地鐵工程地層預(yù)加固技術(shù)綜合分析

■張雪晴

（沈陽(yáng)理工大學(xué)）

引 言

地層預(yù)加固技術(shù)是地鐵工程中的重要組成部分，以此保證圍巖的穩(wěn)定性，這對(duì)控制地表沉降方面有積極作用。地層預(yù)加固技術(shù)在地鐵工程施工中，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生直接的影響，在實(shí)際使用過(guò)程中，則需要針對(duì)地形、地質(zhì)狀況而采取施工方法進(jìn)行加固，避免塌方的情況出現(xiàn)。城市地鐵工程建設(shè)，埋深淺、地質(zhì)條件復(fù)雜、地下管線密布等對(duì)工程施工都會(huì)產(chǎn)生直接的影響，為控制沉降，保護(hù)現(xiàn)有建筑物以及地下管線不被破壞，采取有效的地層預(yù)加固技術(shù)來(lái)保證地鐵工程施工的安全性、穩(wěn)定性，對(duì)地鐵工程建設(shè)與發(fā)展等方面有積極作用[1]。

1 地層預(yù)加固技術(shù)的適用性分析

在對(duì)地層預(yù)加固技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究與分析中，其中包含超前錨桿、超前小導(dǎo)管、預(yù)注漿等多種加固技術(shù)。地鐵工程的施工條件不同，則地層預(yù)加固技術(shù)的應(yīng)用方面也存在一定的差異[2]。其中，超前錨桿預(yù)加固技術(shù)是以懸吊、組合梁的方式進(jìn)行加固。錨桿的應(yīng)用操作相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是，如果工程地質(zhì)為軟土層，會(huì)因?yàn)閲鷰r自身穩(wěn)定性比較低的影響，而導(dǎo)致軟土加固的力學(xué)性能不足的情況出現(xiàn)。超前小導(dǎo)管加固則是根據(jù)地鐵工程地層的實(shí)際情況確定注漿材料以及注漿方式等?？梢赃x擇多種注漿材料，其造價(jià)相對(duì)比較低，對(duì)建筑物以及地下管線的影響相對(duì)較小。小導(dǎo)管注漿的適用性比較強(qiáng)，但是，加固范圍相對(duì)比較小，注漿效果不均勻，相比之下，其可靠性比較差。高壓旋噴樁預(yù)支護(hù)在加固中的應(yīng)用，其質(zhì)量比較高，均勻性較高，承載力比較大。水平旋噴樁在實(shí)際操作的過(guò)程中，一般長(zhǎng)度為9m,如果是風(fēng)化的破碎圍巖，其成樁的概率相對(duì)較低，漿液的擴(kuò)散范圍比較小，加固效果會(huì)相對(duì)降低。在實(shí)際應(yīng)用中，適用于淤泥、流塑、粉土、黃土、碎石土等地層。對(duì)于大粒徑塊石、大量植物有機(jī)質(zhì)等類似場(chǎng)地的適用性比較差。注漿預(yù)加固則是以化學(xué)膠結(jié)作用為中心，其耗資相對(duì)比較小，施工靈活方便，加固深度方面可深可淺，應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)比較廣泛。注漿效果與漿液配比、注漿方法等方面有直接關(guān)系，在不同注漿材料下，可適用于各類地層。

2 地鐵工程地層預(yù)加固技術(shù)的綜合比較分析

2.1 棚式預(yù)支護(hù)與注漿的技術(shù)比較

大管棚、水平旋噴樁以及預(yù)切槽都屬于地層預(yù)支護(hù)技術(shù)，鋼管棚的整體強(qiáng)度比較高，耗鋼量比較大，如果施工位置為富水地層，會(huì)出現(xiàn)管間縫隙漏水的情況[3]。預(yù)切槽拱厚比較均勻，但是，其長(zhǎng)度優(yōu)先，在軟含水層中，槽孔施工難度比較高。水平旋噴樁本身強(qiáng)度、防滲漏等效果比較好，軟地層中的應(yīng)用，其土體變形的可能性會(huì)相對(duì)降低。但是，地鐵施工需要在隧道內(nèi)進(jìn)行施工，棚式預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)需要預(yù)留足夠的施工空間，這就會(huì)導(dǎo)致施工斷面擴(kuò)大，其擴(kuò)大情況如下。

