復(fù)雜地質(zhì)水文條件下地鐵隧道土體坍塌的控制措施

陳國聯(lián)

（中鐵二十三局集團(tuán)第二工程有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

一、工程概況及工程水文地質(zhì)情況

1 工程概況

長春地鐵一號(hào)線南繁區(qū)間線路整體呈南北走向，出南湖大路站后，向南沿人民大街方向敷設(shè)，直至繁榮路站。區(qū)間左右線均為礦山法施工，全長875.206m。因設(shè)有人防段、停車線段等，結(jié)構(gòu)尺寸不一，根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸由小至大分別采用臺(tái)階法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)洞法開挖支護(hù)。

2 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

長春地鐵1號(hào)線一期工程南湖大路站～繁榮路站區(qū)間位于松遼波狀平原東緣與吉東山地接址帶。本工程場(chǎng)地地層由道路結(jié)構(gòu)層和人工堆積雜填土層、第四系沖積粘性土和沖洪積砂土、下伏白堊系泥巖組成。根據(jù)勘察報(bào)告，擬建區(qū)間場(chǎng)地地層為人工填土、第四系粘性土、砂土及白堊紀(jì)泥巖等。巖性變化不大，地層的均一性較好，但多在地下水以下，受地下水的影響較大。上部土層呈可塑狀態(tài)，局部偏軟，圍巖易坍塌下陷及變形。由地表向下，填土性質(zhì)較差，②1至②2層土質(zhì)相對(duì)較軟，向下各土層的性質(zhì)隨深度漸好。需根據(jù)不同圍巖分級(jí)做好防護(hù)措施，確保隧道圍巖穩(wěn)定。

在區(qū)間1隧道土方開挖過程中，隧道上臺(tái)階基本位于勘察報(bào)告提供的②5粘土層中，拱部位于②4粉質(zhì)粘土層與②5粘土層交界面處，實(shí)際開挖揭露的地層土體非常松散，顆粒感較強(qiáng)，土體遇水后極易崩解垮塌，自穩(wěn)性和工程性質(zhì)較差。如圖 1所示。

2.2 水文地質(zhì)

現(xiàn)場(chǎng)勘察過程中，發(fā)現(xiàn)三層地下水，第一層為表層孔隙性潛水（編號(hào)①），第二層為淺層承壓水（編號(hào)②）、均屬于第四系松散巖類孔隙水，第三層為巖石裂隙水（編號(hào)③），屬于碎屑巖類裂隙水。

圖1 南～繁區(qū)間隧道工程地質(zhì)縱斷面

圖2 地表水向下滲水通道示意圖

圖3 超前探測(cè)不良地質(zhì)匯總圖

由于我施工標(biāo)段距離南湖較近，雖然按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了管井井點(diǎn)降水，并按設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)要求，提前三個(gè)月啟動(dòng)降水，但受南湖水系的影響，在區(qū)間暗挖過程中，始終做不到無水施工，施工掌子面始終存在滲水現(xiàn)象。

二、區(qū)間隧道常規(guī)施工措施

1 施工降水

1.1 降水設(shè)計(jì)

根據(jù)勘察報(bào)告、站點(diǎn)結(jié)構(gòu)施工順序、現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地條件、地下管線情況、現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)筑物影響等多方面因素的分析，選擇大口徑管井群井降水：在區(qū)間兩側(cè)布置抽水井形成封閉降水，疏干第①層潛水、降低和疏干②層承壓水及疏干裂隙水，控制基坑中央水位深度，達(dá)到降低地下水位的要求。

區(qū)間長875m，分為兩段。區(qū)間北段井間距6m，井深34m；區(qū)間南段井間距8m，井深30m；降水井井徑600mm、無砂水泥濾管，3mm～7mm碎石濾料，布置在離開挖線3m的位置。

1.2 降水施工方法

（1）施放井位

采用人工挖探孔的方法，探孔深度不小于3m，確認(rèn)地下無各種管線后方可施工。

（2）降水井成孔

為確保降水效果，減小洗井難度，所有管井采用反循環(huán)鉆機(jī)成孔。

（3）替漿及下管

下管前注入清水置換全井孔內(nèi)泥漿，砂石泵抽出沉渣并測(cè)定孔深。井管采用無砂水泥管。

（4）填濾料

井管下入后立即填入濾料。

（5）洗井

成井后，借助空壓機(jī)清除孔內(nèi)泥漿，至井內(nèi)完全出清水為止，再用污水泵反復(fù)進(jìn)行恢復(fù)性抽洗。

（6）抽水

圖4 注漿后掌子面土體效果圖

為了保證降水期間抽水持續(xù)作業(yè)，防止長時(shí)間停電造成水位回升，影響地下結(jié)構(gòu)施工，考慮配備用電源。

（7）維護(hù)降水期降水觀測(cè)

