地鐵工程中沙漏型巖溶注漿技術研究

譚云龍

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

基于當前國家軌道工程的不斷推進，很多城市在規劃設計中推進了地鐵的建設進程，以此為城市交通建設提供便捷。地鐵工程推進過程中可能遇到巖溶問題，為了進一步保證地鐵工程的運營安全，應當增強巖溶處理效果，沙漏型巖溶注漿技術的運用在這一過程中發揮了重要的作用。當前，針對地鐵施工中沙漏型巖溶地質結構的研究不斷深入，包括巖溶地質勘察、巖溶塌陷機理、巖溶發育規律等，本文以北京地鐵M17 號線為例進行分析，探討沙漏型巖溶注漿技術的運用情況。

1 北京地鐵M17 號線工程概況

北京地鐵M17 號線是貫穿南北方向的軌道交通干線，全線設車站21 座，其中地下站17 座，高架站4 座。該地鐵工程線路總長49.7km，其中地下線35.97km，高架線11.57 km，過渡段2.16 km，其中U 型槽1.1 km，路基段1.06 km。全線換乘站11 座，平均站間距2.44 km。共5 站6 區間1 停車場，線路里程為右K33+916.435～K50+252.08，線路長度約17.6 km[1]。

北京地鐵M17 號線位于北京平原地區，地下水為基巖裂隙水，在砂層孔隙中包括潛水、上層滯水、承壓水。該工程地處平原地區，潮白河、大石河、永定河等河流在長期沖刷作用之下形成了地下水，河流流動過程中具有一定的搬運能力，對富水層的分布情況與范圍具有一定的影響作用，并在時間的長期積累之下，形成了一定的水文地質表現，對含水層的分布范圍具有一定的影響。北京地鐵M17 號線施工過程中，對施工起到一定影響的因素主要為上層滯水、潛水與承壓水。粉土填土、粉土、粉細砂地質環境下主要分析上層滯水，主要的水源來源為灌溉水、大氣降水、雨水和污水等。含水層滲透系數受到雨水補給量、補給方式等相關要素的影響，因此參數呈現出一定的變動性。上層滯水分布往往不均勻，水位高低有所變化，并非一成不變[2]。土層巖土施工工程分級，見表1。北京市各月平均降水量如圖1 所示。

圖1 北京市各月平均降水量圖

表1 巖土施工工程分級

2 北京地鐵M17 號線主要巖土工程問題

2.1 土與水源情況

本段線路淺部普遍分布有人工填土，土質不均，厚度變化大，可能賦存上層滯水，對地面建筑基礎形式及埋深影響較大，對覆土薄的暗挖車站、區間和淺埋暗挖的長出入口等安全影響較大。對車輛段地面建筑及路基工程基底穩定不利，影響地面建筑基礎選型及埋深。地下結構多位于地下水位下，含水層主要為砂土、粉土層，滲透性強，含水量大，地下水控制困難，局部穩定的粉質黏土層可能造成局部有承壓水和飽水透鏡體，對施工的安全影響較大，地表水可能對地下水有補給作用，給施工帶來較大困難。地下水埋深較淺，各類地下工程均需進行抗浮設計[3]。

地下水位淺，砂土層普遍較厚，飽和的砂土易引起盾構開挖面失穩，從而產生較大的地面變形，影響既有各類建構筑物的安全。沿線的地面環境復雜，線路距離兩側建筑物較近，地下管線密集，且多處下穿和鄰近建筑物，在次渠站下穿既有亦莊線次渠站，地下工程的施工可能影響既有地鐵線路、鄰近的建構筑物、市政道路和管線的安全。因此，沙漏型巖溶注漿技術施工過程中考慮周邊建筑物的建設情況，充分保證周邊建筑的安全。

根據GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》按各巖土層統計，物理力學指標提供了樣本個數、最大值、最小值、平均值和變異系數，剪切指標除提供以上數據外，還提供了標準值。當樣本數少于6 個時，一般物理力學指標不計算變異系數，剪切指標不計算變異系數和標準值。有關參數的計算公式如下。

1）平均值公式

2）標準差公式

3）變異系數公式

4）標準值公式

其中

式中：?i為巖土參數測試值；n為參加統計的子樣數；γs為統計修正系數，式中正負號按不利組合考慮。

根據測試和試驗成果數據，綜合統計得出的各土層物理力學性質參數。

2.2 明挖車站及區間

線路結構多位于地下水位下，明挖車站及區間需采取地下水控制措施。線路車站開挖深度內上部多為填土、粉土、砂土，部分地段砂土層較厚，地層的自穩性差，飽和的砂土、粉土易產生流土和管涌，影響基坑側壁和坑底安全。結構底板下地基土巖性變化大，土質不均，可能產生不均勻沉降。部分地段分布有承壓水，可能造成基坑突涌[4]。

2.3 盾構區間

礦山法區間洞頂飽和的粉土、砂土層較多，穩定性差，支護困難，易坍塌，施工風險大。跨街的長出入口和風亭預計采用礦山法施工，埋深淺，覆土薄，施工風險大，且填土中可能賦存有上層滯水，對施工安全影響大。砂質黏性土互層的地層結構可能形成局部的地下飽水體，影響施工安全。地層以粉土、黏性土和砂土互層為主，下部的砂層可以作為良好的樁端持力層，但厚度埋深變化較大。飽和的砂土層及局部的承壓水可能影響樁基施工質量。

