地鐵隧道富水區回填土地層超前加固措施

陳小科

中鐵二十一局集團第五工程有限公司 重慶 402160

1 、概述

富水區回填土成洞條件較差，隧道開挖后，洞頂圍巖難以形成有效壓力拱，隧道挖掘推進、襯砌施工難以進行，必須配合相應的輔助措施方能實施。同時，因填土自身的不均勻性，結構松散、架空明顯，隧道掘進及襯砌施工中，頂部填土將發生二次應力調整，繼而產生形變，地下水滲流路徑改變，將帶走新通道范圍填土中的細顆粒，從而加劇填土變形，嚴重者可導致地面沉降，甚至發生坍塌，長久以來見諸報端的多個地面塌陷均發生在填土地層中。掌子面超前帷幕注漿配合自進管棚及小導管超前注漿可以有效填充填土層中的空隙、固結土體、封堵地下水滲流路徑，從而提升填土層的自穩能力，改善回填土層中的成洞條件，減小隧道的沉降與收斂變形以及對周邊環境的負面影響，并且提升了隧道施工的安全性。

2 、工程概況

重慶軌道交通10號線蘭南區間深填土段隧道位于城市市政道路大石路下方，隧道埋深約為24m～33m，區段內少部分位于巖層內，其余大部分洞身位于回填土層中，隧道拱頂填土厚度約為24.1m～32.6m，隧道底板以下填土厚度約為0m～18.5m，區間采用暗挖法施工。回填土顏色為褐灰色，主要由粘性土夾砂巖、砂質泥巖碎塊石組成，碎塊石等骨架顆粒含量20～40%粒徑一般20～400mm，分布于整個場地，堆填時間約5-10年不等，該段回填土的設計回填密實度為95%，經過長期的車輛荷載作用以及自然沉降，不受擾動的情況下基本處于穩定狀態，但是土體顆粒之間沒有膠結，強度較低，開挖后會發生較大的變形。

場地原為丘陵斜坡地貌，由于后期施工回填，局部地段上覆土層厚度增大，地下水主要賦存于原始地形低洼地段，屬潛水，局部含有上層滯水。動態幅度大，無統一地下水位，主要由大氣降水及周邊市政管網滲漏補給，水量大小與降水因素關系密切，地下水通過巖土界面在有條件的切割區排往長江，局部可能會發生突泥突水。

本隧道采用全斷面帷幕注漿，注漿范圍為隧道輪廓線外3m，每一循環注漿長度為20m，開挖15m，預留5m作為止漿盤。采用帷幕注漿可以將回填土層顆粒間賦存的地下水強迫擠壓出來，顆粒間空隙以及架空部分充滿漿液，并使其固結，增加了回填土層顆粒之間的內摩擦角，并且使地層粘結強度及密實度增加，隧道開挖后可以形成有效的壓力拱，從而提高圍巖的自穩能力；另外回填土層顆粒間隙中填充了固結并且不流動的漿液后，大大降低了回填土的透水性，從而在隧道輪廓外側形成隔水層，起到防止突泥突水、防坍塌的作用。

3 、富水區填土段隧道超前加固措施

3.1 地下水觀測

土體中的地下水可以大大減小顆粒間的摩擦力，地下水的流失又改變了填土層本來的平衡狀態，因此地下水是影響回填土穩定的關鍵因素。施工前在隧道左右側各設置一個水位觀測井，施工過程中每天定時使用測繩觀測地下水位，根據地下水位的變化情況以及與暗挖隧道的高程關系及時調整雙液漿配合比。

3.2 帷幕注漿

3.2.1 鉆孔

鉆機就位：帷幕注漿采用HM90ACY型潛孔鉆機鉆孔和清孔。測量員根據提前計算好的孔口坐標，使用全站儀在掌子面上進行孔口放樣，同時用油漆做好標記，并注明孔號；潛孔鉆機就位后，根據掌子面標出的孔口位置精確定位鉆頭位置，調整鉆尾位置，利用電子水平尺精確控制鉆桿豎直角度，根據鉆桿長度以及鉆孔的水平角度提前計算鉆桿尾部與隧道中線之間的距離關系，使用鋼卷尺進行水平角度定位，該方法方便快捷，可完成鉆桿的精確定向。

鉆進成孔：開孔時按照輕加壓、速度慢、給水要多的操作要點施工。鉆進過程中，鉆機手要密切灌注鉆孔滲水情況，當滲水量顯著增大時，必須立即停鉆觀察，若滲水量在短時間內顯著減小，可繼續鉆進，否則應立即加注雙液漿進行堵水；鉆進過程中因巖層破碎造成卡鉆時，嚴禁強行鉆進，應立即退出鉆桿，進行注漿，漿液固結后再行鉆進。每鉆進一段，使用電子水平尺復核鉆桿角度，做到及時發現及時糾偏。施工過程中，鉆機手應做好鉆孔記錄，內容包括孔號、孔深、巖性、起訖時間、出現滲水位置、滲水壓力、滲水量。因回填土內空隙較大，鉆孔以及注漿順序均由外向內，這樣外環注漿孔漿液固結之后能夠將漿液擴散范圍鎖定，從而減少注漿量節約成本，同一環注漿孔間隔施工，避免竄漿。

圖1 鉆機定向

3.2.2 埋設孔口管

孔口管采用外徑108mm、壁厚5mm的熱軋無縫鋼管，單根長度3.0m。安裝前先鉆孔，孔徑不小于110mm，孔深3.0m，掃孔后，孔口管兩端以及中間位置預先使用土工布進行纏繞并采用鐵絲固定，然后使用鉆機將孔口管頂入，外露30cm左右，然后使用錨固劑再次封堵管壁與孔壁之間的空隙。孔口管主要起連接注漿管和導向作用，因此鉆孔安裝時必須嚴格控制外插角度，并且孔口管外露端頭應焊接法蘭盤、安裝閥門與注漿管連接。

