淺埋暗挖地鐵隧道穿越地裂縫帶施工技術研究

聶愛兮，曾賽梅，梁 橋

（1.中交一公局集團有限公司，北京100020；2.湖南工程學院 建筑工程學院，湘潭411104）

0 引言

西安市位于渭河斷線盆地中段南部，地形地貌復雜，地質構造較活躍，是我國地裂縫災害最嚴重、最典型的城市［1-3］.據不完全統計，迄今為止，地裂縫災害已給西安市政建設造成了數十億元的經濟損失［4］.在地裂縫帶進行淺埋暗挖隧道開挖，由于土體含水量較豐富，自穩能力差，開挖時容易發生涌水、突泥和坍塌事故，進而引起地表塌陷［5-7］.如果在城市地下施工，還容易引發原有路面開裂、造成已有建筑物下沉，甚至倒塌等不同程度的破壞［8］.因此，地鐵淺埋暗挖隧道穿越地裂縫帶的關鍵問題是如何確保的地鐵隧道施工安全，減少或避免對周圍環境的破壞［9］.

本文以西安地鐵6號線紡織城紡二路站～紡織城站區間內淺埋暗挖段隧道為例，根據現場實際情況，對超前小導管支護、全斷面注漿加固止水、開挖方法等關鍵技術進行完善和優化，在保證隧道施工安全及作業面地下水的封堵上取得了良好效果，實現了區間隧道的順利貫通，取得的成果可以為同類工程的施工提供借鑒和參考.

1 工程概況

1.1 淺埋暗挖段隧道設計概況

西安地鐵6號線紡二路站～紡織城站區間位于西安市灞橋區紡織城，區間內淺埋暗挖段起止里程YDK48+153.401～YDK48+540.117（ZDK48+129.852～ZDK48+551.590）；右 線 暗 挖 長 度 為381.716 m，左線暗挖長度為421.738 m，其間設一座聯絡通道兼廢水泵房.圖1為淺埋暗挖段隧道平面布置圖.

圖1 淺埋暗挖段隧道平面布置圖

淺埋暗挖段隧道有兩種斷面形式，分別為盾構空推斷面A及標準斷面C，斷面A開挖高度為9.035 m，開挖寬度為9 m，采用CRD法施工；斷面C開挖高度為6.67 m，開挖寬度為6.28 m，采用臺階+臨時仰拱法施工.超前支護采用超前小導管注漿+全斷面注漿；初期支護采用格柵鋼架+臨時支撐+噴射混凝土的聯合支護體系.

1.2 地裂縫帶工程地質水文地質條件

淺埋暗挖段隧道穿越f6地裂縫，沿線路方向地勢總體開闊，西南側較高、東北側較低，地形較為平緩，地貌分界位置起伏較大，地面高程介于411.40～433.49 m之間，最大高差約22.09 m.

暗挖段隧道所在場地地表以下60.0 m深度范圍內的地層主要為第四系堆積物，土層為粉質黏土和古土壤.開挖后發現地面以下29～30.5 m處存在鈣質膠結層.

根據鉆孔揭露，工程場地所揭露的地下水為第四系松散層孔隙潛水，水位埋深10.70～29.80 m，水位高程395.80～410.06 m.淺埋暗挖隧道結構標高為393.129～402.5 m，地下水位于隧道底面以上2 m、地表以下21 m之間.在新醫路及長樂東路f6地裂縫的上下盤，地裂縫兩盤地下水位南高北低，上盤水位高于下盤水位約6.0～10.0 m.

1.3 暗挖隧道施工難點

（1）暗挖隧道位于長樂東路下方，穿越紡織城舊城區，周邊建（構）筑物及地下管線較多，其中房屋以20世紀70、80年代為主，質量參差不齊.由于地裂縫破碎帶難以形成自然拱，開挖時容易發生拱部坍塌、變形過大等事故.

（2）根據地質勘察資料，暗挖隧道基本位于地下水位以下，盡管水壓不大，但地下水和地表水一旦滲入就會造成防水失控.而抽排水易加劇地裂縫的活動，從而導致結構變形增大，造成不可挽回的損失.

（3）地面以下29～30.5 m處存在鈣質膠結層，位于隧道1/3位置，具氧化鐵條紋，難以破碎.圖2為鈣質膠結層位置示意圖.

