上軟下硬地層富水淺埋隧洞初支沉降及注漿止水防控技術

杜學才, 龔振宇, 肖 鋼, 馮志耀, 王樹英

(1.云南省滇中引水工程有限公司，昆明 650051；2.中鐵五局集團電務城通工程有限責任公司，長沙 410205；3.中南大學土木工程學院，長沙 410075)

隨著地下軌道交通、引水隧洞的迅猛發展，新建隧道所遇到的水文地質環境較以往更加復雜，在其施工過程中難免會遇到富水地層。在該類型地層中修建隧道時，將改變原有的水文地質條件，隧道成為地下水的新通道，施工過程中時常發生涌水災害，輕則影響施工進度，重則會造成嚴重的水土流失，加大地表沉降，甚至造成隧道坍塌[1-4]。對于上軟下硬地層隧道而言，上臺階拱腳往往坐落于全-強風化巖層或土層，當拱腳遇水浸泡時，其承載力會發生極大程度地降低，從而導致初支結構發生整體下沉，進而誘發嚴重的地表沉降。對于該類型隧道施工而言，堵水是一項重要的安全控制措施，而采用水泥-水玻璃(cement-silicate, C-S)雙液漿進行地表注漿是目前應用最廣泛的一種隧道堵水措施[5-8]，因此研究上軟下硬地層富水淺埋隧洞的地表注漿具有重要的工程意義。

上軟下硬地層因其特殊的地質條件，隧道開挖工程中，往往會產生較大的地表沉降[9-11]。趙宗智等[12]以貴陽地鐵一號線為工程背景，針對城市地鐵上軟下硬地層V級圍巖超前埋暗挖隧道的工程特點，提出了十字支撐加強三臺階分步開挖法，有效地控制了拱頂和地表沉降；武科等[13]依托深圳地鐵7號線下穿深圳北環大道工程，分析了上軟下硬地層中隧道開挖引起的地層沉降規律，并論述了超前支護措施對控制地表沉降的作用；刁志剛等[14]對上軟下硬地層中大斷面隧道施工方法做了深層次的分析，根據實際量測結果對比分析了多種工法的優劣；蘇立華[15]針對江門隧道下穿玉龍湖泄洪道段存在的超淺埋、上軟下硬地層、大斷面等特點，采用水平旋噴樁和管棚注漿加固圍巖，有效地控制了地表沉降；甘鵬路[16]以杭州紫之隧道北口淺埋暗挖段和深圳地鐵5、7號線重疊段為工程背景，通過現場監測數據定量分析了地下滲流水作用下的地表沉降規律；王曉偉等[17]以南京地鐵2號線為工程背景，采用數值方法模擬不同注漿方式的加固效果，結合實際開挖過程，分析不同加固效果下地表沉降的差異，并對控制沉降的手段進行對比分析；楊磊等[18]以青島地鐵區間下穿商業建筑為工程依托，深入分析暗挖段“上軟下硬”地層的地質特點，提出了“復合錨桿樁+超前深孔注漿+強化補償注漿”的聯合注漿加固技術，并通過精細化數值模擬與現場監測驗證；孔超等[19]通過室內模型試驗對上軟下硬地層初支拱蓋法施工力學特性進行研究，指出隧道整體極限承載力主要由拱腳處圍巖承載能力以及隧道下部支護的承載力決定。綜上所述，目前針對上軟下硬地層隧道的沉降控制研究，主要集中在施工方法和洞內預加固措施，注重掌子面前方拱部地層的預加固/預支護，或者采用洞內帷幕注漿對掌子面進行止水。然而，由于上軟下硬地層隧洞(道)上臺階拱腳往往未落在基巖上，如何防治隧洞周圍地下水從周邊入滲泡軟上臺階拱腳是現場關注的問題，關于此類條件下隧洞地表注漿工藝的研究相對較少，其具體止水效果如何，通過地表注漿能否有效減小地表沉降還有待于探究。

為此以滇中引水龍泉隧洞出口段為工程背景，首先分析地下滲流水對隧洞上方地表沉降及拱頂沉降的影響，然后測量不同配比下雙液漿的膠凝時間，在得到膠凝時間規律及控制要求的基礎上，結合現場具體的注漿設備和工藝進行地表注漿，并分析其止水效果，以及地表注漿止水后的地表沉降、拱頂沉降規律，供今后類似工程參考。