維護(hù)降水期應(yīng)對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)地下水動(dòng)態(tài)變化及時(shí)進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的處理措施。

2 超前支護(hù)

區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)斷面土方開挖前沿拱部150°范圍每?jī)砷駯糯蛟O(shè)一排φ32超前注漿小導(dǎo)管注漿加固掌子面前方土體，小導(dǎo)管從鋼架腹部穿過，然后混凝土復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度，混凝土終凝后注漿加固地層。導(dǎo)管長度L=3.0m，打設(shè)角度10°～15°，超前導(dǎo)管環(huán)向間距0.3m。注漿漿液采用水泥漿。

2.1 導(dǎo)管制作

小導(dǎo)管前端做成尖錐形，尾部焊接φ8mm鋼筋加勁箍，管壁上每隔15cm梅花型鉆眼，眼孔直徑為6mm～8mm，尾部長度不小于60cm作為不鉆孔的止?jié){段。

2.2 導(dǎo)管安裝

在安裝好的格柵鋼架上采用紅油漆按照導(dǎo)管設(shè)計(jì)間距做好孔位標(biāo)記，采用風(fēng)槍鉆孔，孔徑較設(shè)計(jì)導(dǎo)管管徑大10 mm，孔深2.5m，傾角10°～15°。成孔后將小導(dǎo)管按設(shè)計(jì)間距從格柵鋼架腹部打入，外露20cm并牢固焊接在格柵鋼架上，與格柵鋼架共同組成預(yù)支護(hù)體系。

2.3 導(dǎo)管注漿

注漿漿液采用水泥漿，漿液水灰比1∶1，注漿壓力0.2MPa～0.5MPa。注漿時(shí)由拱兩邊對(duì)稱向拱頂進(jìn)行，自下而上逐孔注漿。單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求值，持續(xù)注漿10min且進(jìn)漿速度為開始進(jìn)漿速度的1/4或進(jìn)漿量達(dá)到設(shè)計(jì)進(jìn)漿量的80%及以上時(shí)注漿結(jié)束，進(jìn)行一下導(dǎo)管的注漿。如有竄漿或跑漿時(shí)，采用間隔注漿，最后全部完成注漿。

3 土方開挖

區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)段采用上下臺(tái)階法施工，上臺(tái)階土方采用短臺(tái)階環(huán)形預(yù)留核心土人工小步距開挖，下臺(tái)階土方采用挖掘機(jī)開挖。一般情況下，上下臺(tái)階長度控制在5m～6m，上臺(tái)階的外側(cè)按照至少1∶1放出坡面，留出核心土，以很好的支撐掌子面土體，確保掌子面的穩(wěn)定。開挖步距0.75m。

三、特殊地質(zhì)施工控制措施

由于洞內(nèi)大里程作業(yè)面拱部經(jīng)常性土體剝落、塌方，給施工進(jìn)度帶來很大難度，并且存在重大安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患，已經(jīng)造成進(jìn)度滯后、文明施工差，施工掌子面坍方、片土傷人等實(shí)際問題。針對(duì)上述實(shí)際問題，在現(xiàn)有地質(zhì)、水文條件下，我項(xiàng)目部認(rèn)為在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)、調(diào)整施工工藝，采取適當(dāng)加強(qiáng)超前支護(hù)、超前探測(cè)、深孔注漿等措施，以保證本工程安全、質(zhì)量、進(jìn)度及地下管線和操作人員安全。

1 拱腳板墊塊

開挖土體為粉質(zhì)粘土，含水量大時(shí)土質(zhì)較軟，為控制已支護(hù)完成但未成環(huán)格柵的沉降量，采用在拱腳板處加15cm×15cm厚5cm的木板，以減少未成環(huán)格柵的沉降量。以減少沉降引發(fā)坍塌的機(jī)率。

2 加強(qiáng)鎖腳錨管

為加強(qiáng)對(duì)拱腳的處理，根據(jù)施工步序，設(shè)計(jì)在每榀格柵鋼架拱（墻）腳節(jié)點(diǎn)處各設(shè)一根鎖腳錨管。我部認(rèn)為鎖腳錨管剛度不足，數(shù)量偏少，在軟弱富水粘土、粉質(zhì)粘土地層中不能夠有效的控制初期支護(hù)沉降，需要進(jìn)行加強(qiáng)。采用φ42×3.5mm普通水煤氣管，L=3m，每榀格柵鋼架拱（墻）腳節(jié)點(diǎn)處各設(shè)兩根鎖腳錨管，鎖腳錨管水平夾角按45°打設(shè)并注漿，注漿材料選用單液水泥漿。漿液水灰比1∶1，注漿壓力0.5MPa～1.2MPa。

3 超前探測(cè)

