廈門過海隧道超前帷幕注漿方案優(yōu)化研究

陽 云， 李廣躍

(1. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來，采用水下交通隧道方式跨越江河湖海逐漸成為發(fā)展趨勢。鑒于工程地質的特殊性和多樣性，穿越軟弱不良地質段是海底隧道工程施工成敗的關鍵，也是急需解決的技術難題，而其本質是加固圍巖、防水堵水的問題[1]。超前帷幕注漿是加固堵水的最有效方法之一，結合典型工程對注漿技術的研究仍在不斷開展。

目前，我國規(guī)劃并建設了多個重要水下隧道工程，積累了寶貴的技術管理經驗，同時也為水下隧道注漿技術提供了發(fā)展的機遇和研究平臺。文獻[2-3]研究了海底隧道突水機制及流固耦合理論，得出注漿圈堵水效果與其厚度相關，且注漿圈厚度與其滲透系數成正比，并系統(tǒng)分析了注漿加固圈厚度對地層沉降的影響關系，據此提出海底隧道不良地質段的地層加固范圍；文獻[1,4]結合國內外研究案例及成果，對水下隧道建設，尤其是廈門海底隧道的關鍵技術難題進行了分析和討論，得出全斷面帷幕注漿是海底隧道施工最為現實的輔助工法；文獻[5-9]結合不同的工程地質特點，開展試驗并確定了不同的注漿工藝和注漿參數，綜合看來全斷面超前預注漿處理軟弱地層效果良好，但注漿過程中要嚴格控制注漿工藝和注漿參數，注漿工藝以前進式分段注漿為主，可結合后退式注漿；文獻[10-12]依托廈門典型水下隧道工程對全斷面注漿方案、海水對漿液強度影響、降水注漿結合施工等進行了一定研究，結果表明，海水減緩漿液強度上升并加劇漿液稀釋及其不均勻擴散，在砂層富水段可采用地下連續(xù)墻或降水井控制地下水，與隧道內采用超前預注漿固結結合后再進行施工；文獻[13-15]研究了相關注漿效果評價方法及其應用，現場以分析法為主，主要采用了p-q-t曲線法、涌水量對比法和漿液填充率反算法等。

綜上所述，過海隧道穿越的不良地質條件多樣，考慮重點不盡相同，從而注漿方案、效果各異，沒有形成一套明確的注漿方案優(yōu)化思路，更無法直接使用以指導現場施工。本文依托廈門地鐵3號線本島至翔安過海隧道工程，針對現場不均勻軟弱圍巖條件，結合前人的研究成果和施工經驗，不僅僅局限于驗證原有設計方案的合理性，而是從整體上根據現場實際應用情況，按照“減少鉆孔、配套優(yōu)化”思路，結合多種檢驗方法，對方案更改過程中一系列關鍵性措施實施后的應用效果進行綜合評價，以達到快速指導施工的目的。

1 工程概況

廈門本島至翔安過海隧道工程(五緣灣站—會展中心站區(qū)間)，線路起自五緣灣站，沿既有鐘宅路向東下穿廈門東海域后，接入翔安側會展中心站，區(qū)間起終點里程為右線4 908.708 m、左線4 918.809 m，采用盾構+鉆爆法分段施工，如圖1所示。其中，斜井陸域暗挖段以Ⅴ級圍巖為主，水源豐富，為保證結構施工安全，對斜井段XDK0+236～+400段采用超前帷幕注漿進行加固，長度164 m。

1.1 工程地質

根據工程地質勘查資料，斜井陸域段地層依次為雜填土，填砂，淤泥，殘積砂質黏性土，全、強、微風化花崗巖層；海域段位于全、強、微風化花崗巖層。工程注漿區(qū)間地質縱剖面圖見圖2。

