淺埋暗挖地鐵隧道穿越地裂縫帶施工技術(shù)研究

聶愛兮，曾賽梅，梁 橋

（1.中交一公局集團(tuán)有限公司，北京100020；2.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湘潭411104）

0 引言

西安市位于渭河斷線盆地中段南部，地形地貌復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造較活躍，是我國地裂縫災(zāi)害最嚴(yán)重、最典型的城市［1-3］.據(jù)不完全統(tǒng)計，迄今為止，地裂縫災(zāi)害已給西安市政建設(shè)造成了數(shù)十億元的經(jīng)濟損失［4］.在地裂縫帶進(jìn)行淺埋暗挖隧道開挖，由于土體含水量較豐富，自穩(wěn)能力差，開挖時容易發(fā)生涌水、突泥和坍塌事故，進(jìn)而引起地表塌陷［5-7］.如果在城市地下施工，還容易引發(fā)原有路面開裂、造成已有建筑物下沉，甚至倒塌等不同程度的破壞［8］.因此，地鐵淺埋暗挖隧道穿越地裂縫帶的關(guān)鍵問題是如何確保的地鐵隧道施工安全，減少或避免對周圍環(huán)境的破壞［9］.

本文以西安地鐵6號線紡織城紡二路站～紡織城站區(qū)間內(nèi)淺埋暗挖段隧道為例，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對超前小導(dǎo)管支護(hù)、全斷面注漿加固止水、開挖方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行完善和優(yōu)化，在保證隧道施工安全及作業(yè)面地下水的封堵上取得了良好效果，實現(xiàn)了區(qū)間隧道的順利貫通，取得的成果可以為同類工程的施工提供借鑒和參考.

1 工程概況

1.1 淺埋暗挖段隧道設(shè)計概況

西安地鐵6號線紡二路站～紡織城站區(qū)間位于西安市灞橋區(qū)紡織城，區(qū)間內(nèi)淺埋暗挖段起止里程YDK48+153.401～YDK48+540.117（ZDK48+129.852～ZDK48+551.590）；右 線 暗 挖 長 度 為381.716 m，左線暗挖長度為421.738 m，其間設(shè)一座聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房.圖1為淺埋暗挖段隧道平面布置圖.

圖1 淺埋暗挖段隧道平面布置圖

淺埋暗挖段隧道有兩種斷面形式，分別為盾構(gòu)空推斷面A及標(biāo)準(zhǔn)斷面C，斷面A開挖高度為9.035 m，開挖寬度為9 m，采用CRD法施工；斷面C開挖高度為6.67 m，開挖寬度為6.28 m，采用臺階+臨時仰拱法施工.超前支護(hù)采用超前小導(dǎo)管注漿+全斷面注漿；初期支護(hù)采用格柵鋼架+臨時支撐+噴射混凝土的聯(lián)合支護(hù)體系.

1.2 地裂縫帶工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件

淺埋暗挖段隧道穿越f6地裂縫，沿線路方向地勢總體開闊，西南側(cè)較高、東北側(cè)較低，地形較為平緩，地貌分界位置起伏較大，地面高程介于411.40～433.49 m之間，最大高差約22.09 m.

暗挖段隧道所在場地地表以下60.0 m深度范圍內(nèi)的地層主要為第四系堆積物，土層為粉質(zhì)黏土和古土壤.開挖后發(fā)現(xiàn)地面以下29～30.5 m處存在鈣質(zhì)膠結(jié)層.

根據(jù)鉆孔揭露，工程場地所揭露的地下水為第四系松散層孔隙潛水，水位埋深10.70～29.80 m，水位高程395.80～410.06 m.淺埋暗挖隧道結(jié)構(gòu)標(biāo)高為393.129～402.5 m，地下水位于隧道底面以上2 m、地表以下21 m之間.在新醫(yī)路及長樂東路f6地裂縫的上下盤，地裂縫兩盤地下水位南高北低，上盤水位高于下盤水位約6.0～10.0 m.

