地鐵巖溶地段超前預(yù)注漿技術(shù)分析

秦玉開

(中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 順義 101320)

1 引言

我國人口眾多，城市人口密度大，隨著生活水平的不斷提高，城市化進(jìn)程逐年加快，因此，由城市人口大幅增加所造成的交通擁擠等一系列城市問題急需得到解決。自1863年倫敦市修建世界上第一條地下鐵道以來，地鐵便成為全球各大主要城市基礎(chǔ)建設(shè)的重要內(nèi)容，并逐漸演變成現(xiàn)代化大都市的標(biāo)志。

在地鐵隧道開挖過程中經(jīng)常會遇到復(fù)雜的地質(zhì)情況，如巖溶、斷層、地下暗河等，這些不良地質(zhì)情況對修建地鐵隧道及保證后續(xù)地鐵附屬設(shè)施的安全穩(wěn)定產(chǎn)生嚴(yán)重影響，所以在地鐵選線過程中，應(yīng)盡可能避開不良地質(zhì)體，以減少其帶來的不必要安全隱患。但在有些城市，由于其城市結(jié)構(gòu)、地形地貌及人口分布的特殊性，在地鐵修筑的過程中不可避免的要穿過巖溶區(qū)，此時就應(yīng)對巖溶區(qū)修建地鐵隧道提出安全合理的處治措施。

本文以某市地鐵二號線穿越巖溶區(qū)段為工程背景，根據(jù)該段地鐵隧道的拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合注漿加固原理和漿液滲透理論，通過分析注漿材料和注漿參數(shù)，得到巖溶區(qū)段注漿后形成的復(fù)雜受力狀態(tài)特征和位移變形分布規(guī)律，最終給出地鐵隧道穿越巖溶區(qū)合理的處治方案。

2 注漿加固機理與技術(shù)

2.1 注漿材料選取

注漿所使用的漿液由主劑、溶劑及外加劑按一定比例混合配制而成。根據(jù)主劑分類，漿液可分為化學(xué)漿液與非化學(xué)漿液，主要有普通水泥漿液、水玻璃類漿液、水泥-水玻璃混合漿液、黏土-水泥混合漿液、丙烯酰胺類漿液、聚氨酯類漿液、尿醛樹脂類漿液和鉻木素類漿液等。對于地層間砂礫石顆粒較粗、層間間縫隙尺寸較大的區(qū)域，宜采用水泥漿液或黏土-水泥混合漿液作為灌注材料；而對于地下水豐富區(qū)域，宜采用膠凝時間較短的水泥漿液作為灌注材料。

2.2 注漿參數(shù)的確定

注漿過程涉及到注漿參數(shù)的確定，包括：注漿壓力、注漿量、擴散半徑和注漿段長度。

(1)注漿壓力：注漿壓力指漿液克服流動阻力，在地層間擴散、充填和壓實所需力。注漿壓力與注漿地點的水頭壓力、巖土體孔隙狀態(tài)、土層與漿液之間的摩擦系數(shù)、注漿斷面面積、漿液凝固時間等因素有關(guān)，并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，通常根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗來確定，注漿壓力的確定還需綜合考慮如下因素：

①滿足不同注漿方法的要求，如劈裂注漿法、滲透注漿法、壓密注漿法等；②盡可能在最少注漿量的同時滿足強度要求，從而實現(xiàn)注漿最優(yōu)化；③當(dāng)漿液黏度較大或膠凝時間較短時，可適當(dāng)增大注漿壓力，反之則應(yīng)適當(dāng)減少注漿壓力；④考慮對周圍管線與建筑物的影響，若管線復(fù)雜或地表構(gòu)筑物易損壞，則采用低壓注漿。

(2)注漿量：注漿量是指注入地層中漿液的使用量，可分為單孔注入量與注漿段總注入量，注漿量應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)概況、水文條件、注漿方案、所選漿材和預(yù)期注漿效果來確定。

(3)擴散半徑：擴散半徑是指在注漿壓力下，漿液從注漿孔沿地層間孔隙向四周擴散，逐漸填滿地層孔隙，最終凝結(jié)硬化巖土體的范圍，可近似認(rèn)為注漿范圍呈球形分布。

(4)注漿段長度：根據(jù)注漿方式可分為全段一次注漿與分段注漿，分段長度不同，所取得的加固效果、消耗的經(jīng)濟(jì)成本、施工的難易程度不一樣。所取段長越短，注漿壓力作用越顯著、漿液擴散越均勻、加固效果越好。