圖1 廈門過海隧道工程地理位置示意圖

圖2 工程注漿區(qū)間地質縱剖面圖

其中，全風化花崗閃長巖特征為： 褐黃色為主，局部灰白色，巖體風化嚴重，結構基本破壞，除石英外，其余礦物均已風化成黏土礦物，干鉆易鉆進，巖芯呈黏性土混石英質礫石狀。散體狀強風化花崗閃長巖特征為： 褐黃色為主，局部灰白色，巖體結構大部分破壞，局部尚可辨認，除石英外，大部分礦物已風化變異，礦物間聯結力散失，干鉆可鉆進，巖芯呈密實礫砂含黏粒狀。

1.2 水文地質

陸域廈門島內側地下水主要受大氣降水的補給，向海域排泄，屬于潛水，勘察期間地下水位高程為0.73～3.43 m；上更新統(tǒng)沖洪積砂層松散巖類孔隙水、風化基巖孔隙裂隙水及基巖裂隙水具承壓性，承壓水位埋深7.0 m，高程在-1.30 m左右。

2 注漿方案設計

針對該工程不良地質地段的工程地質和水文地質情況，類比以往施工經驗，初步制定“99孔-25m”注漿方案： 1)超前預注漿徑向加固范圍為工作面及開挖輪廓線外5 m，縱向加固范圍為25 m，在13 m處增加1個補孔注漿斷面以減少注漿盲區(qū)(見圖3)； 2)注漿順序按“由外到內、由上到下、間隔跳孔”的原則進行，以達到分區(qū)注漿、控制加固的目的； 3)采取注漿p-q-t曲線分析、注漿前后涌水量對比和反算注漿后地層漿液填充率等方法對注漿效果進行評價。注漿設計參數和注漿材料配比如表1和表2所示。

圖3 “99孔-25 m”設計注漿方案示意圖(單位： m)

Fig. 3 Sketch of design grouting scheme of "99 holes and 25 m of longitudinal reinforcement range" (unit: m)

表1 注漿設計參數

表2 注漿材料配比

注漿采用前進式分段注漿工藝，相比于一次性注漿和鉆桿后退式注漿而言，加大了掃孔工作量，但對于海底隧道特殊高風險地層，需實時掌握前方地層情況，其注漿量更大，加固效果更好，且分段逐步推進，安全系數更高。

3 注漿問題及優(yōu)化過程

通常情況下，注漿鉆孔方案的優(yōu)化僅限于調整局部施工工藝和注漿參數。本項目中，由于初定注漿設計方案過于保守，在施工過程中效率低下，嚴重影響了后續(xù)工序的開展和相關工程的進度，需要在短時間內完成注漿方案優(yōu)化，尤其是鉆孔數量和加固段長；其中，鉆孔數量由布孔方案、加固段長以及現場情況等綜合確定。注漿方案在實施過程中根據現場情況動態(tài)調整(見表3)，待應用效果穩(wěn)定后確定最終實施方案。此次超前注漿過程共9個循環(huán)，至第5循環(huán)得到最佳優(yōu)化注漿方案，順利完成工程目標。

表3 不同循環(huán)優(yōu)化方案匯總

4 優(yōu)化措施及效果分析評價

4.1 優(yōu)化措施

4.1.1 鉆孔數量

注漿方案中的鉆孔數量經歷2次調整，其根據加固范圍和擴散半徑計算的理論孔數為72孔，第1循環(huán)為更好地填充初始孔隙，提升安全系數，增加至鉆孔數量為99孔；之后根據開挖效果，調整回72孔；第4循環(huán)開始，為提高施工進度，將加固區(qū)范圍由圓形優(yōu)化為隧道輪廓線形狀(見圖6和圖7)，在漿液擴散半徑保持不變的情況下，通過終孔交圈計算，進一步減少孔數至56孔。

圖4 噴射混凝土止?jié){墻開裂漏漿

圖5 注漿壓力稍大致使地面開裂

圖6 “72孔-30 m”注漿方案示意圖(單位: m)

Fig. 6 Sketch of design grouting scheme of "72 holes and 30 m of longitudinal reinforcement range" (unit: m)

