砂卵石地層淺埋暗挖隧道超前深孔注漿加固技術(shù)研究

劉小勇

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引 言

隨著城市建設(shè)速度加快，地面建筑日益密集，市政管網(wǎng)分布越來(lái)越復(fù)雜，為避免管線反復(fù)拆遷、減小地下管線對(duì)周邊環(huán)境、社會(huì)交通的影響，城市綜合管廊建設(shè)成為首選方案；但其施工建設(shè)普遍存在周邊環(huán)境復(fù)雜、工程地質(zhì)條件特殊及施工風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)。所以，保證管廊工程施工安全質(zhì)量，減小對(duì)既有城市道路影響對(duì)城市綜合管廊建設(shè)具有重要意義。本文以北京地鐵六號(hào)線西延市政管線條件預(yù)留工程八大處路-楊莊路綜合管廊為例，對(duì)砂卵石地層條件下淺埋暗挖法施工的城市綜合管廊超前深孔注漿預(yù)加固技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

八大處路-楊莊路綜合管廊L2段總長(zhǎng)540 m，采用淺埋暗挖工法施工，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。初襯結(jié)構(gòu)為鋼筋格柵+350 mm厚噴射混凝土，二襯結(jié)構(gòu)為模筑防水混凝土，初襯與二襯之間設(shè)置柔性卷材防水層。該段管廊處于八大處路、蘋(píng)果園南路、楊莊東街等城市主干道路下方，下穿大臺(tái)鐵路、多條現(xiàn)狀市政管線或管溝隧道，對(duì)施工中的坍塌控制、地表沉降控制及管線安全防護(hù)要求較高。

圖1 八大處路-楊莊路綜合管廊平面圖

為防止管廊開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)道路、現(xiàn)有管道變形過(guò)大，本工程開(kāi)挖前需要對(duì)地層進(jìn)行超前深孔注漿加固。一方面保證開(kāi)挖過(guò)程中掌子面的土層不會(huì)出現(xiàn)大面積坍塌，另一方面有效地對(duì)管道可能存在的滲漏水進(jìn)行提前封堵，確保管廊開(kāi)挖施工安全。

本文選取其中八大處路～楊莊路下穿既有臺(tái)大鐵路段深孔注漿為研究對(duì)象。

1.1 下穿鐵路段工程特點(diǎn)

大臺(tái)鐵路是京張鐵路的輔助鐵路，本工程下穿處大臺(tái)鐵路為呈東西走向，為雙線非電氣化鐵路，兩股道鐵路均為路基段，線中心間距4.0 m。北側(cè)股道為大臺(tái)鐵路正線，南側(cè)股道為大臺(tái)鐵路預(yù)留線鐵路。管廊距離道口結(jié)構(gòu)凈距約10 m，西井道口為現(xiàn)狀楊莊東街與大臺(tái)鐵路平交位置。現(xiàn)狀楊莊大街為石景山區(qū)南北交通要道，車(chē)行、人行繁忙，斷路施工難度大。

圖2 下穿大臺(tái)鐵路平面圖

管廊下穿鐵路段由北向南開(kāi)挖，采用CRD法開(kāi)挖。隧道開(kāi)挖前須對(duì)開(kāi)挖洞體頂部的地層進(jìn)行深孔超前注漿加固，以保證土體的穩(wěn)定及減少地表沉降。深孔注漿前需要在掌子面設(shè)置噴射混凝土止?jié){墻，厚度300 mm，并設(shè)雙層φ8@150×150鋼筋網(wǎng)，深孔注漿每循環(huán)施工長(zhǎng)度10 m，搭接2 m。深孔注漿壓力控制在0.2～0.8 MPa，嚴(yán)格控制注漿壓力，調(diào)整好注漿管打設(shè)角度和長(zhǎng)度，加強(qiáng)對(duì)周邊環(huán)境的監(jiān)測(cè)及巡視，不得損傷既有管線或其他建構(gòu)筑物。