2.3 注漿復(fù)合地基受力變形特性

加固區(qū)等效樁體破壞包括以下三種破壞形態(tài)：

(1)屈曲破壞：當(dāng)注漿漿液直達(dá)堅硬巖層上部，且天然土層性質(zhì)軟弱時，固結(jié)體由于缺乏側(cè)向約束作用，在上部荷載作用下主要表現(xiàn)為縱向撓曲破壞，由于注漿并未配置縱向鋼筋，故其強度主要取決于漿液本身黏結(jié)強度與漿液擴散半徑。

(2)整體剪切破壞：當(dāng)注漿漿液達(dá)到堅硬巖層，且注漿孔與注漿孔之間天然土體抗剪強度較高，同時注漿深度較淺時，認(rèn)為此時固結(jié)體受到一定的側(cè)向約束作用，固結(jié)體底部土體形成滑動面而出現(xiàn)整體剪切破壞，強度主要取決于注漿區(qū)底部堅硬巖層的承載能力。

(3)刺入破壞：當(dāng)注漿漿液未達(dá)到堅硬巖層，且固結(jié)區(qū)周圍土體性質(zhì)均勻，強度均較低時，在上部荷載作用下將出現(xiàn)刺入破壞。

3 地鐵隧道巖溶段地面預(yù)注漿處理技術(shù)研究

3.1 注漿設(shè)計

(1)注漿范圍：本文巖溶形狀近似為長方體，考慮到堵水加固的目的，為避免勘察的不完全性，注漿的范圍大于溶洞本身范圍。在巖溶兩端沿隧道軸向各延伸3 m，注漿注漿段起訖里程為AK3+217～AK3+253；在垂直于隧道軸向方向，考慮到地鐵隧道的安全穩(wěn)定性，以隧道軸線為中心線，向兩邊各延伸隧道直徑的1倍，即兩邊各延伸12 m；在巖溶高度方向，其最大高度為21 m，由于隧道頂部土層厚1.05 m，隧道底部土層厚13.95 m，隧道直徑6 m，因此高度方向注漿23 m，其中隧道頂部以上注漿2.0 m，隧道底部以下注漿15.0 m。也即注漿最大范圍為36 m×24 m×23 m。在鉆孔注漿過程中，沿豎向打到巖層內(nèi)部2 m深度范圍內(nèi)即可。

(2)注漿材料：由于巖溶內(nèi)部充填物主要為紅黏土，且夾有少量石灰石碎屑，漿液很難通過滲透注漿方式注入，故選擇懸濁型漿液，采用劈裂注漿方式進(jìn)行注漿。選用水泥-水玻璃(CS)漿液，可方便調(diào)節(jié)膠凝時間，水泥采用425號新鮮普通硅酸鹽水泥，無受潮結(jié)塊現(xiàn)象，注漿用水可選擇自來水廠飲用淡水，但要嚴(yán)格控制注漿用水的酸堿度，水灰比選用1∶1，水玻璃要求符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

(3)注漿孔布置：全孔采用Φ110套管，Φ108鉆頭鉆進(jìn)，護(hù)壁套漏出地面0.5 m。注漿管間距1.5 m，多排注漿孔布置，注漿孔采取梅花形排列，由巖溶外圍逐漸向里推進(jìn)，共鉆孔400個。

(4)注漿方式與注漿分段長：采用地面預(yù)注漿方式，由于巖溶上部有6 m厚的巖層，考慮采用分段上行式注漿。注漿分段長為4 m，當(dāng)巖溶高度不足4 m時，采用全段一次注漿。

(5)膠凝時間與注漿壓力：巖溶內(nèi)含水，但并未發(fā)現(xiàn)涌水現(xiàn)象，因此膠凝時間取3 min。由于巖溶區(qū)域地層大部分為紅黏土層，注漿壓力考慮取為0.6 MPa，并根據(jù)施工過程中出現(xiàn)的情況隨時調(diào)整漿液壓力。

(6)注漿量：漿液注入量應(yīng)該保證充填率在50%左右，漿液注入量預(yù)設(shè)為4 m3/m。

根據(jù)以上各預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行注漿，然后根據(jù)現(xiàn)場注漿實際情況調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，以期達(dá)到最優(yōu)注漿效果。

