復(fù)雜地質(zhì)條件下暗挖隧道施工地下水治理技術(shù)

趙光泉

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250002)

1 工程概況

北京西站—軍事博物館站區(qū)間隧道K11+025～K11+630段主要位于羊坊店路下方。該路段現(xiàn)狀路面狹窄，交通繁忙，沿線道路兩旁多為高層建筑，主要有鐵路總醫(yī)院，京門大廈，中國(guó)人民建設(shè)銀行等。

本段全長(zhǎng)605 m，為礦山法施工，線路縱向呈單向坡，隧道結(jié)構(gòu)埋深約16.5 m～30.4 m，里程K11+526.69處為區(qū)間泵房結(jié)構(gòu)中心。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

本段隧道拱部主要位于粉質(zhì)粘土⑥層、礫巖○11層，粘土巖○112層，隧道底主要位于粉質(zhì)粘土⑥層及礫巖○11層。上部覆水為一層水、為潛水，主要在細(xì)砂、粉砂④、卵石、圓礫⑤層，施工期間靜止水位標(biāo)高為40.85 m ～42.7 m，埋深 7.5 m ～9.35 m。入—蒸發(fā)、徑流型，主要接受大氣降水入滲、地下水側(cè)向徑流等方式補(bǔ)給，以蒸發(fā)及地下水側(cè)向徑流為主要排泄方式，其水位年動(dòng)態(tài)變化規(guī)律一般為:6月～9月水位較高，其他月份相對(duì)較低，其水位年變化幅度一般為2 m～3 m，隧道地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 隧道地質(zhì)剖面圖

3 施工方案

從地質(zhì)勘察資料及設(shè)計(jì)圖紙可知，區(qū)間隧道K11+025～K11+630段區(qū)間隧道拱頂主要位于粉質(zhì)粘土層及粉細(xì)砂層中，設(shè)計(jì)中認(rèn)為該層粉質(zhì)粘土厚3 m就能起到相對(duì)隔水的效果。但從豎井及橫通道的實(shí)際開挖過(guò)程中得知該層粉質(zhì)粘土層含砂量大、節(jié)理發(fā)育、滲透性好，且在此層中夾有多個(gè)含水粉細(xì)砂的夾層，因此在開挖施工時(shí)滲水量大且滲水后土體極易塌落。對(duì)地面和地下管線沉降控制不利，給地鐵工程造成不良影響。

根據(jù)眾多學(xué)者的研究成果［1-5］，針對(duì)該地層特性我們?cè)跈M通道開挖過(guò)程中首先采取深孔注漿堵水，采取深孔注漿后開挖期間沒(méi)有發(fā)生較大的拱頂塌方或者掌子面涌水突泥等事故，安全狀況得以改善。但因?yàn)樵摲圪|(zhì)粘土中夾雜有含水砂層，且要避免已經(jīng)支護(hù)好的初支面剝落開裂等，深孔注漿的壓力受到限制，所以堵水效果不穩(wěn)定給開挖帶來(lái)安全隱患直接制約了開挖進(jìn)度。在進(jìn)入?yún)^(qū)間主體粉質(zhì)粘土段開挖后此問(wèn)題日漸突顯，為保證在開挖安全的基礎(chǔ)上兼顧開挖進(jìn)度，我們?cè)趨^(qū)間K11+270～K11+630段開挖中采取深孔注漿+“周邊單層咬合水平旋噴樁”+水平泄水孔的施工工藝。通過(guò)深孔注漿將掌子面前方土體加固并將拱腳處砂層中的水體隔離出開挖輪廓線以外;水平旋噴樁在上臺(tái)階開挖輪廓線以外形成帷幕體，從而起到超前支護(hù)的作用，具體而言，水平旋噴樁起到的主要作用是避免流沙、滲漏和滑移，因此能夠保證隧道施工的安全，并能保證施工效率;水平方向的泄水孔將旋噴樁以外的水體排出，減少水體對(duì)前方掌子面的影響，綜合治水措施施工圖如圖2所示。

