地鐵暗挖隧道水平超前深孔注漿預加固方案應用探討

束方潔 韓曼莉

摘 要：現今在城市地鐵暗挖隧道施工中所面臨的主要難題之一就是開挖中滲水的治理，滲水不僅危及掌子面開挖安全，同樣也威脅到鄰近構筑物、管線安全。對有滲水現象的暗挖隧道，保障施工安全和質量的關鍵就是提前做好地層加固和止水工作。哈爾濱地鐵項目某區間暗挖隧道通過采用深孔注漿預加固的方案成功地完成了穿越老舊滲漏管道的施工，充分表明在穿越不良地質地段落時采用深孔注漿預加固方案是行之有效的。文章針對此工程實例，闡述了深孔注漿技術的機理和工作方法。

關鍵詞：地鐵暗挖隧道;滲漏水;深孔注漿;預加固

0 前言

隨著近年來城市軌道交通建設快速發展，暗挖隧道遇到滲漏水等復雜地質條件的情況也越來越多。而在暗挖隧道施工中滲水治理一直貫穿始終，滲水不僅危及人員、設備安全，還影響鄰近構筑物、管線安全。常見地鐵事故的發生都和滲水有關，比如開挖中出現涌水、拱頂沉降、周邊建筑物開裂、管線斷裂等，因此滲水治理對保障暗挖隧道施工安全尤為重要。本文以哈爾濱地鐵某區間暗挖隧道施工為背景，分析了某隧道采用深孔注漿預加固成功穿越廢棄老舊管線滲水段落，可為類此施工情況提供參考。

1 深孔注漿技術機理

1.1 注漿技術應用

注漿工程應用范圍較為廣泛，主要包括注漿堵水，回填防沉，豎井下沉控制，房屋沉降控制，基坑截水帷幕，滲漏水治理等。

1.2 注漿擴散機理

注漿施工中漿液在地層中作用方式主要表現包括：滲透擴散、劈裂擴散、裂隙填充及擠壓填充。

（1）滲透擴散：注漿漿液在壓力的作用下，在不改變土體結構和顆粒排列的前提下，擠走顆粒間游離水、空氣，從而填充土體孔隙，使得漿液凝結后起到加固土體和堵水的作用。

（2）劈裂擴散：對于弱透水性地層，當注漿壓力超過劈裂臨界壓力時土體會產生水力劈裂，使土體內出現裂縫，實際注漿量會突然大量增加，漿液呈脈狀進行滲透。

（3）裂隙填充：對于在殘積層、斷層破碎帶等地層進行注漿施工時，一般當注漿材料的粒徑小于裂隙寬度的1/3～1/5時，均產生裂隙填充。

（4）擠壓填充：指當注漿漿液在地層中難以進注入地層空隙時，其只是在注漿壓力作用下被漿液擠密。擠壓注漿只適用于基礎處理，是一種為提高地基承載力而采取的注漿方式，其實際加固止水效果較差。

2 復雜地質條件下深孔注漿方案

2.1 概況

本文以哈爾濱地鐵項目某一正線暗挖區間工程項目為例進行探究，該區間位于沖洪積平原地區，隧道埋設深度大約為13 m～15 m，隧道結構整體位于粉質粘土層之中，整體走向沿既有道路下敷設，道路兩側建筑較多，所以該區段地下管線較復雜。隧道區間采用正臺階開挖法，開挖至某一段處掌子面發現明顯滲水，滲水部位位于拱頂及掌子面，土層飽水濕潤，自穩能力極差，直接威脅開挖安全。該情況與地勘報告明顯不符，經排查，此滲水段落上方有一根工廠的廢棄排水管道，隧道內滲漏水應為該管線年久失修所致。

2.2 深孔注漿預加固

為保障隧道掌子面開挖施工人員、設備安全，需對此段隧道未開挖前方土層進行水平超前深孔注漿預加固，計劃通過外界機械注漿壓力將化學漿液壓入前方待加固土體內，保證開挖期間拱頂及掌子面不坍塌、不滲水。根據地質特性，注漿方式選用劈裂注漿，注材料選用水泥水玻璃雙液漿。穿越舊管線的滲水段落開挖遵循注漿預加固一段，開挖支護一段，再注漿預加固一段，然后再開挖支護一段，以此類推，循環前進的原則進行。

2.2.1 深孔注漿布孔設計

暗挖區間隧道標準斷面開挖尺寸為6.2 m*6.51 m，深孔注漿孔位布設于全部開挖面，按照先上后下，先外后內的順序進行鉆孔作業。鉆孔采用直徑42 mm鉆桿成孔，每次循環進尺12 m，每次開挖循環進尺10 m。注漿孔間距為500 mm～1 000 mm，共計27個孔。單個注漿孔的擴散半徑達到0.5 m～1.0 m，從而保證注漿后掌子面前方預加固土體能形成一個整體。外圈注漿孔鉆孔打設角度向外5°～15°。注漿鉆孔布置如下圖1所示。