3.2 注漿施工工藝

(1)施工準(zhǔn)備：施工前對該巖溶段進(jìn)行土層地質(zhì)調(diào)查，詳細(xì)了解該巖溶的大小與分布情況，以確定注漿孔布置以及漿液制備；對土層成分進(jìn)行成分分析，確保漿液與土層中某些成分之間的化學(xué)反應(yīng)對于注漿效果不會產(chǎn)生影響，如若出現(xiàn)不利影響，應(yīng)及時調(diào)整漿液成分，避免與預(yù)期效果相差較大；調(diào)查對地下水分布情況，測定自然水位，求出土層滲透系數(shù)，避免出現(xiàn)泡漿情況。通過試驗研究，分析地下水酸堿性對注漿效果、漿液膠凝時間、水泥硬度及耐久性的影響；對周邊環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，詳細(xì)掌握周邊建筑物的基礎(chǔ)類型，防止注漿施工期間對周圍構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響。調(diào)查地下水井分布情況，對飲用水源采取保護(hù)措施，防止?jié){液流入井中，做到不污染地下水。完成上述調(diào)查之后，組織施工人員清理施工現(xiàn)場，進(jìn)行設(shè)備調(diào)試，孔位測設(shè)，制備注漿材料。

(2)注漿孔施工：搭建施工平臺，采用多臺MG-50高壓旋噴鉆機同時鉆進(jìn)，各鉆機對準(zhǔn)已測設(shè)好的孔位進(jìn)行鉆孔，要求孔位偏差不超過2 cm，鉆孔一次性完成，鉆孔深度應(yīng)超過設(shè)計深度0.3 m以上。做好鉆探詳細(xì)記錄，記錄各鉆孔鉆進(jìn)尺寸，巖土層變化區(qū)段，出現(xiàn)涌水位置等，根據(jù)鉆進(jìn)速度判斷各巖土層強度。根據(jù)實際鉆孔情況，整個鉆孔過程中無涌水現(xiàn)象發(fā)生。

(3)安裝注漿設(shè)備進(jìn)行壓水試驗：安裝完注漿設(shè)備之后，進(jìn)行壓水試驗，注水量逐漸增大，注漿壓力比設(shè)計終壓大0.5 MPa，檢查注漿是否有竄水、漏水現(xiàn)象出現(xiàn)，測定壓水流量，測定鉆孔吸水率，檢查止?jié){塞止?jié){效果。根據(jù)現(xiàn)場實際檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)注漿孔段吸水量Q為25 L/(min·m)，進(jìn)水量不大。

(4)確定漿液配合比：根據(jù)壓水試驗所采集的試驗數(shù)據(jù)，選取水泥-水玻璃漿液，采用42.5號普通硅酸鹽水泥，水灰比為1∶1。在配方中加入所需添加劑，先將少量組分與中等量稀釋劑混合，進(jìn)行攪拌，再與大劑量漿液攪拌均勻，并在漿液中加入了適量惰性染色劑，為后續(xù)確定漿液滲透范圍分析所用。

(5)注漿：注漿順序先疏后密，先周邊后中間，漿液密度由稀到濃交替進(jìn)行。先開水泥漿泵將孔中的水壓入裂隙，后開水玻璃漿液泵進(jìn)行注入，實現(xiàn)雙液注漿。注漿全過程觀察并記錄注漿量與注漿壓力。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計的0.6 MPa時，若注漿流量穩(wěn)定在100 L/min時，即可停止注漿。

(6)注漿效果檢驗：通過檢驗巖溶地層的滲透系數(shù)K值，發(fā)現(xiàn)除極個別鉆孔注漿外，大多數(shù)注漿體滲透系數(shù)下降明顯，說明注漿達(dá)到預(yù)期效果。標(biāo)準(zhǔn)灌入度試驗測得N值明顯增大，由剛開始灌入30 cm錘擊9次增加到16次，也說明注漿達(dá)到了預(yù)期效果。

4 溫克爾彈性地基模型求解沉降量

4.1 確定復(fù)合地基復(fù)合模量

由于采用地面預(yù)注漿，鉆孔方位為垂直向下，所以可將注漿孔及周圍漿液固結(jié)體看作具有一定強度的樁體，通過對巖溶范圍內(nèi)孔徑周圍土體取土分析，發(fā)現(xiàn)漿液中染色劑的擴散范圍為0.8 m左右，最終取漿液有效擴散半徑為0.6 m，取固結(jié)體彈性模量Ep為10 000 MPa，溶洞區(qū)域紅黏土在地面預(yù)注漿施工之前彈性模量Es為5.33 MPa，取固結(jié)體密度為2 600 kg/m3。溶洞水平面面積為Ac=20×40=800 m2，固結(jié)區(qū)域面積Ap=400×0.6×0.6×π=452 m2。因此，復(fù)合地基面積置換率m為：

(1)

等效均質(zhì)土層的復(fù)合模量Esp為：

Esp=mEp+(1-m)Es

=0.5655×10 000+0.4345×5.33

=5 657 (MPa)

