運(yùn)營期地鐵隧道底板結(jié)構(gòu)滲漏水治理技術(shù)

黃 素，王承科，左建敏，夏 宇，許 行，曾 濤

（1、長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司 長(zhǎng)沙 410007；2、中國建筑第五工程局有限公司 長(zhǎng)沙 410004；3、中建五局土木工程有限公司 長(zhǎng)沙 410004）

0 前言

隨著中國城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，運(yùn)營過程中出現(xiàn)了各類質(zhì)量缺陷問題，給運(yùn)營安全和維保工作帶來巨大壓力。由于長(zhǎng)期受地下水的侵蝕和滲透作用，地鐵隧道和車站結(jié)構(gòu)的底板滲漏水問題是地鐵工程中常見的病害，在運(yùn)營期危害大，處理時(shí)間短、工序多、沉降控制要求嚴(yán)及組織難度大，對(duì)行車及設(shè)備運(yùn)行造成安全隱患。趙振江等人［1］對(duì)地鐵隧道整體道床病害機(jī)理的研究顯示，在行車動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下其對(duì)軌道和道床的危害大；李治國等人［2］研究了鋪軌前工況下的車站底板變形縫滲漏水治理技術(shù)，難度之一是堵住高水壓滲漏水的同時(shí)防止底板隆起，由于運(yùn)營隧道對(duì)軌道精度要求更高，對(duì)道床結(jié)構(gòu)的保護(hù)要求也更高，因此運(yùn)營工況下的底板滲漏水處理難度更大，完全治理成功案例少。本文通過探索某城市地鐵線路暗挖區(qū)間隧道運(yùn)營工況下底板滲漏水控制性定點(diǎn)注漿滲漏水治理技術(shù)及成功應(yīng)用，為類似營運(yùn)期暗挖隧道底板結(jié)構(gòu)滲漏水的治理提供借鑒。

1 工程概況

某城市地鐵線路暗挖隧道區(qū)間工程位于富水地帶。隧道長(zhǎng)約900 m，埋深較大，最小埋深約17 m，最大埋深約33 m。本區(qū)間左線為單線馬蹄形隧道，右線結(jié)合存車線分別設(shè)計(jì)為單洞單線、單洞雙線及局部單洞三線隧道。隧道采用礦山法施工，結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)形式為C25 厚35 cm 鋼拱錨噴混凝土，二次襯砌結(jié)構(gòu)為C35 厚50 cm 的P12 抗?jié)B混凝土，初期與二次襯砌之間全斷面設(shè)置一道防水板，以襯砌結(jié)構(gòu)自防水為主，雙層無紡布+EVA 防水板全包式防水層為輔，施工縫、變形縫等薄弱位置采用中埋+背貼止水帶防水加強(qiáng)，為保證安全，初支中隔壁工字鋼在底板施工過程時(shí)不拆除，澆筑于底板混凝土內(nèi)［3］。

2 工程地質(zhì)及水文情況

根據(jù)施工過程中的地質(zhì)揭露，隧道洞身主要處于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化及微風(fēng)化板巖，圍巖巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部存在破碎角礫巖和F20 破碎帶。地下水為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水兩種類型，本場(chǎng)地孔隙水分布于瀝青路面及基層、素填土、雜填土、粉質(zhì)粘土及圓礫土層中，主要賦存于素填土層中，孔隙水含量一般較少；基巖裂隙水在巖石破碎帶和構(gòu)造角礫巖段，巖層的富水性強(qiáng)和透水性好，具強(qiáng)透水性，涌水量較大。本隧道地下水穩(wěn)定水位埋深為3.36～7.98 m，水位標(biāo)高為49.6～57.51 m。地下水位變化主要受氣候的控制，每年4～9 月為雨季，降雨豐沛，是地下水的補(bǔ)給期，其水位會(huì)明顯上升，而10 月至次年3 月為地下水的消耗期，地下水位隨之下降，年變化幅度4.00～6.00 m，同時(shí)在地表水道附近地下水亦會(huì)隨湘江水位漲落而起伏變化。