3.2.3 注漿

（1）注漿材料及配比

隧道內作業空間狹小，并且滲水情況比較嚴重，無法存放袋裝水泥，因此本隧道使用散裝水泥，存放在隧道洞口水泥罐內，使用改裝的運輸車運往洞內。注漿優先采用普通水泥漿液，為加強注漿效果和漿液控制，注漿加固圈范圍內外圍1m采用水泥-水玻璃漿液。漿液中水泥強度等級不低于R32.5，水泥漿水灰比1:1，雙液漿水泥漿：水玻璃漿液（出廠濃度42，稀釋濃度30～35）1:1。施工前進行雙液漿試配，掌握每種配合比漿液的膠凝時間，選擇適合現場施工的漿液配合比。注漿施工時，外環注漿孔宜選用凝膠時間短的配比限制擴散范圍；內環注漿孔宜選用凝膠時間長些的配比避免堵管。

現場通過實驗室標定好的水桶按照配合比在漿液攪拌桶內制作兩個刻度標志，漿液制作時首先加水至第一個刻度線，然后加水泥至第二個刻度線，如此可快速制作漿液，并能有效減小施工配合比與理論配合比之間的誤差。

（2）注漿參數控制

①注漿壓力：注漿壓力一般為靜水壓力的2-3倍，根據隧道埋深以及地下水位本隧道控制在1.0-1.2MPa之間，注漿終壓為1.5MPa，達到注漿終壓后需穩壓10分鐘，根據試驗段漿液填充效果以及隧道上方原地面的觀察后期將注漿終壓調整為2.0MPa。

②擴散半徑：注漿范圍為隧道開挖輪廓線3m，第一、二、三環單孔有效擴散半徑為1m，第四、五環單孔有效擴散半徑以1.5m。

③注漿設備：WYB80/80全液壓雙液注漿泵，流量為0～160L/min。

④注漿方式：本隧道采用一次成孔注漿和分段前進式注漿兩種方式。鉆孔過程中單孔滲水量＜0.5L/s并且未出現卡鉆現象，就按設計孔深一鉆到底，全孔一次壓入注漿；否則應采用分段前進式注漿，鉆一段注一段，直至終孔。

⑤注漿速度：管路接通之后，注漿應連續作業，并且安裝標定后的流量計實時監控注漿速度。注漿過程中密切灌注滲水量，當鉆孔滲水量≥0.5L/s時，注入速度控制在100-150L/min；當滲水量＜0.5L/s，注入速度控制在50-80L/min。

管路接通后注漿前，先進行壓水試驗，壓水2～5分鐘，檢查掌子面以及孔口管有無滲漏現象；檢查注漿機、管路系統、壓力表工作是否正常。

⑥膠凝時間的控制

水泥漿和水玻璃分別存放在兩個容器內，各連接一個吸漿頭及注漿管，兩支注漿管在孔口匯合。膠凝時間通過調節雙缸注漿機每個出漿口的流量，改變水泥漿和水玻璃的注入比例來控制。施工過程中，為保證膠凝時間準確，每新進一批水玻璃或每變換一次配比，需取樣試配，掌握每種配合比的膠凝時間，根據設計給定的漿液擴散半徑以及實際的地下水情況，本隧道雙液漿膠凝時間控制在45-50秒之間。施工過程中應在施工部位接取漿液，測定雙液漿的實際膠凝時間，如不能滿足要求，應及時檢查管路或調整注漿機出漿口的流量。

⑦注漿結束標準：單孔注漿壓力達到2.0MPa并穩壓10分鐘以上，可結束本孔注漿；或者單孔實際注漿量接近設計注漿量，并且進漿量＜20-30 L/min時也可結束本孔注漿。

每個循環的注漿完成后，采取鉆檢查孔的方法法進行驗證，檢查孔數量應為總鉆孔數的3%-5%，且不得小于5孔，因此本隧道選取5個孔進行檢查。其中2個孔的孔底位于開挖范圍內，3個孔的孔底位于開挖范圍外，檢查孔長20m，均取芯，用于檢查單孔滲水量以及土體注漿的飽滿程度。檢查孔中若無涌泥、涌砂、并且不塌孔，另外滲水量小于0.2L/（min.m），即可進行后續施工，否則進行補孔注漿。

3.3 輔助措施

掌子面帷幕完成之后及時施做自進管棚及小導管，自進管棚及小導管主要起到“棚架”作用，支擋開挖輪廓線外側的土體，回填土整體性較差，小導管內側的土體會隨著暴露時間的延長而脫落，為減小超挖量、提高掌子面作業的安全性，在不影響鋼架安裝的前提下必須盡量小的減小小導管及自進管棚的外插角，并且開挖完成后應及時施做初期支護封閉圍巖。

4 、加固效果

注漿加固前，鉆孔滲水量為3L/（min.m），帷幕注漿施工完成后，探孔沒有滲水情況出現，帷幕注漿結束后的鉆芯取樣以及掌子面開挖情況顯示，檢查孔中無涌泥、涌砂、不塌孔，巖體注漿比較飽滿，填土及巖層裂隙中漿液填充飽滿，土體致密結實。另外監控量測數據顯示，隧道拱頂沉降、地面沉降的累計值以及變形速率均滿足設計文件要求。

圖2 漿液填充效果

因此富水區回填土段隧道開挖采用帷幕注漿配合小導管及自進管棚的超前加固方式，止水效果較好，能夠有效固結土體，可以有效控制地面沉降以及洞內的變形。