1.3 暗挖隧道施工難點

（1）暗挖隧道位于長樂東路下方，穿越紡織城舊城區(qū)，周邊建（構(gòu)）筑物及地下管線較多，其中房屋以20世紀(jì)70、80年代為主，質(zhì)量參差不齊.由于地裂縫破碎帶難以形成自然拱，開挖時容易發(fā)生拱部坍塌、變形過大等事故.

（2）根據(jù)地質(zhì)勘察資料，暗挖隧道基本位于地下水位以下，盡管水壓不大，但地下水和地表水一旦滲入就會造成防水失控.而抽排水易加劇地裂縫的活動，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形增大，造成不可挽回的損失.

（3）地面以下29～30.5 m處存在鈣質(zhì)膠結(jié)層，位于隧道1/3位置，具氧化鐵條紋，難以破碎.圖2為鈣質(zhì)膠結(jié)層位置示意圖.

圖2 掌子面鈣質(zhì)膠結(jié)層位置示意圖

2 地層超前預(yù)加固支護(hù)

針對暗挖段地質(zhì)情況與施工難點，施工中地層超前支護(hù)加固采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固，以及全斷面超前預(yù)注漿加固方案.

2.1 超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固支護(hù)

根據(jù)循環(huán)進(jìn)尺位置，沿隧道拱部初支輪廓線外打入帶孔超前小導(dǎo)管，如圖2所示，然后通過小導(dǎo)管向開挖輪廓外圍巖注漿，對土層進(jìn)行超前加固封堵，在結(jié)構(gòu)輪廓線外形成一個弧形加固圈，防止施工時拱頂?shù)魤K、坍塌.

小導(dǎo)管由直徑φ42 mm、壁厚3.5 mm鋼花管加工而成，長度為3.0 m，沿拱部150°范圍布置，環(huán)向間距0.4 m，縱向間距1.5 m，外插角20°～25°.小導(dǎo)管管壁上按間距150 mm梅花型設(shè)置漏漿孔，孔徑10 mm，鋼管尾部留0.2 m不鉆孔止?jié){段；注漿壓力按0.3 MPa，注漿材料為水泥水玻璃雙液漿，其中水灰比1∶0.5，水泥漿和水玻璃體積比為1∶1；注漿壓力和漿液配比根據(jù)現(xiàn)場試驗進(jìn)行調(diào)整，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠹皶r使用.

2.2 全斷面超前預(yù)注漿加固

地裂縫破碎帶地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，富水量大，遇水極易軟化崩塌［10］.為解決隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性問題，采用全斷面注漿技術(shù)對地裂縫破碎帶地層進(jìn)行止水、加固，提高圍巖的強度和自穩(wěn)能力.

（1）注漿基本參數(shù)

施工時，注漿參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察得到的地層實際情況進(jìn)行試驗確認(rèn)，并在施工現(xiàn)場不斷調(diào)整和完善，注漿過程中結(jié)合注漿壓力變化情況，現(xiàn)場動態(tài)調(diào)整、優(yōu)化注漿參數(shù).具體的注漿基本參數(shù)如表1所示.

表1 注漿基本參數(shù)

（2）注漿材料的選擇

施工前，預(yù)測地質(zhì)情況及涌水點的水壓力、流量、流速和儲水量，選擇注漿材料.具體方法如下：

1）封堵超前小導(dǎo)管管口和封孔注漿時，選用水泥-水玻璃雙液漿；

2）地下水流速很快時，先注入惰性材料，如中粗砂或巖粉等，以充填滲水通道，增加漿液流動阻力，減少跑漿，再注入水泥-水玻璃雙液漿堵水；

3）對于涌水量很大且具有較大儲水空間的大股突水，采取先將動水變?yōu)橄鄬o水再進(jìn)行注漿的堵水措施，即設(shè)置堵截墻，使用快速膠凝的漿液堵水；還可采用分流減壓、減流速的辦法，再調(diào)整膠凝時間對出水點進(jìn)行封堵.注漿材料仍選水泥-水玻璃漿液或超細(xì)水泥漿液.