1 工程概況

1.1 地質概況

圖1 龍泉隧洞出口段地質剖面圖

1.2 隧洞設計施工概況

龍泉隧洞出口段設計流量為80 m3/s，斷面型式為馬蹄形洞型，凈空尺寸：6.68 m×7.22 m，開挖斷面如圖2所示。龍泉隧洞出口段由大里程向小里程方向開挖，隧洞開挖嚴格執行“短進尺、強支護”原則，具體開挖方式采用三臺階法開挖，上臺階的高度約為4.1 m，并預留3 m長的核心土，中臺階高度約為2.5 m，下臺階高度約為2.2 m。洞內采用水平旋噴樁+大管棚+超前小導管進行超前預加固，初支采用I20工字鋼和C20網噴混凝土，工字鋼間距0.5 m，初支厚度0.2 m，二襯混凝土采用C30，二襯厚度為0.6 m。洞外采用水泥-水玻璃雙液漿進行地表注漿止水及加固。

圖2 隧洞開挖斷面示意圖

1.3 地表沉降監測方案

為及時了解地表注漿是否能達到預期效果，進一步確定和調整下階段的注漿參數，使注漿參數更合理、經濟，以便更好地指導后續施工，進而確保施工安全，施工過程中的監測量控是一項重要的內容。龍泉隧洞的監測內容主要包括：地表沉降、拱頂沉降、水平收斂及洞內外巡視。龍泉隧洞地表沉降監測點布置如圖3所示，拱頂及水平收斂監測點布置如圖4所示，洞內監測點包含水平收斂點B、C和拱頂沉降A，洞內監測斷面間距為5 m。監測儀器采用TS09全站儀和Dini03電子水準儀，監測頻率為1次/d。

2 龍泉隧洞的工程問題

2.1 地下滲流水問題

龍泉隧洞出口段所處地區地下水豐富，如圖5所示，作業環境差，嚴重影響施工進度，可能存在涌水、突泥等潛在危險。出口段的地質條件復雜，隧洞圍巖以IV類和V類圍巖為主，圍巖穩定性差，洞身處于上軟下硬地層，其中上臺階拱腳坐落于礫質土上，在初支背后地下水入滲的影響下，拱腳極易被泡軟，從而導致拱腳承載力不足，初支結構發生整體下沉，進而引發較大的拱頂沉降和地表沉降。

2.2 洞內外沉降過大

龍泉隧洞前期施工未采取地表注漿止水措施，測點DB3-4和DB3-5均位于該區域內，二者對應的地表沉降時程曲線如圖6所示。重點對拱頂上方的地表沉降監測點DB3-5進行分析，從圖中可以較為直觀地看出在4月17號上臺階開挖前地表就有了一定的先期沉降，該階段的沉降量為10.88 mm，約占總沉降的9.03%，這是由于地下水不斷流失，帶走了部分土體，導致了較大沉降；從4月17號上臺階開挖到6月5號中臺階開挖到該位置，該階段引起的地表沉降量為81.96 mm，約占總沉降量的68.01%，該階段沉降量大的原因是由于隧洞掌子面范圍內的圍巖情況為上軟下硬地層，上臺階拱腳坐落在土層上，由于地下水豐富，上臺階掌子面不斷滲水，導致初支的拱腳處被流水泡軟，拱腳承載力不足，從而導致上臺階的初支結構發生了整體沉降，進一步誘發地表產生了較大沉降；從6月5號中臺階開挖到6月23號下臺階開挖到該位置，此階段引起的地表沉降量為21.5 mm，約占總沉降量的17.84%，該階段沉降量相比上階段較小，是因為中臺階的拱腳已經坐落在基巖上，拱腳承載力相對較好；在6月23號下臺階開挖初支結構封閉成環后，地表幾乎不再沉降。