1.2 工程地質(zhì)情況

場(chǎng)地內(nèi)地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層雜填土，沖洪積層粗圓礫土。各地層巖性由新至老分述如下：

第四系全新統(tǒng)人工堆積層為①1雜填土：雜色，潮濕，松散-稍密，以路基土為主，含大量磚渣、碎石等，層厚1.3～1.8 m，Ⅱ級(jí)普通土。

第四系全新統(tǒng)沖洪積層為⑤2粗圓礫土：雜色，潮濕，中密，一般粒徑40～60 mm，亞圓形，粒徑大于20 mm顆粒約占總質(zhì)量的60%，中粗砂填充。

2 超前深孔注漿加固技術(shù)

2.1 注漿機(jī)制分析

超前深孔注漿是采用靜壓方式進(jìn)行注漿，漿液在注入地層的過(guò)程中，漿液與地層兩者之間發(fā)生填充、擠壓、擴(kuò)散、防滲、骨架、離子交換等幾種加固效應(yīng)。

注漿加固與其他加固方法相比有明顯的優(yōu)點(diǎn)：

① 施工設(shè)備簡(jiǎn)單、占地面積小，狹窄場(chǎng)地和矮小空間均可施工；

② 施工振動(dòng)和噪聲小，對(duì)環(huán)境影響?。?/p>

③ 加固深度可深可淺，易于控制。

注漿方式主要分為三種：滲透注漿、劈裂注漿及壓密注漿。三種注漿方式如圖3所示。

圖3 三種注漿方式示意圖

2.2 模型建立

綜合考慮地質(zhì)、埋深、與鐵路夾角因素，采用MIDAS GTS NX軟件對(duì)管廊隧道下穿大臺(tái)鐵路建立三維數(shù)值模型，如圖4所示，進(jìn)行模擬分析。

圖4 管廊下穿大臺(tái)鐵路三維數(shù)值模型

計(jì)算結(jié)果：

管廊施工過(guò)程對(duì)地表產(chǎn)生一定程度的附加變形，區(qū)間隧道采取洞內(nèi)深孔注漿措施，結(jié)構(gòu)拱頂及側(cè)墻外邊緣2.5 m注漿加固，內(nèi)側(cè)0.5 m范圍加固，根據(jù)開(kāi)挖步序掌子面豎向2 m加固，提高地層強(qiáng)度，控制下穿鐵路路基沉降。施工中嚴(yán)格控制土壓力、控制注漿量，應(yīng)由外向內(nèi)注漿，防止注漿壓力帶來(lái)地表隆起，漿液采用單液漿注漿加固，控制下穿鐵路路基沉降。

洞周+洞內(nèi)部分加固工況下各施工步驟豎線位移云圖如5圖所示。

圖5 施工階段地表及鐵路豎向位移云圖

從圖5可以看出，地表最大沉降位置位于管廊隧道正上方，地表沉降曲面大致為“V”形，鐵路路基最大沉降約2.7 mm，可以滿足普速鐵路的沉降控制要求。周邊地表沉降按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求基準(zhǔn)值±30 mm。

2.3注漿材料及注漿參數(shù)

采用后退式超前深孔注漿，一次性成孔，鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中采用水泥漿進(jìn)行護(hù)壁。根據(jù)施工設(shè)計(jì)及類(lèi)似工程施工經(jīng)驗(yàn)，砂卵石地層注漿壓力可控制在0.5～1.0 MPa，施工時(shí)需嚴(yán)格控制注漿壓力及注漿量，避免出現(xiàn)壓力過(guò)大的情況。漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，施工過(guò)程中采用雙重管A、B漿液，即A液和B液的混合物，A液為稀釋后的水玻璃，B液為水泥漿液。A、B漿液配比根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定配合比∶C∶S=1∶1(體積比)，水泥漿水灰比1∶1(質(zhì)量比)，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥。注漿材料配比及注漿參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 水泥-水玻璃配合比