圖7 “56孔-25 m”注漿方案示意圖(單位: m)

Fig. 7 Sketch of design grouting scheme of "56 holes and 25 m of longitudinal reinforcement range" (unit: m)

4.1.2 鉆孔布置

超前注漿的布孔斷面大小和加固斷面形狀在一定程度上決定了工作量和工作效率。將全斷面布孔改為半斷面布孔，加固斷面由圓形改為馬蹄形，在保證注漿區(qū)域的情況下，不需要調節(jié)注漿平臺高度，提高鉆孔和注漿效率，每循環(huán)節(jié)省調整注漿平臺時間3 d。

4.1.3 加固長度

優(yōu)化期間嘗試加固長度為30 m，增加循環(huán)進尺，但加固長度過長使得鉆孔過深，鉆孔效率降低，塌孔現象增加；最終設計加固長度為25 m，其綜合施工(鉆孔+注漿+開挖)速度最快。

4.1.4 止?jié){墻設計

在過海隧道施工中，為防止圍巖地下水和注漿漿液泄露，需設計止?jié){墻，其強度應能夠承受注漿壓力和地下水壓。根據施工情況，原設計噴射混凝土止?jié){墻厚1.5 m，存在開裂漏漿現象，后改為模筑混凝土，厚2 m，既保證了止?jié){墻的強度，又沒有因為厚度過大而降低鉆孔效率。

根據NB/T 51030—2015《煤礦井巷工作面注漿工程施工與驗收規(guī)范》[16]第6.5.3條，單級平面型混凝土止?jié){墻厚度計算公式如式(1)所示。原設計計算厚度為2 m，但由于地質條件的不均勻性，現場存在開裂現象，為保證設計質量和安全，提高計算安全系數，更改后計算厚度為3 m。

(1)

式中：B為混凝土止?jié){墻厚度，m；K為安全系數，一般取1.0～2.0；ω為作用在墻上的荷載，N；b為止?jié){墻厚度，m；h為巷道高度，m； [σ]為混凝土允許抗壓強度，MPa。

由于止?jié){墻臺階局部存在輕微開裂現象，按照止?jié){墻厚度更改思路，相應增加了嵌固深度。

4.1.5 注漿工藝補充

采用分段前進式注漿，孔前段注漿質量易保證，但掃孔工作量大，塌孔后質量不易控制，因此，在各孔均使用PVC套管輔助孔底注漿，在富水段采用鋼管，且提高注漿漿液中雙液漿的比例至50%。

4.1.6 配套機械

施工期間，1臺鉆機24 h連續(xù)作業(yè)，2臺注漿機24 h連續(xù)平行作業(yè)，快速掃孔注漿；設立專職人員，制定專項設備保養(yǎng)方案，防止海水腐蝕，保證設備正常運轉；在全斜井112 d作業(yè)時間內，僅中斷50 h。

4.2 注漿效果

4.2.1p-q-t曲線分析

注漿p-q-t曲線區(qū)域(見圖8)中設計終壓即為最終設計注漿壓力，由于現場注漿過程中注漿壓力p和注漿速度q均存在一定范圍的變化，圖中曲線實際為變化范圍的最小值和最大值，為“區(qū)域”邊界線。具有分析意義的，是由實測數據得到2條虛線構成的q-t區(qū)域及2條實線構成的p-t區(qū)域，其發(fā)展趨勢分別代表了注漿過程中注漿壓力p和注漿速度q的發(fā)展。圖中注漿壓力p達到設計終壓，且總注漿量達到設計注漿量，才可認為一次注漿作業(yè)保質保量完成。

由此來看，開始時注漿壓力在1～2 MPa，注漿速度在35～65 L/min；隨著施工進行，注漿壓力呈曲線上升，逐漸達到設計終壓2.5 MPa，克服地層初始應力和抗拉強度，發(fā)生劈裂后進行注漿，同時注漿速度亦成曲線,明顯下降至15～25 L/min。