（3）漿液配比優(yōu)化與配置

為了提高全斷面注漿質(zhì)量，在保證漿液滲透土體后的強度達(dá)到設(shè)計值的同時，對配合比做了優(yōu)化和調(diào)整（如圖3所示），將原設(shè)計的水泥漿與水玻璃體積比1∶1調(diào)整為1∶1.1～1.2，目的是加速漿液的凝結(jié)時間；將原設(shè)計漿液比凝固時間120 s縮短至35 s，防止?jié){液擴散半徑過大對周邊建筑物造成影響.水泥漿水灰比由1∶0.5～1∶0.75調(diào)整為1∶0.75，以提高注漿擴散半徑范圍內(nèi)漿液的強度.

圖3 現(xiàn)場配合比調(diào)試

漿液配置采用SJB-300×2型雙層攪拌器，制漿材料拌和前先稱重，誤差應(yīng)小于5%，水泥等固相材料采用重量稱重法.水泥漿液拌好后用1 mm×1 mm篩網(wǎng)過濾，并放入攪拌機進(jìn)行二次攪拌，純水泥漿制備至用完的時間不超過4 h，細(xì)水泥漿自制備至用完時間不超過2 h.漿液的攪拌時間通過試驗確定，并滿足規(guī)范要求.

（4）注漿孔布置

注漿孔布置如圖4所示，注漿加固范圍為隧道開挖線以外3 m，注漿段長度為20 m，一個注漿段完成后留3 m不開挖作為下一注漿段的止?jié){盤.第一循環(huán)注漿前采用噴射混凝土作為止?jié){墻，厚度30 cm.

圖4 注漿孔布置示意圖

（5）施工要點

1）超前注漿孔鉆孔采用MK-5型鉆機，鉆孔直徑130 cm，鉆孔前先在掌子面用紅油漆按設(shè)計要求標(biāo)注注漿孔位，然后移動鉆機，將鉆頭對準(zhǔn)所標(biāo)孔位，并按設(shè)計調(diào)整鉆機角度后固定.先用鉆機開孔至3 m深，鉆孔直徑130 mm，安設(shè)、固定孔口管（孔口管采用長2.2 m，測量定位孔口外露20 cm，直徑108 mm鋼管），然后通過孔口管鉆設(shè)φ100 mm注漿孔.開孔及孔口管安裝：開孔做到輕加壓、速度慢、給水足.孔口管埋設(shè)，對無水地段采用干硬性早強砂漿堵塞定位，對于孔口涌水地段，孔口管的埋設(shè)采用增強型防水劑和水泥配制的固管混合料來定位固管.漿液的擴散半徑為3.0 m.

2）采用后退式注漿施工，鉆一段，注一段，注漿膠凝時間根據(jù)水壓確定.分段長度根據(jù)鉆孔情況確定，若出現(xiàn)大的涌水或泥沙（Q＞10 m3/h）則按1～2 m分段；若涌水或泥沙較?。≦＜10 m3/h）或輕微卡鉆，則鉆孔注漿段長度可適當(dāng)加大至3～5 m.如無涌水涌泥（砂）和卡鉆的情況發(fā)生，則可采用全孔一次性注漿方式進(jìn)行.以保證注漿質(zhì)量和減少掃孔作業(yè)，增加作業(yè)時間和提高作業(yè)效率.

3）注漿順序是先注外圈孔，再注內(nèi)圈孔；同圈孔間隔注漿，注完一孔，跳過一孔或多孔注漿；先注無水區(qū)，后注有水區(qū).后序孔可檢查前序孔的注漿效果.同時結(jié)合涌水水源點位置和水流方向，按由有水孔到無水孔的順序施工，檢查孔施工順序待注漿孔注漿結(jié)束后視現(xiàn)場情況而定.

（6）注漿效果及評定

1）檢查孔：注漿結(jié)束后，在注漿薄弱區(qū)域鉆設(shè)檢查孔，檢查孔數(shù)量按設(shè)計注漿孔數(shù)量的5%～10%考慮，檢查孔要求全斷面涌水量小于1 m3/（d·m），否則應(yīng)補孔注漿.