圖2 掌子面鈣質膠結層位置示意圖

2 地層超前預加固支護

針對暗挖段地質情況與施工難點，施工中地層超前支護加固采用超前小導管預注漿加固，以及全斷面超前預注漿加固方案.

2.1 超前小導管預注漿加固支護

根據循環進尺位置，沿隧道拱部初支輪廓線外打入帶孔超前小導管，如圖2所示，然后通過小導管向開挖輪廓外圍巖注漿，對土層進行超前加固封堵，在結構輪廓線外形成一個弧形加固圈，防止施工時拱頂掉塊、坍塌.

小導管由直徑φ42 mm、壁厚3.5 mm鋼花管加工而成，長度為3.0 m，沿拱部150°范圍布置，環向間距0.4 m，縱向間距1.5 m，外插角20°～25°.小導管管壁上按間距150 mm梅花型設置漏漿孔，孔徑10 mm，鋼管尾部留0.2 m不鉆孔止漿段；注漿壓力按0.3 MPa，注漿材料為水泥水玻璃雙液漿，其中水灰比1∶0.5，水泥漿和水玻璃體積比為1∶1；注漿壓力和漿液配比根據現場試驗進行調整，充分攪拌均勻后及時使用.

2.2 全斷面超前預注漿加固

地裂縫破碎帶地質構造復雜，富水量大，遇水極易軟化崩塌［10］.為解決隧道開挖過程中圍巖穩定性問題，采用全斷面注漿技術對地裂縫破碎帶地層進行止水、加固，提高圍巖的強度和自穩能力.

（1）注漿基本參數

施工時，注漿參數根據地質勘察得到的地層實際情況進行試驗確認，并在施工現場不斷調整和完善，注漿過程中結合注漿壓力變化情況，現場動態調整、優化注漿參數.具體的注漿基本參數如表1所示.

表1 注漿基本參數

（2）注漿材料的選擇

施工前，預測地質情況及涌水點的水壓力、流量、流速和儲水量，選擇注漿材料.具體方法如下：

1）封堵超前小導管管口和封孔注漿時，選用水泥-水玻璃雙液漿；

2）地下水流速很快時，先注入惰性材料，如中粗砂或巖粉等，以充填滲水通道，增加漿液流動阻力，減少跑漿，再注入水泥-水玻璃雙液漿堵水；

3）對于涌水量很大且具有較大儲水空間的大股突水，采取先將動水變為相對靜水再進行注漿的堵水措施，即設置堵截墻，使用快速膠凝的漿液堵水；還可采用分流減壓、減流速的辦法，再調整膠凝時間對出水點進行封堵.注漿材料仍選水泥-水玻璃漿液或超細水泥漿液.

（3）漿液配比優化與配置

為了提高全斷面注漿質量，在保證漿液滲透土體后的強度達到設計值的同時，對配合比做了優化和調整（如圖3所示），將原設計的水泥漿與水玻璃體積比1∶1調整為1∶1.1～1.2，目的是加速漿液的凝結時間；將原設計漿液比凝固時間120 s縮短至35 s，防止漿液擴散半徑過大對周邊建筑物造成影響.水泥漿水灰比由1∶0.5～1∶0.75調整為1∶0.75，以提高注漿擴散半徑范圍內漿液的強度.

圖3 現場配合比調試

漿液配置采用SJB-300×2型雙層攪拌器，制漿材料拌和前先稱重，誤差應小于5%，水泥等固相材料采用重量稱重法.水泥漿液拌好后用1 mm×1 mm篩網過濾，并放入攪拌機進行二次攪拌，純水泥漿制備至用完的時間不超過4 h，細水泥漿自制備至用完時間不超過2 h.漿液的攪拌時間通過試驗確定，并滿足規范要求.

（4）注漿孔布置

注漿孔布置如圖4所示，注漿加固范圍為隧道開挖線以外3 m，注漿段長度為20 m，一個注漿段完成后留3 m不開挖作為下一注漿段的止漿盤.第一循環注漿前采用噴射混凝土作為止漿墻，厚度30 cm.