3 隧道底板滲漏水成因分析

3.1 隧道底板結(jié)構(gòu)滲漏水位置確定

通過對(duì)整個(gè)暗挖隧道全面進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，經(jīng)分析約有30 m長(zhǎng)區(qū)段滲漏水較嚴(yán)重且最具有代表性，此段道床板返水位置集中出現(xiàn)靠近隧道底板結(jié)構(gòu)環(huán)向施工縫和變形縫附近，主要表現(xiàn)為道床板表面濕漬和積水、道床板側(cè)面裂縫處滲水、道床板側(cè)邊與水溝底面交接處滲水、側(cè)邊水溝填充層表面滲水；少部分出現(xiàn)在原初支中隔壁位置的中間水溝填充層，沿縱向隨機(jī)分布的表面濕漬。隧道道床現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際滲漏水情況如圖1所示。

圖1 隧道道床現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際滲漏水情況Fig.1 Actual Seepage Situation of the Tunnel Bed

參考張學(xué)文等人［4-8］對(duì)過去大量礦山法隧道滲漏水部位所做的調(diào)查研究和分析，結(jié)合上述現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查結(jié)果，可以判斷該隧道底板滲漏水的位置主要在變形縫和環(huán)向施工縫，少部分位于中間水溝填充層下的底板初支中隔壁處（類似于穿墻管件），滲漏水在道床板與底板間的接觸面縫隙內(nèi)流動(dòng)，通過最近的道床板薄弱位置滲出。

3.2 隧道底板結(jié)構(gòu)滲漏水原因分析

隧道底板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滲漏水問題必須同時(shí)滿足3個(gè)條件：①地層中存在地下水通過流水通道透過初期支護(hù)滲入混凝土結(jié)構(gòu)面；②全包式防水板出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，存在滲流水通道；③隧道混凝土結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量缺陷或滲流水通道。

3.2.1 隧道初期支護(hù)滲漏水原因分析

⑴暗挖隧道開挖過程中，多次揭露出局部破碎角礫巖和破碎帶，其基巖裂隙發(fā)育極破碎且裂隙連通性強(qiáng)，與地層基巖裂隙水連通，常伴流水情況出現(xiàn)，說明基巖中存在較豐富裂隙水，且根據(jù)季節(jié)性變化。

⑵初期支護(hù)施工時(shí)，由于施工工期、施工環(huán)境、施工機(jī)械設(shè)備、施工方法及操作人員技術(shù)水平影響初支的質(zhì)量，如噴射不飽滿不密實(shí)、空隙空洞、裂縫、預(yù)留鐵管件、接縫位置處理等質(zhì)量缺陷未及時(shí)進(jìn)行處理或未處理到位，存在滲水通道。

⑶隧道施工時(shí)按照規(guī)范規(guī)定要求，開挖、初期支護(hù)、二次襯砌同步推進(jìn)施工，由于隧道未全部封閉，整個(gè)隧道外水壓水位未上升，局部存在質(zhì)量缺陷或流水通道很難被發(fā)現(xiàn)并處理。

3.2.2 隧道全包式防水滲漏水原因分析

⑴本暗挖隧道采用全包式防水設(shè)計(jì)，施作前應(yīng)保證初期支護(hù)層表面沒有滴漏現(xiàn)象，根據(jù)劉維寧等人［9］對(duì)公路隧道防排水技術(shù)進(jìn)展的研究表明全包式防水在很多條件下在技術(shù)上并不可行，尤其是隧底部分，因此仰拱初期支護(hù)層表面滲漏水難以避免和處理，在仰拱防水板隔水層施工完成后，初期支護(hù)噴混層的滲漏水在防水板下匯聚，形成積水層和若干積水囊，仰拱襯砌完成的時(shí)間越長(zhǎng)，匯集的水越多，使仰拱襯砌與初期支護(hù)層間無法密貼，導(dǎo)致底板下脫空或空洞，形成地下水串流通道。