圖8 實測注漿p-q-t區(qū)域圖

4.2.2 涌水量對比法

通過對比注漿前后涌水量(見圖9)，簡單直觀地對注漿堵水效果進行評價。由圖可知： 注漿堵水效果明顯，涌水量降低85%以上；自第5循環(huán)注漿方案穩(wěn)定后，涌水量降低90%以上，說明優(yōu)化效果明顯，既能保證注漿質量，又能提高施工效率。

圖9 每循環(huán)注漿前后涌水量對比

Fig. 9 Comparison of water inflow per cycle before and after grouting

4.2.3 漿液填充率反算法

通過統(tǒng)計單個循環(huán)的注漿量，可根據式(2)反算出漿液填充率，見表4；進一步，可通過漿液填充率大小評定注漿效果。

Q=V·n·α·(1+β)。

(2)

式中：Q為注漿量，m3；V為加固圍巖體積，m3；n為地層孔隙率或裂隙度(注漿段巖性不均，存在弱風化巖層，地層實際孔隙率及裂隙度難以把握，且水源充足，故此處取含水率)，%；α為漿液填充率；β為漿液損失率。

表4 各循環(huán)漿液填充率

根據計算結果得到漿液填充率均高于80%，滿足要求；尤其在含水率較高區(qū)域(第3到第6循環(huán))，漿液填充率達到90%左右，有效保證了工程質量及安全。注漿效果如圖10所示。

(a)

(b)

4.3 施工效率

通過一系列優(yōu)化工藝措施，施工效率明顯提升。如圖11所示，隨著注漿方案的不斷優(yōu)化，從第1到第5循環(huán)，掃孔效率和注漿效率總體上不斷提高，掃孔效率提升至200 m/d以上，注漿效率提高3倍以上；第8、9循環(huán)地質情況相對良好，掃孔量和注漿量大大減少。與此同時，綜合施工速度不斷提高，如圖12和13所示。第6循環(huán)因為金磚會議，開挖進尺有限，除去第6循環(huán)，平均達到1.72 m/d，是原設計方案施工速度的2倍。

圖11 優(yōu)化過程施工效率變化

Fig. 11 Variation of construction efficiency in process of optimization

圖12 各循環(huán)作業(yè)時間和開挖進尺

圖13 各循環(huán)綜合施工速度

5 結論與建議

1)廈門地鐵3號線過海隧道注漿項目圍巖為全、強風化花崗閃長巖，含水率高且有豐富水源，采用分段前進式超前預注漿進行加固堵水，加固范圍為工作面及開挖輪廓線外5 m。

2)針對現場施工存在的問題，在原有“99孔-25 m”注漿方案基礎上進行優(yōu)化，使用模筑混凝土止?jié){墻，鉆孔數量由99孔減至56孔，加固長度設計為25 m，一次性施作注漿平臺，使用鋼管輔助孔底注漿，配合機械化無間斷施工，大大提升了鉆孔和注漿效率，掃孔效率提升至200 m/d以上，注漿效率提高3倍以上，綜合施工速度平均達到1.72 m/d，是原設計方案施工速度的2倍。

3)應用優(yōu)化后注漿方案，涌水量降低90%以上，漿液填充率均高于80%，滿足要求；尤其在含水率較高區(qū)域，漿液填充率達到90%左右。

4)超前帷幕注漿方案的設計關系著工程質量，同時與工程經濟也緊緊聯系；方案優(yōu)化應在保證工程質量安全的基礎上，節(jié)約施工成本。其中，“減少鉆孔、配套優(yōu)化”是一個主要優(yōu)化方向，但應因地制宜，根據不同地質情況和施工條件，選擇相應的優(yōu)化措施，最終可以進一步通過數據統(tǒng)計分析，量化研究典型地層中各個優(yōu)化措施的應用效果。

5)過海隧道環(huán)境特殊，需要注意設備的日常保養(yǎng)，同時針對海水對注漿材料、注漿效果的影響進行更深入的研究。