圖4 注漿孔布置示意圖

（5）施工要點

1）超前注漿孔鉆孔采用MK-5型鉆機，鉆孔直徑130 cm，鉆孔前先在掌子面用紅油漆按設計要求標注注漿孔位，然后移動鉆機，將鉆頭對準所標孔位，并按設計調整鉆機角度后固定.先用鉆機開孔至3 m深，鉆孔直徑130 mm，安設、固定孔口管（孔口管采用長2.2 m，測量定位孔口外露20 cm，直徑108 mm鋼管），然后通過孔口管鉆設φ100 mm注漿孔.開孔及孔口管安裝：開孔做到輕加壓、速度慢、給水足.孔口管埋設，對無水地段采用干硬性早強砂漿堵塞定位，對于孔口涌水地段，孔口管的埋設采用增強型防水劑和水泥配制的固管混合料來定位固管.漿液的擴散半徑為3.0 m.

2）采用后退式注漿施工，鉆一段，注一段，注漿膠凝時間根據水壓確定.分段長度根據鉆孔情況確定，若出現大的涌水或泥沙（Q＞10 m3/h）則按1～2 m分段；若涌水或泥沙較小（Q＜10 m3/h）或輕微卡鉆，則鉆孔注漿段長度可適當加大至3～5 m.如無涌水涌泥（砂）和卡鉆的情況發生，則可采用全孔一次性注漿方式進行.以保證注漿質量和減少掃孔作業，增加作業時間和提高作業效率.

3）注漿順序是先注外圈孔，再注內圈孔；同圈孔間隔注漿，注完一孔，跳過一孔或多孔注漿；先注無水區，后注有水區.后序孔可檢查前序孔的注漿效果.同時結合涌水水源點位置和水流方向，按由有水孔到無水孔的順序施工，檢查孔施工順序待注漿孔注漿結束后視現場情況而定.

（6）注漿效果及評定

1）檢查孔：注漿結束后，在注漿薄弱區域鉆設檢查孔，檢查孔數量按設計注漿孔數量的5%～10%考慮，檢查孔要求全斷面涌水量小于1 m3/（d·m），否則應補孔注漿.

2）漿液填充率反算：通過統計總注漿量，反算漿液對空隙填充率，漿液填充率達到70%以上.

（7）注意事項

1）止水盤（止漿墻）止漿效果的好壞，將直接關系到注漿成功與否.根據注漿段圍巖情況預留不同厚度的止水盤，一般取3 m.第一循環注漿前采用噴射30 cm厚混凝土作為止漿墻，注漿前進行關水試驗，觀察止漿墻滲水情況.當出現小股涌水時，應采取在涌水處采用風鉆鉆淺孔注漿固結止漿墻；當出現大股涌水時，應采取先對掌子面出水點進行引流，清底，澆筑混凝土止漿墻，混凝土施工過程中預埋孔口管與小導管注漿建造止漿墻.

2）若鉆孔過程中遇見突泥情況，立即停鉆，拔出鉆桿，安裝孔口管及高壓閥，進行注漿.

3）若止漿墻小裂隙漏漿，先用水泥漿浸泡過的麻絲填塞裂隙，并調整漿液配比，縮短凝膠時間；若仍跑漿，在漏漿處采用普通風鉆鉆淺孔注漿止滲.

4）若掌子面前方5 m范圍內大裂隙串漿或漏漿，采用止漿塞穿過該裂隙進行后退式注漿.

5）當注漿壓力突然增高，則只注純水泥漿或清水，待泵壓恢復正常時，再進行雙液注漿；若壓力不恢復正常，則停止注漿，檢查管路是否堵塞.

6）當進漿量很大，壓力長時間不升高，則調整漿液濃度及配合比，縮短凝膠時間，進行小泵量、低壓力注漿，以使漿液在巖層裂隙中有相對停留時間，以便凝膠；也可以進行間歇式注漿，但停注時間不能超過漿液凝膠時間.

3 開挖及初期支護

結合地質勘察得到的資料，淺埋暗挖段A斷面采用CRD法開挖.考慮到鈣質膠結層的特殊性，主要為人工配合小型挖機開挖，CRD法共分4個導坑開挖支護，開挖先后順序為1#、2#、3#、4#，1#與2#導洞錯開3～5 m，1#與3#導洞錯開距離不少于15 m，3#與4#導洞錯開3～5 m.等全部正洞施做完支護后，逐段拆除臨時支撐施做二次襯砌.圖5為A斷面開挖示意圖.