2.2.2 擴散半徑

擴散半徑指漿液注入凝結后達到設計要求的擴散距離，所以在選取擴散半徑時，應當選擇大多數條件下可以達到的數值，而不是平均值。注漿擴散半徑用R表示。

（1）擴散半徑采用Maag公式進行計算：

+r

式中：—地層的滲透系數，單位—cm/s;g—重力加速度，單位—cm/s2;h—注漿壓力的高度，單位—cm;r—注漿孔直徑，單位—cm;t—注漿時間，單位—s;—漿液粘度與水的黏度的比值;n—地層孔隙率。

（2）擴散半徑取值：對于擴散半徑，現場施工往往根據施工經驗取值并結合實際效果調整，一般對中細砂、粉質粘土取0.5 m～0.8 m，對中粗砂、砂卵石層取0.8 m～1.2 m;對斷層破碎帶取1.5 m～2.0 m。

2.2.3 終孔間距

采用單排孔設計時，注漿孔間距按照a=1.5R確定;而采用多排孔注漿設計時，注漿孔間距按照確定。

2.2.4 注漿分段長度

當地層越復雜時，注漿分段長度應越短，否則將影響注漿效果。對于砂層、粉質粘土層可采取后退式分段注漿，分段長度宜為0.4 m～0.6 m。

2.2.5 單孔單段注漿量

按地層空隙率、地層空隙填充率、漿液損失率可進行注漿量計算：

Q=πR2Hn（1+）

式中：Q—單孔單段的注漿量，單位—m3;R—擴散半徑，單位—m;H—注漿分段長度，單位—m;n—地層孔隙率（裂隙帶取2%～5%、斷層破碎帶取10%～20%、砂層取30%～40%）;—地層空隙或裂隙填充率，取70%～80%;—漿液損失率（裂隙帶、斷層破碎帶取5%～20%、砂層取10%～20%）。

2.2.6 注漿終壓

注漿終壓應按照下式計算：

P終=P水+2～4

P終—注漿終壓，單位—MPa;P水—現場實測靜水壓力，單位—MPa。另以加固為主要目的的注漿，注漿終壓應為2 MPa～4 MPa。

2.2.7 注漿速度

對在粉質粘土中注漿時，注漿速度宜控制在20 L/min～

40 L/min;對在礫土層等空隙較大的地層中注漿時，注漿速度宜控制在40 L/min～60 L/min。

2.2.8 單孔單段注漿結束標準

對單孔單段注漿的結束標準：（1）當采用定量注漿量方式時，以實際注漿量達到設計注漿量，或者當達到設計終壓且實際注漿速度小于5 L/min～10 L/min時為準;（2）當采用定量和定壓相結合來控制注漿結束時，以前個孔達到設計量的1.2～1.5倍，后個孔達到設計終壓且實際注漿速度小于5 L/min～10 L/min時為準。

2.3 注漿效果分析

隧道超前深孔注漿最主要的目的就是為了保證隧道和地層的穩定，確保施工安全，因此隧道相關監測數據以及掌子面是否存在滲水現象最能直接體現注漿效果的好壞。一般隧道監測評價項目采取以地表沉降、隧道拱頂沉降、凈空收斂為主的測量方法。

2.3.1 洞內變形分析

深孔注漿加固完成后，在開挖面前方形成具有一定厚度的加固圈，能保證掌子面無明顯滲漏水，有利于保障施工作業安全，同時開挖方式仍采用原設計的正臺階開挖方法，上臺階開挖至初支封閉期間，拱頂沉降的累計變化最大值為-20 mm，對控制洞內整體穩定效果明顯。

2.3.2 地表沉降分析

地表沉降監測累計變化的最大值為-13 mm，相比拱頂沉降變化較小，隧道上方道路無明顯開裂、周邊房屋主體無明顯裂紋及沉降，說明深孔注漿在地層加固方面發揮了良好作用。

3 結語

目前，地鐵暗挖區間隧道注漿方法較多，但其選型合理與否直接影響到施工安全、工期、成本乃至工程質量。尤其城市地鐵暗挖隧道可能不光面臨著地質變化區段多、滲漏水等不利因素，還要注重控制地表沉降、地下水保護、穿越管線保護等嚴苛要求，因此對暗挖隧道的安全快速施工提出了更高要求，深孔注漿預加固方法對滲水地層加固效果好、適應性強、止水性能好，具有較好的應用前景。

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