2）漿液填充率反算：通過統(tǒng)計總注漿量，反算漿液對空隙填充率，漿液填充率達(dá)到70%以上.

（7）注意事項

1）止水盤（止?jié){墻）止?jié){效果的好壞，將直接關(guān)系到注漿成功與否.根據(jù)注漿段圍巖情況預(yù)留不同厚度的止水盤，一般取3 m.第一循環(huán)注漿前采用噴射30 cm厚混凝土作為止?jié){墻，注漿前進(jìn)行關(guān)水試驗，觀察止?jié){墻滲水情況.當(dāng)出現(xiàn)小股涌水時，應(yīng)采取在涌水處采用風(fēng)鉆鉆淺孔注漿固結(jié)止?jié){墻；當(dāng)出現(xiàn)大股涌水時，應(yīng)采取先對掌子面出水點進(jìn)行引流，清底，澆筑混凝土止?jié){墻，混凝土施工過程中預(yù)埋孔口管與小導(dǎo)管注漿建造止?jié){墻.

2）若鉆孔過程中遇見突泥情況，立即停鉆，拔出鉆桿，安裝孔口管及高壓閥，進(jìn)行注漿.

3）若止?jié){墻小裂隙漏漿，先用水泥漿浸泡過的麻絲填塞裂隙，并調(diào)整漿液配比，縮短凝膠時間；若仍跑漿，在漏漿處采用普通風(fēng)鉆鉆淺孔注漿止?jié)B.

4）若掌子面前方5 m范圍內(nèi)大裂隙串漿或漏漿，采用止?jié){塞穿過該裂隙進(jìn)行后退式注漿.

5）當(dāng)注漿壓力突然增高，則只注純水泥漿或清水，待泵壓恢復(fù)正常時，再進(jìn)行雙液注漿；若壓力不恢復(fù)正常，則停止注漿，檢查管路是否堵塞.

6）當(dāng)進(jìn)漿量很大，壓力長時間不升高，則調(diào)整漿液濃度及配合比，縮短凝膠時間，進(jìn)行小泵量、低壓力注漿，以使?jié){液在巖層裂隙中有相對停留時間，以便凝膠；也可以進(jìn)行間歇式注漿，但停注時間不能超過漿液凝膠時間.

3 開挖及初期支護(hù)

結(jié)合地質(zhì)勘察得到的資料，淺埋暗挖段A斷面采用CRD法開挖.考慮到鈣質(zhì)膠結(jié)層的特殊性，主要為人工配合小型挖機開挖，CRD法共分4個導(dǎo)坑開挖支護(hù)，開挖先后順序為1#、2#、3#、4#，1#與2#導(dǎo)洞錯開3～5 m，1#與3#導(dǎo)洞錯開距離不少于15 m，3#與4#導(dǎo)洞錯開3～5 m.等全部正洞施做完支護(hù)后，逐段拆除臨時支撐施做二次襯砌.圖5為A斷面開挖示意圖.

圖5 A斷面開挖示意圖

暗挖區(qū)間C斷面采用臺階+臨時仰拱法施工如圖6所示，主要為人工配合小型挖機開挖.開挖先后順序為1#、2#、3#，第一步施工時先開挖上臺階土方，開挖時預(yù)留核心土；第二步根據(jù)開挖進(jìn)尺深度，進(jìn)行核心土開挖，確保核心土保留長度為1.5 m，核心土與初支距離約1.8 m，上臺階施工完成后及時進(jìn)行臨時仰拱施工；第三步待上臺階開挖進(jìn)尺6～8 m后，開挖下臺階土體.

圖6 C斷面開挖示意圖

對于難以破碎的膠結(jié)層，采用小挖機結(jié)合人工破碎進(jìn)行施工，由于鈣質(zhì)膠結(jié)層的存在導(dǎo)致開挖時間增加1/3，從而導(dǎo)致整個工期延長.

洞身開挖和支護(hù)格柵鋼架每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m（局部加密，馬頭門進(jìn)洞6榀密排），嚴(yán)格控制鋼架間距，每次開挖完成后立即架設(shè)格柵鋼架.