(2)

等效均勻土層的復(fù)合密度表示為：

ρsp=0.5655×2 600+0.4345×1 700

=2 209 (kg/m3)

(3)

4.2 基于溫克爾彈性地基模型隧道沉降計算

石灰?guī)r層重度γ1為27.0 kN/m3，巖溶復(fù)合地基重度γ2為22.1 kN/m3，隧道自重約為50 kN/m，由此得到線性荷載集度為：

q=γ1h1b+γ2h2b+50

=27×6×6+22.1×1×6+50

=1 154.6 (kN/m)

(4)

式中：b為地基梁橫截面寬度，m；h1為石灰?guī)r層厚度，m；h2為巖溶復(fù)合地基厚度，m。

文中地鐵隧道下臥層復(fù)合地基厚度H為14 m，再往下就是堅硬石灰?guī)r層，地基基床系數(shù)可近似按下式求解：

K=bEsp/H

=6×5657÷14=2424×103(kN/m)

(5)

(6)

式中：L為基礎(chǔ)梁的特征長度，m；λ為基礎(chǔ)梁的柔度指標(biāo)，無量綱。將EI=7.657×108kPa及所求得的地基基床系數(shù)K值代入式(6)，得到L=5.97 m，λ=0.168 m-1，由此可得：λl=0.168×30=5.04，l為地基梁的橫截面長度。

查克雷洛夫函數(shù)表，可得到：φ1(λl)=-0.0041，φ2(λl)=-0.0062，φ3(λl)=0.0082，φ4(λl)=0.0021，同時l/2<3L，且梁整體受均布荷載作用，故可作短梁計算。因此，計算得到初始地基彎矩和剪力為：

(7)

將初始M0、Q0代入撓度方程中得到沉降計算公式為：

=-48.6φ3(x)-37.2φ4(x)+0.5(1-φ1(x))

(8)

查克雷洛夫函數(shù)表得到：φ1(λl/2)=-0.0184，φ2(λl/2)=0.0470，φ3(λl/2)=-0.1120，φ4(λl/2)=-0.0654。

將M0、Q0及所求的梁中點克雷洛夫函數(shù)代入下式求得梁中點沉降值為：

ω=-48.6φ3(x)-37.2φ4(x)+0.5(1-φ1(x))

=8.4 (mm)

(9)

查克雷洛夫函數(shù)表得到：φ1(λl/4)=0.3573，φ2(λl/4)=0.2698，φ3(λl/4)=-0.1825，φ4(λl/4)=0.0874。同理，結(jié)合初始彎矩與剪力M0、Q0，可求出梁四分之一節(jié)點的沉降值為ωx=7.5 m=5.9 mm。上面在假設(shè)隧道結(jié)構(gòu)為兩端固結(jié)在巖體中的矩形彈性地基梁條件下，求出了隧道結(jié)構(gòu)縱向中點與四分之一節(jié)點沉降值，采用同樣方法可求出隧道任意點的豎向位移值；對巖溶區(qū)段進(jìn)行地面預(yù)注漿處理后，根據(jù)彈性地基梁理論計算得到隧道結(jié)構(gòu)沉降曲線如圖1所示，將注漿之前與注漿之后的隧道結(jié)構(gòu)物沉降對比分析如圖2所示。

圖1 注漿后沉降解析解

圖2 注漿前后沉降解析解對比圖

圖1和圖2結(jié)果，經(jīng)過地面預(yù)注漿處理之后，采用溫克爾彈性地基梁模型分析結(jié)果為：注漿后沉降相對于注漿前沉降減小一半左右，說明了注漿提升了巖溶段地層的整體穩(wěn)定性，且經(jīng)過地面預(yù)注漿處理后，紅黏土層物理力學(xué)性質(zhì)得到了充分改善。

5 結(jié)論

(1)針對巖溶區(qū)段不能滿足地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降要求的實際問題，對巖溶地段地面預(yù)注漿設(shè)計與施工進(jìn)行了介紹。

(2)對于巖溶區(qū)段地鐵隧道工程進(jìn)行地面預(yù)注漿處理后，隧道結(jié)構(gòu)的沉降在彈性模型與塑性模型下的計算值均表明隧道最大沉降量減少到可控范圍內(nèi)，幾乎沒有沉降差，注漿達(dá)到了預(yù)期效果。

(3)經(jīng)過地面預(yù)注漿處理后，采用溫克爾彈性地基梁模型可知，注漿后沉降值相對于注漿前沉降值減小一半左右，說明注漿起到了一定效果，同時也對地鐵隧道起到加固作用。