圖1 管棚工作間設(shè)置

明確管棚工作空間設(shè)置下，則需要在原有隧道斷面的基礎(chǔ)上增加500mm左右，其長(zhǎng)度需要控制在7m左右。在實(shí)際施工的過(guò)程中，地鐵工程施工距離比較長(zhǎng)，循環(huán)作業(yè)的施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)降低，但是，隧道開挖擴(kuò)大，后期的施工操作以及加固控制難度等也會(huì)相對(duì)增加，影響隧道管棚的整體加固作業(yè)水平。注漿加固技術(shù)在隧道加固施工中的受限影響比較小，而且，其施工難度以及施工操作流程等可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，對(duì)隧道、拱部的地層加固控制效果比較明顯。注漿加固范圍可以靈活設(shè)定，可以在不同程度上改善塑性破壞區(qū)的面積與深度，在單獨(dú)設(shè)置管棚時(shí)，對(duì)超前核心圍巖的預(yù)收斂變形的影響并不大。因此，地層預(yù)加固技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用則需要考慮工程長(zhǎng)度、隧道跨度、地質(zhì)情況、施工可行性等相關(guān)因素，并嘗試擬定多地層預(yù)加固技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的方式，實(shí)現(xiàn)地層預(yù)加固技術(shù)的加固質(zhì)量可以滿足地鐵工程地層施工的綜合要求[4]。

2.2 旋噴樁與管棚的技術(shù)比較

在對(duì)水平旋噴樁超前支護(hù)與管棚超前支護(hù)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究中，在縱向的梁效應(yīng)作用機(jī)理與力學(xué)規(guī)律保持一致。從水平面的角度進(jìn)行分析，水平旋噴樁則應(yīng)該考慮地殼效應(yīng)。管棚支護(hù)則是以鋼管強(qiáng)度為中心，鋼管之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效連接，不具備整體性。所以，在對(duì)各個(gè)區(qū)域基床系數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，兩者之間存在一定的差別。水平旋噴樁可以對(duì)地鐵工程地層變形問(wèn)題進(jìn)行有效控制，但是，從工程開挖的角度進(jìn)行分析，常見的地鐵工程施工大多是采用暗挖法的方式進(jìn)行施工，土體整體的受力狀態(tài)、抗壓強(qiáng)度系數(shù)等方面也會(huì)受到影響。水平旋噴樁在實(shí)際應(yīng)用中，管壁與管徑變化，對(duì)加固剛度變化會(huì)產(chǎn)生直接的影響。結(jié)合管棚荷載變化情況，管徑越大，旋噴樁的管壁越厚，其力學(xué)強(qiáng)度越高。在進(jìn)行研究與分析的過(guò)程中，地層預(yù)加固技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)地層的力學(xué)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等方面進(jìn)行調(diào)整，從而滿足地鐵工程施工的實(shí)際需求。但是，在暗挖過(guò)程中，地下含水量比較豐富，部分地段的地下管線比較多，再加上含水層的影響，地層預(yù)加固難度也會(huì)相對(duì)增加。由于管棚之間無(wú)法形成連續(xù)的固結(jié)體，地鐵工程地層的防滲水效果也會(huì)受到直接的影響。水平旋噴樁在地鐵工程中的實(shí)際應(yīng)用，采用高壓注漿的方式對(duì)土體結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割，可以形成固結(jié)體，在旋噴樁之間可以形成相互咬合的帷幕結(jié)

構(gòu)，其力學(xué)強(qiáng)度、加固效果以及防滲水性等方面也會(huì)相對(duì)提升，這也是水平旋噴樁應(yīng)用于暗挖施工的主要優(yōu)點(diǎn)。

2.3 旋噴樁加固與注漿加固技術(shù)的比較與分析

在對(duì)水平旋噴樁與注漿加固技術(shù)之間的技術(shù)工藝、差異性等方面進(jìn)行研究中，兩種施工方式對(duì)地鐵工程地層的抗剪強(qiáng)度都會(huì)產(chǎn)生直接的影響，而且，注漿也會(huì)改變土體的物理力學(xué)結(jié)構(gòu)。在注漿手段中，靜壓注漿的初始?jí)毫ο鄬?duì)比較低，注漿壓力會(huì)隨著漿流阻力變化而變化，在高壓旋噴注漿方面，其壓力可以控制在35MPa左右，兵役射流切割的方式，提高地鐵工程的整體加固效果。結(jié)合旋噴樁與注漿加固的應(yīng)用特點(diǎn)，兩種加固方式的對(duì)比情況如下：

（1）旋噴注漿射流會(huì)在高壓的影響下，其范圍受控，漿液的范圍可以在地層加固需求內(nèi)，而且，可以降低地鐵工程地層的可變性。

（2）高壓旋噴樁在實(shí)際施工中則可以實(shí)現(xiàn)快速、環(huán)保施工，其整體的應(yīng)用成本與操作工藝等水平相對(duì)較低。但是，注漿加固的過(guò)程中，注漿工藝、注漿材料配比等方面存在一定的復(fù)雜性，而且，地質(zhì)條件不同，注漿施工難度也存在一定的差異。