⑵在施工防水層時(shí)，防水層一般采用焊接且焊縫多，難免出現(xiàn)漏焊、少焊、焊縫寬度不夠及焊接不到位現(xiàn)象；同時(shí)基層尖銳物處理不到位或在其它工序時(shí)碰觸，導(dǎo)致防水層破損、裂開、脫焊等質(zhì)量缺陷；掛設(shè)防水板時(shí)預(yù)留伸縮量不足在澆注混凝土?xí)r被擠破或脹裂等現(xiàn)象，以上原因均會(huì)使防水層存在滲流水通道。

3.2.3 隧道混凝土結(jié)構(gòu)滲漏水原因分析

⑴ 混凝土和易性差或施工工序質(zhì)量控制不到位，混凝土澆注過程中出現(xiàn)振搗不密實(shí)、少振、漏振或過振現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)疏松層和蜂窩，形成各種不規(guī)則形狀的透水縫隙。

⑵施工縫或變形縫處理不到位，澆注前施工縫未清理干凈，內(nèi)夾雜泥漿、礦渣、浮漿等；止水帶或止水鋼板位置安裝不準(zhǔn)確或焊接不密實(shí)，且固定不牢靠澆注時(shí)出現(xiàn)偏位等問題等。

⑶由于地質(zhì)不均勻沉降產(chǎn)生混凝土結(jié)構(gòu)縫裂或開裂；混凝土本身收縮產(chǎn)生的貫通性裂縫。

⑷在混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)留預(yù)埋鐵件管件，防水處理不到位，存在滲流水通道。

4 隧道底板滲漏水控制性定點(diǎn)注漿治理技術(shù)

4.1 隧道底板滲漏水注漿治理原理

注漿采用黏土水泥漿為主要注漿材料；封孔采用水泥水玻璃雙液漿。通過控制性定點(diǎn)注漿治理技術(shù)能夠有效防止道床板隆起、注漿壓力損失和漿液流失，使?jié){液擴(kuò)散至設(shè)計(jì)的范圍并且有效地對(duì)底板結(jié)構(gòu)下的串流水通道、積水囊及底板結(jié)構(gòu)中的縫隙通道等進(jìn)行充填、浸滲和封閉，形成強(qiáng)度較高、水穩(wěn)定性較好的水泥結(jié)石體，阻斷和減少水流通道，達(dá)到止水效果的同時(shí)提高基底強(qiáng)度和密實(shí)性，降低行車動(dòng)荷載對(duì)軌道道床的不利影響，滿足正常使用的要求。

4.2 注漿材料選擇及配比與設(shè)備

注漿材料選擇黏土水泥漿為主要注漿材料，水泥選用早強(qiáng)型硅酸鹽水泥（P.O.42.5R），黏土選用粘性和膨脹性較好的膨潤土，漿液水灰比為（1～0.8）∶1，黏土摻比10%～15%，其兼具黏土漿和水泥漿的優(yōu)點(diǎn)：成本低、流動(dòng)性好、穩(wěn)定性高、抗?jié)B和抗沖刷力強(qiáng)，在水泥漿中加入黏土后，可顯著降低析水現(xiàn)象，提高結(jié)石率，水泥石（注漿結(jié)石體）的不透水性也相應(yīng)提高。封孔注漿材料選擇以早強(qiáng)型硅酸鹽水泥（P.O.42.5R）和40Be 水玻璃為主要制漿材料；因凝結(jié)時(shí)間短，便于快速封孔，水泥漿采用水灰比（1～0.5）∶1，水泥漿液和水玻璃液體體積比采用1∶（0.15～0.25），注漿時(shí)漿液由稀到濃進(jìn)行配置。主要設(shè)備為ZKSY90-125 高壓注漿機(jī)，MGJ-50鉆孔機(jī)，2寸的注漿球閥，2寸（中心開孔1寸）的注漿頭，精度1.0級(jí)量程6 MPa的耐震壓力表，SP-Ⅱ型智能漿粉噴灌記錄儀，定制特殊止?jié){塞注漿孔口管。