圖2 洞內(nèi)綜合治水措施圖

4 旋噴樁工作室

為便于施工，每循環(huán)水平旋噴樁均需設(shè)置擴(kuò)大工作室。擴(kuò)大工作室是在標(biāo)準(zhǔn)斷面的基礎(chǔ)上把拱部及邊墻外擴(kuò)60 cm，每循環(huán)30 m旋噴樁中包括開挖標(biāo)準(zhǔn)斷面22 m、擴(kuò)大斷面6 m、搭接段(標(biāo)準(zhǔn)斷面)2 m，見(jiàn)圖3。

圖3 水平旋噴工作室示意圖（單位：m）

5 深孔注漿止水加固

5.1 施工設(shè)計(jì)

在區(qū)間K11+025～K11+630段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工圍巖揭露情況，在上下臺(tái)階分界處地層為砂層且含水，上臺(tái)階為粉質(zhì)粘土層。由于上臺(tái)階輪廓線以外采用水平旋噴樁止水加固，故深孔注漿加固主要范圍為拱腳處和旋噴樁端部掌子面土體，目的是阻斷旋噴拱范圍內(nèi)過(guò)水通路。

注漿孔位布置見(jiàn)圖2，注漿范圍鉆孔27 m～30 m處。注漿參數(shù):水泥—水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比1∶1，水泥漿與水玻璃體積比1∶1，水玻璃濃度控制在25 Be'～30 Be'。

5.2 施工方法

5.2.1 鉆孔及注漿

采用TXU-150鉆注一體機(jī)成孔，后退式注漿。按設(shè)計(jì)位置及角度，調(diào)整好鉆機(jī)的鉆進(jìn)角度，嚴(yán)格掌握鉆桿深度，慢速運(yùn)轉(zhuǎn)，掌握地層對(duì)鉆機(jī)的影響情況，以確定該地層條件下的鉆進(jìn)參數(shù)。在端點(diǎn)裝有管內(nèi)混合器，使注漿液充分混合。達(dá)到所定的深度，內(nèi)管的噴氣孔關(guān)閉，進(jìn)行橫噴射。注漿泵將水泥漿和水玻璃(稀釋后)分別壓入外管和內(nèi)管，注漿液從端頭浸透到地層中，以每分鐘20 cm～30 cm速率進(jìn)行后退式注漿。施工中及時(shí)形成注漿記錄，通過(guò)對(duì)注漿記錄的統(tǒng)計(jì)，在開挖過(guò)程中觀察漿液的擴(kuò)散情況，分析存在問(wèn)題的原因，為下一循環(huán)注漿做準(zhǔn)備。注漿完畢后，對(duì)注漿孔實(shí)行封密，恢復(fù)原狀。

5.2.2 注漿施工控制參數(shù)

起始?jí)毫ΑK止壓力控制在1.5 MPa～3.0 MPa;雙液漿入漿率達(dá)35%;初凝時(shí)間控制在0.5 min～2 min;鉆桿回抽幅度:控制在10 cm～20 cm;注漿速度:與地層孔隙及連通情況、地層密實(shí)度有關(guān)，因此注漿速度定為每分鐘不大于10 L～20 L;注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):注漿量與注漿壓力雙控注漿，每根導(dǎo)管注入規(guī)定漿液，壓力達(dá)到注漿終壓即可結(jié)束注漿。如壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升，流量不減少，可能為跑漿現(xiàn)象，采用間歇注漿。

6 水平旋噴樁止水加固

6.1 施工設(shè)計(jì)

深孔注漿完畢后，開始施作水平旋噴樁。水平旋噴樁在開挖外輪廓線布置，沿隧道斷面環(huán)向158°范圍內(nèi)共布置水平旋噴樁26根，每根樁長(zhǎng)30 m，樁徑600 mm，樁間距450 mm～500 mm，相鄰樁相互咬合100 mm～1 500 mm。