圖5 A斷面開挖示意圖

暗挖區間C斷面采用臺階+臨時仰拱法施工如圖6所示，主要為人工配合小型挖機開挖.開挖先后順序為1#、2#、3#，第一步施工時先開挖上臺階土方，開挖時預留核心土；第二步根據開挖進尺深度，進行核心土開挖，確保核心土保留長度為1.5 m，核心土與初支距離約1.8 m，上臺階施工完成后及時進行臨時仰拱施工；第三步待上臺階開挖進尺6～8 m后，開挖下臺階土體.

圖6 C斷面開挖示意圖

對于難以破碎的膠結層，采用小挖機結合人工破碎進行施工，由于鈣質膠結層的存在導致開挖時間增加1/3，從而導致整個工期延長.

洞身開挖和支護格柵鋼架每循環進尺0.5 m（局部加密，馬頭門進洞6榀密排），嚴格控制鋼架間距，每次開挖完成后立即架設格柵鋼架.

4 地裂縫帶超前探測與監測應急

項目部專門成立地裂縫段施工專家小組，對施工過程進行現場指導，借鑒其他單位地裂縫施工成功經驗統籌安排施工。

成立專項施工監測小組，當施工到地裂縫前，對前方地層進行探測，根據探測到的地形情況對施工方案進行調整.同時在施工前，對所有暗挖下穿影響的建筑物現狀進行評估；施工過程中，對于地裂縫段的地表、地面建筑物和隧道洞內加密布設監測點，將監測信息反饋給設計和監理單位，及時對監測信息進行分析反饋.

制定詳細的應急預案，準備充足的應急物資、設備，根據監測結果對地表建筑物進行必要的地表注漿加固.

5 實施效果分析

從現場全斷面注漿施工情況分析，注漿效果較好，止水效果明顯，現場全斷面注漿施工為20 m一循環，當掌子面開挖臨近注漿終點時，掌子面滲水現象明顯，下個循環全斷面注漿施工完成時，掌子面開挖，無滲水現象，如圖7所示.

圖7 全斷面注漿完成后開挖無滲水現象

注漿漿液配合比調整后，掌子面開挖土體加固效果明顯得到改善，注漿漿液脈絡清晰（如圖8所示），土體開挖效率提高，風險明顯降低.

圖8 掌子面注漿脈絡結石情況

調整后的土體加固效果進行實驗送檢，滿足設計要求的周邊土體無側限抗壓強度不小于1.0 MPa，掌子面土體無側限抗壓強度不小于0.6 MPa，滲透系數均不應小于1×10-6cm/s.

6 結論

本工程針對灞橋區紡織城紡二路站～紡織城站區間地鐵隧道施工中由于地裂縫可能引起的地表沉降及滲水問題，采用淺埋暗挖法進行施工.主要結論如下：

（1）采用超前全斷面預注漿加固與超前小導管支護能夠對地層起到很好的預加固、預支護作用，特別是采用水泥-水玻璃雙液漿作為全斷面止水注漿材料，對水泥漿與水玻璃的配合比及水泥漿的水灰比進行了優化，有效地控制了漿液擴散對周邊建筑的影響；提高了漿液的強度及土體的加固效果；在降低土體開挖風險的同時也加快了隧道開挖的進度.

（2）采用CRD法施工與環形開挖留核心土法是合適的；對于難以破碎的膠結層，采用小挖機結合人工破碎進行施工，由于鈣質膠結層的存在導致開挖時間增加1/3，從而導致整個工期延長.

（3）針對地裂縫暗挖地段，應成立施工專家小組指導施工；當施工到地裂縫前，對前方地層進行探測，根據探測到的地形情況對施工方案進行調整；施工過程中，對于地裂縫段的地表、地面建筑物和隧道洞內進行信息監測施工，制定詳細的應急預案.

（4）實施效果表明，全斷面注漿施工完成時，掌子面開挖無滲水現象；注漿漿液配合比調整后，掌子面開挖土體加固效果明顯得到改善，注漿漿液脈絡清晰，土體加固效果滿足設計要求，土體開挖效率提高，并降低了施工風險.