圖6 未進行地表注漿時的地表沉降時程曲線

地表沉降測點DB3-5所對應洞內監測斷面為KM53+480，該斷面的拱頂沉降及水平收斂如圖7所示。從圖中可較為直觀地看出，拱頂沉降值要遠大大于水平收斂值，從而驗證了上述分析，即隧洞的沉降主要是由于上臺階初支結構發生了整體下沉而造成的。從4月27號布置完監測點到6月5號中臺階開挖至此斷面，該階段拱頂沉降量為80.16 mm，約占總沉降量的76.28%，水平收斂值為18.6 mm，約占總變形量的83.79%；從6月5號中臺階開挖到6月23號下臺階開挖到該位置，此階段拱頂沉降了22.24 mm，約占總沉降的21.16%，水平收斂的變形量為2.6 mm，約占總收斂值的11.71%；6月23號下臺階開挖封閉成環后，拱頂沉降和水平收斂基本保持不變；拱頂沉降的最終值為105.08 mm，水平收斂的最終值為22.2 mm。

圖7 未進行地表注漿時的水平收斂及拱頂沉降時程曲線

3 雙液漿膠凝試驗

針對上述工程問題，采用C-S雙液漿進行地表注漿加固、止水，但其工程應用隨意性較大，效果參差不齊，其中一個關鍵是如何控制雙液漿的膠凝時間。雙液漿膠凝固時間太長，漿液會被流水沖蝕，反之，漿液擴散的范圍有限，甚至有可能就發生堵管，上述兩種情況下的地表注漿均達不到較好的止水效果。根據龍泉隧洞具體的施工情況，為確定合理的膠凝時間，需進行雙液漿的膠凝試驗。試驗重點分析當兩種單液漿體積比為1∶1時，水-水玻璃體積比W∶S和水灰質量比W∶C對膠凝時間的影響，得出雙液漿的膠凝時間規律。并根據龍泉隧洞地表注漿的實際施工情況，給出地表注漿的建議值。

3.1 雙液漿膠凝試驗方案

試驗中采用的水玻璃原液模數為3.12，波美度為40°Be′，密度是1.394 g/mL，水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其密度為3.07 g/cm3，28 d后的抗折強度為6.5 MPa。根據上述試驗目的，首先依次將3 000、2 000、1 000 mL的水與1 000 mL水玻璃原液配制成水玻璃溶液，稀釋后的水玻璃溶液其波美度分別為17°Be′、20°Be′、26°Be′；然后依次將700、900、1 000、1 100 mg的水與1 000 mg的水泥配制成水泥漿液；最后采用倒杯法測定各工況下雙液漿的凝膠時間[20]，試驗過程中水泥漿液和水玻璃溶液的體積均為200 mL，具體如圖8所示。本試驗采用單因素控制變量法，共設置12種試驗工況，如表1所示。

圖8 倒杯法試驗過程

表1 試驗配比工況

3.2 雙液漿膠凝試驗結果

通過測量上述不同水-水玻璃體積比和水灰質量比下的膠凝時間，得到雙液漿膠凝的時間規律如圖9所示。可以較為直觀地看出，在兩種單液漿體積比為1∶1的情況下，當W∶S一定時，在一定范圍內，隨著W∶C的增大，即單位體積的雙液漿中水泥用量越少，雙液漿的膠凝時間越長；當W∶C一定時，在一定范圍內，隨著W∶S的減小，即單位體積的雙液漿中水玻璃的量越小，雙液漿的膠凝時間越長。

圖9 雙液漿的膠凝時間規律

由上述膠凝時間規律可知，通過上述漿液配比工況得到的最短膠凝時間為12 s，最長膠凝時間為36 s。根據龍泉隧洞的地質特點、隧洞的埋深以及地下水的流量，基于上述膠凝時間規律，進行多次現場地表注漿試驗。以單孔吃漿量、注漿壓力的變化以及地表和隧洞掌子面的冒漿情況作為膠凝時間的選擇依據，認為膠凝時間控制在25 s左右，能夠達到較好的地表注漿止水效果。但該建議值應根據后續施工段的具體情況以及前一步地表注漿的反饋而進行動態調整。