（3）在相同地層條件下，高壓旋噴樁止水加固對(duì)地鐵工程的管線、隧道產(chǎn)生的影響比較小，施工處理的難度相對(duì)比較高。

結(jié)合上述兩種技術(shù)的對(duì)比分析，在地鐵工程加固施工中，地質(zhì)條件不同，所選擇的地層預(yù)加固技術(shù)方面也存在一定的差異。如果礫石直徑大，巖層較厚，可以根據(jù)工程的實(shí)際情況選擇注漿加固施工技術(shù)進(jìn)行操作。但是，部分地段的地下含水量比較豐富，采用高壓旋噴樁的成樁難度會(huì)增加，可以考慮利用雙液注漿的方式，控制漿液原材料選擇以及漿液配比，以此實(shí)現(xiàn)地層止水、加固的施工目的。

3 各地層預(yù)加固技術(shù)的經(jīng)濟(jì)比較分析

在對(duì)地層預(yù)加固技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究與分析中，為比較旋噴樁、大管棚以及注漿等技術(shù)的應(yīng)用效果，則以三種技術(shù)在同一施工條件下進(jìn)行分析，地層預(yù)加固技術(shù)的經(jīng)濟(jì)對(duì)比則是在假定同一項(xiàng)目的前提下，針對(duì)施工參數(shù)、施工工藝等方面進(jìn)行綜合分析，以此比較不同地層預(yù)加固技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。本次所選加固項(xiàng)目的隧道拱部為180°，地層的孔隙率為41%。在利用地層預(yù)加固技術(shù)的過(guò)程中，水平旋噴樁技術(shù)的應(yīng)用，將樁徑為400mm，而且，環(huán)向的間距為200mm，且樁的長(zhǎng)度為14m，單位面積下的水泥用量為162kg/㎡，施工手段以單管工藝為主。大管棚加固施工則是以直徑為108mm×8mm的框架為基礎(chǔ)，環(huán)向的間距為200mm，框架長(zhǎng)度距離為14m，并以1:1的比例進(jìn)行注漿，以地質(zhì)鉆的方式進(jìn)行施工管理。二重雙液注漿則是以“水泥+水玻璃”的方式進(jìn)行注漿，在對(duì)注漿配比方面進(jìn)行控制下，以此實(shí)現(xiàn)地層預(yù)加固技術(shù)的技術(shù)管理、經(jīng)濟(jì)效益分析。在對(duì)上述三種地層預(yù)加固技術(shù)的經(jīng)濟(jì)型進(jìn)行分析中，水平旋噴樁的工程造價(jià)為5120元/m-1，大管棚的造價(jià)為6720元/m-1，二重管雙液注漿為7775元/m-1，在進(jìn)行綜合對(duì)比與分析中，常規(guī)工藝與機(jī)械材料施工方面，水平旋噴樁的綜合造價(jià)成本比較低。此外，考慮不同地層與含水情況，不同的旋噴工藝方面有一定的差異。大管棚施工需要采用不同的施工工藝進(jìn)行操作，在利用注漿的方式對(duì)地鐵工程地層加固方面進(jìn)行控制中，則需要結(jié)合工程地質(zhì)的實(shí)際情況，利用AB、AC等不同的漿液進(jìn)行注漿處理，而且，在進(jìn)行地層加固施工中則需要考慮不同材料的混合配比，以此滿足地層加固施工在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)成本等方面的需求[5]。

結(jié) 論

綜上所述，通過(guò)對(duì)超前錨桿預(yù)加固、高壓旋噴樁預(yù)支護(hù)、注漿預(yù)加固等技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行綜合分析，結(jié)合地鐵工程適用性為視角，注漿預(yù)加固的應(yīng)用適用性比較高，可以滿足地鐵工程的加固需求。從經(jīng)濟(jì)的角度對(duì)地層預(yù)加固技術(shù)的差異化應(yīng)用進(jìn)行分析，水平旋噴樁預(yù)支護(hù)的材料成本、操作成本相對(duì)比較低，但是，其整體的工藝性比較強(qiáng)，使用過(guò)程中需要綜合考慮與分析工程的實(shí)際需求。地層預(yù)加固技術(shù)中的注漿預(yù)加固技術(shù)施工優(yōu)勢(shì)相對(duì)比較明顯，可考慮進(jìn)行全面推廣，應(yīng)用于地鐵工程地層加固施工中。