4 地裂縫帶超前探測與監(jiān)測應(yīng)急

項目部專門成立地裂縫段施工專家小組，對施工過程進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)，借鑒其他單位地裂縫施工成功經(jīng)驗統(tǒng)籌安排施工。

成立專項施工監(jiān)測小組，當(dāng)施工到地裂縫前，對前方地層進(jìn)行探測，根據(jù)探測到的地形情況對施工方案進(jìn)行調(diào)整.同時在施工前，對所有暗挖下穿影響的建筑物現(xiàn)狀進(jìn)行評估；施工過程中，對于地裂縫段的地表、地面建筑物和隧道洞內(nèi)加密布設(shè)監(jiān)測點，將監(jiān)測信息反饋給設(shè)計和監(jiān)理單位，及時對監(jiān)測信息進(jìn)行分析反饋.

制定詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案，準(zhǔn)備充足的應(yīng)急物資、設(shè)備，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對地表建筑物進(jìn)行必要的地表注漿加固.

5 實施效果分析

從現(xiàn)場全斷面注漿施工情況分析，注漿效果較好，止水效果明顯，現(xiàn)場全斷面注漿施工為20 m一循環(huán)，當(dāng)掌子面開挖臨近注漿終點時，掌子面滲水現(xiàn)象明顯，下個循環(huán)全斷面注漿施工完成時，掌子面開挖，無滲水現(xiàn)象，如圖7所示.

圖7 全斷面注漿完成后開挖無滲水現(xiàn)象

注漿漿液配合比調(diào)整后，掌子面開挖土體加固效果明顯得到改善，注漿漿液脈絡(luò)清晰（如圖8所示），土體開挖效率提高，風(fēng)險明顯降低.

圖8 掌子面注漿脈絡(luò)結(jié)石情況

調(diào)整后的土體加固效果進(jìn)行實驗送檢，滿足設(shè)計要求的周邊土體無側(cè)限抗壓強度不小于1.0 MPa，掌子面土體無側(cè)限抗壓強度不小于0.6 MPa，滲透系數(shù)均不應(yīng)小于1×10-6cm/s.

6 結(jié)論

本工程針對灞橋區(qū)紡織城紡二路站～紡織城站區(qū)間地鐵隧道施工中由于地裂縫可能引起的地表沉降及滲水問題，采用淺埋暗挖法進(jìn)行施工.主要結(jié)論如下：

（1）采用超前全斷面預(yù)注漿加固與超前小導(dǎo)管支護(hù)能夠?qū)Φ貙悠鸬胶芎玫念A(yù)加固、預(yù)支護(hù)作用，特別是采用水泥-水玻璃雙液漿作為全斷面止水注漿材料，對水泥漿與水玻璃的配合比及水泥漿的水灰比進(jìn)行了優(yōu)化，有效地控制了漿液擴散對周邊建筑的影響；提高了漿液的強度及土體的加固效果；在降低土體開挖風(fēng)險的同時也加快了隧道開挖的進(jìn)度.

（2）采用CRD法施工與環(huán)形開挖留核心土法是合適的；對于難以破碎的膠結(jié)層，采用小挖機結(jié)合人工破碎進(jìn)行施工，由于鈣質(zhì)膠結(jié)層的存在導(dǎo)致開挖時間增加1/3，從而導(dǎo)致整個工期延長.

（3）針對地裂縫暗挖地段，應(yīng)成立施工專家小組指導(dǎo)施工；當(dāng)施工到地裂縫前，對前方地層進(jìn)行探測，根據(jù)探測到的地形情況對施工方案進(jìn)行調(diào)整；施工過程中，對于地裂縫段的地表、地面建筑物和隧道洞內(nèi)進(jìn)行信息監(jiān)測施工，制定詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案.

（4）實施效果表明，全斷面注漿施工完成時，掌子面開挖無滲水現(xiàn)象；注漿漿液配合比調(diào)整后，掌子面開挖土體加固效果明顯得到改善，注漿漿液脈絡(luò)清晰，土體加固效果滿足設(shè)計要求，土體開挖效率提高，并降低了施工風(fēng)險.