表2 注漿參數(shù)表

2.4 注漿效果評(píng)價(jià)

八大處路～楊莊路下穿大臺(tái)鐵路隧道開(kāi)挖前，采用超前深孔注漿對(duì)隧道拱部位置進(jìn)行預(yù)加固。注漿施工完成后，開(kāi)挖工作面時(shí)發(fā)現(xiàn)注漿孔位子前端0.8 m范圍內(nèi)漿脈明顯，并形成明顯的板狀固結(jié)體，說(shuō)明注漿滲透效果理想，明顯改善砂卵石地層的穩(wěn)定性；注漿孔滲透半徑達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所形成的漿柱完整且達(dá)到設(shè)計(jì)要求。注漿前原始砂卵石地層及注漿加固效果如圖6所示。

圖6 超前深孔注漿加固效果

隧道各導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中，地層穩(wěn)定，無(wú)超挖及坍塌現(xiàn)象，說(shuō)明砂卵石地層經(jīng)超前深孔注漿加固后力學(xué)性質(zhì)顯著提高，圍巖自穩(wěn)定性得到極大改善，在實(shí)際施工過(guò)程中，有些部位甚至因人工無(wú)法開(kāi)挖而改用機(jī)械破除(風(fēng)鎬)，這也為后續(xù)拱架及錨噴施工創(chuàng)造了有利條件。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及成果

下穿過(guò)程中對(duì)軌道加強(qiáng)觀測(cè)：①軌面靜態(tài)觀測(cè)，每2h對(duì)軌距、水平、三角坑全面檢查1次并記錄在案；②軌面動(dòng)態(tài)觀測(cè),對(duì)軌距、水平、高低、軌向、三角坑、車(chē)體垂向振動(dòng)加速度和橫向振動(dòng)加速度進(jìn)行檢查;③觀測(cè)要求,線路靜動(dòng)態(tài)幾何尺寸容許偏差按《鐵路線路維修規(guī)則》執(zhí)行。

當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)超限時(shí)，應(yīng)立即停止施工，并進(jìn)行線路養(yǎng)護(hù)作業(yè)，確保行車(chē)安全。觀測(cè)資料應(yīng)齊全、翔實(shí)、規(guī)范，并及時(shí)整理匯總分析。

隧道施工期間及施工后每天采集1次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)時(shí)間持續(xù)6個(gè)月，每個(gè)斷面選取累計(jì)沉降值最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值見(jiàn)表3。

將表3中數(shù)據(jù)繪成折線圖，如圖7所示。

表3 地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值(單位：mm)

表4 鐵路路基各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值(單位：mm)

圖7 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降曲線圖

將表4中數(shù)據(jù)繪成折線圖，如圖8所示。

圖8 鐵路路基各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降曲線圖

由圖7、圖8可知，地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降最大值為DB-62-04，累計(jì)沉降最大值為18.1 mm，小于沉降控制基準(zhǔn)值30 mm，鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降最大值為L(zhǎng)J-63-04，累計(jì)沉降最大值為1.8 mm，小于沉降控制基準(zhǔn)值2.7 mm，表明在下穿段隧道各導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中及施工完成后，既有大臺(tái)鐵路安全可靠，說(shuō)明超前深孔注漿對(duì)地層的預(yù)加固達(dá)到預(yù)期效果，保證了既有道路的安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了砂卵石地層淺埋暗挖隧道超前深孔注漿理論，接著以八大處路～楊莊路下穿蘋(píng)果園段、臺(tái)大鐵路為工程實(shí)例，介紹了超前深孔注漿在砂卵石地層中的應(yīng)用，注漿后效果監(jiān)測(cè)表明地層力學(xué)性質(zhì)得到明顯改善，地層自穩(wěn)定性極大的提高，最后結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步表明超前深孔注漿的預(yù)加固效果明顯，能夠保證既有道路的安全性。