從地面深孔注漿效果來看,掌子面流水大量減少,穩定性較好,可達到穩定開挖效果。開挖過程可控,從開挖后的監測數據來看,各方面數據包括地面沉降、拱頂下沉及結構收斂等都在合理范圍,整體效果良好。從開挖進度來看,開挖速度較洞內深孔注漿提高了2.5倍。

3 結束語

不良地質給地鐵隧道工程施工及安全運營帶來了風險,增加了施工與運營成本。針對地鐵暗挖隧道施工過程中穿越滯水層的情況提出應對措施,采用深孔注漿技術,對隧道結構進行加固。根據加固效果可以看出,地面沉降、拱頂下沉及結構收斂均在合理范圍,整體效果良好,開挖加速加快,提升了施工效率及施工質量,為其他類似復雜地層暗挖施工提供了參考,具有一定的實用價值。