樁位布設(shè)見(jiàn)圖2。

設(shè)計(jì)參數(shù):旋噴壓力不小于35 MPa、漿液要求水∶水泥為1∶0.8 ～1∶1，每根鉆桿(3 m/根)的退桿時(shí)間不小于 18 min，鉆桿旋轉(zhuǎn)速度控制在13 r/min～15 r/min;水平旋噴樁預(yù)導(dǎo)孔打設(shè)角度為1.5%～2%(現(xiàn)有線路坡度基礎(chǔ)上);單樁每延米水泥用量控制在150 kg。

旋噴樁是用水泥漿置換樁內(nèi)的部分土體成樁，在施工時(shí)會(huì)有泥漿從孔內(nèi)返出，且水泥漿在噴出時(shí)也有部分返漿。在旋噴施工時(shí)，在其工作平臺(tái)下方放置一臺(tái)泥水分離器，將返出的漿液導(dǎo)入分離器后將泥運(yùn)至渣場(chǎng)，水排至豎井內(nèi)積水槽用水泵抽出。

6.2 旋噴樁質(zhì)量保證措施

1)當(dāng)試驗(yàn)樁施工完成后，為保證施工質(zhì)量需要對(duì)樁的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容主要包括樁的直徑、樁的長(zhǎng)度以及強(qiáng)度等指標(biāo)參數(shù);

2)工程開工前，認(rèn)真做好技術(shù)交底，做到人人明白技術(shù)要求，個(gè)個(gè)分擔(dān)技術(shù)責(zé)任;

3)上崗人員必須經(jīng)過(guò)技術(shù)培訓(xùn)，特殊工種必須持證上崗;

4)為了防止鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭的偏轉(zhuǎn)，上仰角應(yīng)該根據(jù)樁的直徑、長(zhǎng)度以及隧道的坡度和地層情況確定，采用跳1根以上施工，從拱底往上施作旋噴樁;

5)注漿壓力和注漿量應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求和有關(guān)規(guī)范的規(guī)定。

7 水平泄水孔排水

深孔注漿和水平旋噴樁兩道施工工序相結(jié)合將掌子面前方的水體隔離出開挖面，為了進(jìn)一步保證開挖施工安全，降低不明水流對(duì)施工的影響，在拱腳處旋噴樁外側(cè)，距離標(biāo)準(zhǔn)斷面外輪廓線60 cm處打設(shè)兩個(gè)水平泄水孔(左右各一個(gè))。每根泄水孔長(zhǎng)度為30 m，孔口直徑為133 mm。套管為花管，花管外側(cè)全部用密目網(wǎng)包裹，并用鐵絲周身箍緊，花管內(nèi)側(cè)再放置一層密目網(wǎng)，在花管內(nèi)外側(cè)設(shè)置兩層密目網(wǎng)，防止砂子和水流一起流出。

8 結(jié)語(yǔ)

本段暗挖條件地質(zhì)復(fù)雜，含水粉細(xì)砂的夾層透晶體較多，施工風(fēng)險(xiǎn)大，施工中采取深孔注漿和水平旋噴樁措施進(jìn)行堵水加固地層，并采取局部打設(shè)水平泄水孔將隔離出開挖輪廓線以外的水體排出，即堵水和排水相結(jié)合的原則，使得開挖正常安全順利進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)施工取得了良好的效果，為以后施工做出了有益的探索，取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。同時(shí)采用必要的水平導(dǎo)向設(shè)備，水平旋噴樁一次達(dá)到30 m，咬合10 cm～15 cm是可行的，大大提高了施工效率。

［1］楊米加，陳明雄，賀永年.注漿理論的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20(6):839-841.

［2］MODONI G，CROCE P，MONGIOVI L.Theoretical modeling of jet grouting［J］.Geotechnique，2008，58(6):533-535.

［3］張民慶，卓 越，韓忠存，等.廣州地鐵楊體區(qū)間飽和含水砂層施工［J］.世界隧道，1998(6):53-56.

［4］BRACHMAN R W，MARTIN C D，GILLISS S A.Grout field trials in outwash sands［J］.Canadian Geotechnical Journal，2004，41(1):1-11.

［5］張民慶.TSS型注漿管及其注漿技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2000(2):50-57.