4.3 注漿壓力與流量雙控指標(biāo)的設(shè)定

⑴注漿壓力確定：注漿主要目的是對(duì)底板結(jié)構(gòu)下的空洞、滲流水通道及施工縫縫隙進(jìn)行置換填充封堵。注漿壓力過大，將導(dǎo)致新的結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生、現(xiàn)有裂縫的擴(kuò)張及道床上浮等不利情況；注漿壓力過小，由于承壓水自身壓力的存在，漿液無法灌入，導(dǎo)致注漿無法進(jìn)行。本區(qū)間隧道襯砌設(shè)計(jì)考慮承受全部靜水壓力，抗浮設(shè)計(jì)水位按現(xiàn)狀地面下3 m計(jì)算，其設(shè)計(jì)考慮地下水壓力為0.27 MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)情況，綜合考慮一定安全系數(shù)，取注漿壓力控制值為0.35 MPa，略高于設(shè)計(jì)地下水壓力，既不會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)造成損害，又能使?jié){液能順利注入到底板結(jié)構(gòu)空腔或滲流水通道內(nèi)擴(kuò)散、置換、填充及封堵。

⑵流量控制：能使注漿連續(xù)順利進(jìn)行，流量控制必不可少。結(jié)合本隧道底板工況，流量控制值不超過40 L/min且應(yīng)緩慢進(jìn)行，當(dāng)注漿壓力達(dá)0.35 MPa，穩(wěn)壓5～10 min，如流量不變，則持續(xù)注漿；當(dāng)流量低于10 L/min或相鄰連通孔返濃漿約2～3 min后，應(yīng)暫停注漿。

4.4 道床及鋼軌監(jiān)控量測(cè)

⑴監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)要求：以注漿區(qū)域中心往前后各25 m 范圍內(nèi)布設(shè)，在鋼軌基座上按5 m 間距布置，共布設(shè)44個(gè)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)在固定可靠無異物處布設(shè)，并做好明顯標(biāo)識(shí)。未注漿時(shí)監(jiān)測(cè)頻率為10 min/次；注漿過程中，注漿孔附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)為連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Monitoring Point Layout

⑵監(jiān)測(cè)總體控制標(biāo)準(zhǔn)：為防止注漿過程中可能造成道床和底板上浮，需對(duì)道床和軌道進(jìn)行高程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)軌道精調(diào)后的數(shù)值和設(shè)計(jì)要求確定控制值，本隧道注漿變化速率控制值為0.8 mm/次，累計(jì)沉降控制值為3 mm，采用兩臺(tái)高精度水準(zhǔn)儀對(duì)注漿影響區(qū)域進(jìn)行對(duì)角交叉測(cè)量，水準(zhǔn)儀及后視點(diǎn)選在視野良好且遠(yuǎn)離注漿影響區(qū)域的位置，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)當(dāng)次達(dá)到0.8 mm 或累計(jì)沉降達(dá)到2.1 mm 時(shí)預(yù)警，則立即暫停注漿并泄壓，分析原因制定對(duì)策后再進(jìn)行下一步工作。