4 工程應用及效果

基于上述C-S雙液漿膠凝試驗的規律和現場地表注漿試驗的反饋，綜合考慮龍泉隧洞的地質條件和鉆孔深度，并結合現場的具體注漿設備條件。現場采用W∶S=2∶1、W∶C=1∶1、C∶S=1∶1的雙液漿。注漿壓力控制在0.7～1 MPa，采用分段后退式進行地表注漿，注漿孔的排距和間距均為3 m，具體布孔位置如圖10所示。

圖10 地表注漿鉆孔布置示意圖

4.1 注漿止水效果

采用上述注漿參數，注漿后隧洞基本無滲水情況，掌子面穩定性有較為明顯的改善。掌子面開挖揭露的圍巖中，可以清晰看到礫質土層中裂隙被漿液充填，呈現漿脈狀，洞內作業環境有較為明顯地改善，如圖11所示。

圖11 地表注漿后掌子面的圍巖

4.2 沉降控制效果

測點DB-4-5和DB-4-9均位于地表注漿范圍內，其對應的地表沉降曲線如圖12所示。重點對拱頂上方的地表沉降測點DB-4-9進行分析，可以較為直觀地看出，從5月22號開始上臺階開挖到6月14號中臺階開挖到該位置，該階段所引起的地表沉降約為12.18 mm，約占總沉降的47.59%，該階段的沉降量有顯著減小，說明在進行地表注漿止水后，上臺階拱腳的承載力有顯著提高，較好地承擔了上覆土層壓力；從6月14號中臺階開挖到7月5號下臺階開挖到該位置，該階段的沉降量約為8.3 mm，約占總沉降量的32.43%，該階段的沉降量變化較小，這是由于中臺階的拱腳坐落在基巖上，地下水對其影響較小；在7月5號下臺階開挖初支封閉成環后，地表幾乎不再沉降。

圖12 進行地表注漿后的地表沉降時程曲線

地表沉降測點DB4-9所對應洞內監測斷面為KM53+465，該斷面的拱頂沉降及水平收斂如圖13所示。可較為直觀地看出，相比于前期未進行地表注漿的區段，拱頂沉降量有較為顯著地減小，而水平收斂值基本相等，說明通過地表注漿止水，增加了上臺階拱腳承載力，從而有效地減小了上臺階初支結構的整體下沉。從5月26號布置完監測點到6月14號中臺階開挖至此斷面，該階段拱頂沉降量為18.93 mm，約占總沉降量的77.84%，水平收斂值為13.22 mm，約占總變形量的67.49%；從6月14號中臺階開挖到7月5號下臺階開挖到該位置，此階段拱頂沉降了3.43 mm，約占總沉降的14.09%，水平收斂的變形量為4.12 mm，約占總收斂值的21.02%；7月5號下臺階開挖封閉成環后，拱頂沉降和水平收斂基本保持不變；拱頂沉降的最終值為24.32 mm，水平收斂的最終值為19.59 mm。

圖13 進行地表注漿后的水平收斂及拱頂沉降時程曲線

5 結論

針對龍泉隧洞出口段上軟下硬地層富水淺埋隧洞的施工，分析了隧洞開挖引起地表沉降的主要原因和沉降規律，進行了C-S雙液漿膠凝試驗和現場地表注漿試驗，將試驗所得到的膠凝規律和結論應用到后續施工段，最后分析了地表注漿止水后的止水效果，以及拱頂上方的地表沉降規律，得到了以下結論。

(1)龍泉隧洞出口段未采取地表注漿止水時，上臺階開挖是引起地表沉降的主要階段，該階段引起的地表沉降約占總沉降的68.01%，引起的拱頂沉降約占總沉降的76.28%，拱頂沉降遠大于水平收斂，其原因是上臺階拱腳承載力不足，上部初支結構發生了整體下沉。

(2)針對龍泉隧洞的具體地質、注漿設備和埋深，在進行地表注漿現場試驗的基礎上，給出了龍泉隧洞出口段地表注漿膠凝時間的建議值，認為25 s左右較為合理。

(3)采用兩種單液漿體積比為1∶1、水-水玻璃體積比(W∶S)為2∶1和水灰質量比(W∶C)為1∶1的雙液漿進行地表注漿，取得了較好的止水效果，地表沉降和拱頂沉降顯著減小，尤其上臺階開挖階段。