根據(jù)掌子面拱部土體中含水量突然增大，存在明顯的滲水現(xiàn)象，且多次發(fā)生拱部土體剝落傷人和塌方事故，現(xiàn)場(chǎng)開挖支護(hù)施工存在較大安全隱患。經(jīng)分析掌子面前方存在不明水囊和滲水通道。我項(xiàng)目部進(jìn)行掌子面前方超前探測(cè)，探明掌子面前方是否存在水囊和滲水通道，依據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)水囊進(jìn)行引流和滲水通道進(jìn)行注漿止水處理。

委托長春國地探測(cè)儀器工程技術(shù)股份有限公司對(duì)區(qū)間隧道1號(hào)工區(qū)左右線隧道開挖作業(yè)面前方進(jìn)行了超前地質(zhì)探測(cè)，探測(cè)發(fā)現(xiàn)地表土體含水量豐富，且存在多處地表水向下的滲水通道，滲水通道范圍內(nèi)土體含水量亦較大，且該范圍內(nèi)土體空隙度很大，水體流動(dòng)性較好，如圖2和圖3所示。

4 深孔預(yù)注漿

在現(xiàn)有地質(zhì)、水文條件下，降水是有效果的，并發(fā)揮了一定的作用。但是由于粘土層、粉質(zhì)粘土層中滲透性相對(duì)較弱，依靠單一的地表管井降水無法完全疏干兩排降水井中間的多處地表水向下滲水通道內(nèi)土體中的地下水。滲水通道范圍內(nèi)土體孔隙和含水量較大，松散、節(jié)理裂隙發(fā)育，因設(shè)計(jì)的小導(dǎo)管注漿壓力和范圍有限，不能形成相互咬合的加固殼體，僅采用原設(shè)計(jì)的超前小導(dǎo)管注漿加固的方式滿足不了現(xiàn)場(chǎng)施工需要。因此根據(jù)地質(zhì)情況及施工經(jīng)驗(yàn)采用在掌子面深孔注漿加固土體。

因此，我單位借鑒類似工程深孔預(yù)注漿加固止水的經(jīng)驗(yàn)，通過在掌子面鉆注漿孔，再向孔內(nèi)壓注雙液漿，漿液擠出開挖斷面及其周圍一定范圍內(nèi)的土體中的水，保證土體中的滲水通道被具有一定強(qiáng)度的漿體充填密實(shí)，并與土體固結(jié)成一體，形成止水深孔周邊帷幕，有效的加固了土體，控制了土體剝落傷人和塌方，取得了良好的效果。具體施工工藝參數(shù)如下：

（1）在區(qū)間1工區(qū)大里程方向隧道上臺(tái)階掌子面噴射400mm厚C20網(wǎng)噴混凝土止?jié){墻；

（2）在隧道拱部放出上臺(tái)階超前深孔預(yù)注漿鉆孔孔位，根據(jù)拱部滲水范圍大小，每循環(huán)布設(shè)超前深孔預(yù)注漿鉆孔5～ 10根；

（3）鉆孔，采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，每循環(huán)鉆孔注漿深度14m，開挖12m，預(yù)留2m長度作為下一注漿循環(huán)的搭接長度。注漿孔直徑108mm，環(huán)向布設(shè)間距0.5m；

（4）注漿，鉆孔內(nèi)打入89mm鋼花管，壓住水泥水玻璃雙液漿。注漿壓力1.5～2.5MPa，水灰比=1∶1，水泥水玻璃比=1∶1，水玻璃濃度35Be’。

通過幾次注漿試驗(yàn)段，均對(duì)土體進(jìn)行了有效的加固，保證了開挖的安全。注漿施工取得了預(yù)期效果。因此，對(duì)南繁區(qū)間后續(xù)滲水通道范圍內(nèi)隧道拱部進(jìn)行超前深孔預(yù)注漿加固，以保證本工程安全、質(zhì)量、進(jìn)度及地下管線和操作人員安全。如圖4所示。

結(jié)語

本文列舉了地鐵施工技術(shù)方法的控制，通過對(duì)隧道掌子面進(jìn)行超前支護(hù)，采取小導(dǎo)管注漿、超前地質(zhì)探測(cè)以及復(fù)雜地層采用深孔預(yù)注漿等措施，增加了巖層的自穩(wěn)能力，有效的控制了隧道開挖過程中的坍塌、突泥、突水情況，避免了地表沉降以及對(duì)周邊建筑物的變形危害。同時(shí)本文案例對(duì)復(fù)雜地質(zhì)地層進(jìn)行了要點(diǎn)分析，采用的技術(shù)措施有效的控制了復(fù)雜地層的風(fēng)險(xiǎn)及病害，對(duì)以后的地鐵隧道土體坍塌的控制措施研究課題中總結(jié)了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

[1]GB 50299-1999，地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].