3 地鐵工程中沙漏型巖溶注漿技術研究

針對以上該工程施工中存在的現實問題，要求不斷優化沙漏型巖溶注漿技術的運用，進一步保證工程施工的總體效能。

3.1 漿液配置及終漿標準

本車站主體結構底板埋深約為17 m，主要位于粉質黏土、細砂層，各層土的地基承載力標準值180～220 kPa，為中低～低壓縮性土，可考慮作為基礎持力層，建議采用天然基礎。場地巖土層厚度變化較大，車站主體結構基底基本全部位于為砂土層與粉質黏土層交界變化地段，地層強度和壓縮性稍有差異，設計、施工時應進行不均勻沉降分析，采取局部換填措施。在地鐵工程施工中，漿液在注漿時，由液相轉變為固相，最終成為結石體，具有堵水與加固效果[5]。見表2。

表2 巖土參數

3.2 沙漏型巖溶地質處理

從當地地質上分析，細砂、粉細砂層覆蓋于可溶巖之上。處理思路為先填充溶洞再施作圍護，溶洞受到地表水、地下水的影響，土洞處理時首先治水，在土洞埋深較淺時，聯合運用挖填、梁板跨越的處理方式。針對深埋土洞，施工中可見具有較強的穩定性，為此，在洞頂上部設置梁板跨越作業方式。或者在頂部鉆孔灌砂礫，目的在于有效充填空間。在工程圍護基底進行加固處理，有效連接車站結構與圍護結構，構成一個整體統一的形態。圍護落底進入巖層，開展帷幕注漿作業。連接圍護結構，開展注漿充填作業[6]。

3.3 車站基坑支護

地鐵工程主體結構采用明挖法施工，開挖深度約17 m，開挖范圍內的土層以填土、砂土、粉土及粉質黏土為主，結構底板位于地下水位以下5～6 m。北側多棟多層建筑，南側也具有建筑工程，施工影響范圍內管線密集，環境條件復雜。對該基坑的支護及施工建議分析如下：根據地質條件及環境條件，采用鉆孔灌注樁+內支撐支護方案。施工中應堅持分步開挖、及時支護的原則。地下砂層較厚，灌注樁施工時應采取措施避免孔壁坍塌，保證圍護結構的施工質量。施工中應采取措施避免對基底土的擾動。對鄰近的重要建構筑物、管線應采取保護措施，并加強監測，采取地下水控制措施時，應考慮上層滯水對工程的不利影響，施工中予以注意，并采取必要的規避措施。對多項施工要素進行全面分析，重點考慮建筑物既有荷載、地面荷載等相關要素的影響。尤其是地面載荷，要求在施工過程中，對運土量、施工機械的準備等相關要素進行精準測算與嚴格把控，以此進一步達到良好的綜合施工效果。

3.4 沙漏型巖溶注漿技術流程

沙漏型巖溶注漿技術施工工藝流程如下。第一，鉆孔布置，結合地鐵工程施工管理現狀與相關要求，設計布孔圖鉆孔，保證符合工程管理的相關要求。第二，結合工程管理現狀環與相關要求，開展鋼套管施工作業，借助于專業施工操作機械，將φ140 mm 鋼套管打至適宜的位置，與地鐵工程施工管理的相關要求相結合，保證低于基巖面。第三，PP-R 管施工屬于注漿技術中的重要運用流程與環節，要求嚴格按照相關操作規范與要求，在PP-R 管施工時使得鋼套管內φ90 mm PP-R管密貼基巖，符合地鐵工程施工管理的實際要求。利用PP-R 管，拔出鋼套管進行施工作業。第四，結合北京地鐵M17 號線工程施工進度與相關工作具體開展要求，鉆桿基巖成孔。運用鉆機把φ73 mm 鉆桿，增強此次工程施工的精準度，放入注漿管，確保符合相關工序的具體要求。第五，安裝止漿塞，把止漿塞埋于PP-R 管之中，按照一定比例制漿注漿，設計水灰比漿液，連接注漿管道與注漿流量儀，溶洞灌漿，全孔一次注漿完成。鉆孔平面布置情況如圖2 所示。

圖2 鉆孔平面布置示意圖

當一個鉆孔出現多個溶洞，同時上下溶洞豎向間距超過2 m，則按照自下而上的原則灌注溶洞。若上下溶洞間巖石厚度不符合止漿塞卡塞厚度的相關要求，則施工作業中2 個溶洞一起灌注。結合具體作業開展情況，對注漿流量進行適當控制與管理，尤其針對注漿量較大的孔，在具體施工時聯合采用間歇待凝、低壓慢流等相關措施。注漿流量設置為40 L/min，注漿量在1.5 倍溶洞體積以內。對具體注漿效果進行檢測，若未達到終漿標準，繼續開展下一輪的注漿作業，直至符合終漿標準。間歇待凝時間控制在3～4 h 之間。

注漿時加強對套管內水位情況、回漿管路運行情況的監測，一旦回漿管路無漿液，或者在施工作業中出現氣體返回現象，則加快注漿速度，但是整體上保持不超過80 L/min 的速度。注漿時，若發現套管內存在氣泡或液體，在施工作業時，適當增加卡塞壓力，在卡塞壓力超過10 MPa 時，依然可能存在漿液從套管內返回的現象，此時停止注漿作業。在灌漿作業結束之后，按照壓力灌漿封孔法的操作要求，水泥濃漿中水灰比設置為0.5∶1，進行封孔。

4 結束語

北京地鐵M17 號線施工過程中，應當對工程地質情況進行具體分析，結合實際情況，綜合選用適宜的沙漏型巖注漿技術，本次工程施工活動取得了良好的綜合效果，地鐵工程順利施工，本次施工成功經驗對類似地質結構巖溶處理提供了一定的范例參考。在具體注漿施工中，應當結合溶洞連通性、填充情況、深度和巖溶水等不同的條件，綜合采取相應的施工作業方式，對相關施工參數進行適當調整。結合注漿壓力、鄰孔返漿、注漿量等相關數值，進一步鞏固注漿效果。