4.5 隧道底板結(jié)構(gòu)滲漏水注漿工藝

4.5.1 滲漏水注漿工藝流程（見圖3）

圖3 滲漏水注漿工藝流程Fig.3 Flow Chart of Grouting Process for Seepage Water

4.5.2 孔位布置

選擇該區(qū)段做為試驗(yàn)段，其橫向布置3孔，間距為4 m，2孔位于底板中心部位，1、3孔位于兩邊排水溝的側(cè)邊；縱向中心位置布設(shè)10孔，兩側(cè)對(duì)應(yīng)布置2孔，縱向間距為3 m，如圖4?按4個(gè)孔1、2、3、5順序?yàn)橐唤M。應(yīng)注意孔位布置在軌道軌枕外，且未有通訊、設(shè)備位置，如有沖突點(diǎn)位可適當(dāng)調(diào)整。

圖4 注漿孔位置布置示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Grouting Hole Location Layout

4.5.3 注漿孔口管安裝

注漿孔采用水磨鉆鉆孔，孔徑φ50，深度以剛好鉆穿透防水板進(jìn)入初支層3～5 cm時(shí)為宜，成孔后先釋放水壓一段時(shí)間，待水頭穩(wěn)定后進(jìn)行清孔，再安裝注漿管。特制的注漿管孔口管由帶倒鋸齒狀φ42～48變徑止?jié){管（長(zhǎng)度40 cm，內(nèi)置φ25 注漿孔）、φ25 無縫鋼管及球閥、四通等配件組成。止?jié){管與隧道底板（仰拱結(jié)構(gòu)段）通過纏繞亞麻固定，上部無縫鋼管通過絲扣連接，孔口管實(shí)物圖如圖5所示，注漿管示意圖如圖6所示。注漿管安裝時(shí)，其孔口管僅須固定在仰拱結(jié)構(gòu)段，防止?jié){液倒流至道床與仰拱之間縫隙，避免道床上浮。安裝完成后關(guān)閉球閥，檢查孔口管固定牢固情況與止?jié){塞處密封效果，如有松動(dòng)或漏水則需檢查原因重新下管或采用加固封堵措施，防止注漿時(shí)漏漿泄壓。

圖5 孔口管實(shí)物Fig.5 Physical of Grouting Pipe

圖6 注漿管構(gòu)造示意圖Fig.6 Schematic Diagram of the Structure of the Grouting Pipe

4.5.4 注漿孔壓水連通性檢驗(yàn)

注漿孔布置完成后應(yīng)先進(jìn)行壓水檢驗(yàn)，主要檢驗(yàn)注漿孔的可注性和連通性，確定相臨或相近的孔具有連通性后，方可對(duì)此孔進(jìn)行注漿，否則此孔不應(yīng)注漿。如孔不具備連通性，注漿時(shí)，短時(shí)間內(nèi)壓力會(huì)聚增，可能會(huì)引起道床上浮。操作方法：

⑴把所有注漿孔進(jìn)行編號(hào)分組，關(guān)閉所有球閥。

⑵按分組進(jìn)行壓水，壓水壓力小于0.35 MPa，打開相臨兩孔，如2號(hào)孔和1號(hào)孔，從2號(hào)孔進(jìn)行壓水，觀察1 號(hào)孔水頭變化情況；關(guān)閉1 號(hào)口，打開3 號(hào)孔，從2 號(hào)孔進(jìn)行壓水，觀察3 號(hào)孔水頭變化情況，依此類推，過程做好詳細(xì)記錄。

⑶連通性判斷：相臨兩孔壓水時(shí)，另一孔水流變大，則判斷為連通；水流明顯變大，則判斷連通性較好，可注性好；如另一孔無明顯變化或變化較少時(shí)，則連通性差，把所有孔連通性進(jìn)行詳細(xì)記錄在布孔圖上，為下一步注漿提供依據(jù)。

4.5.5 注漿

按照各孔壓水連通性情況進(jìn)行注漿，注漿孔應(yīng)優(yōu)先選擇中間位置孔位，因注漿擴(kuò)散范圍大，可注性相對(duì)側(cè)邊孔較好。對(duì)連通性差的孔位，不進(jìn)行注漿，在注漿完成后直接進(jìn)行單孔封孔處理。注漿總體原則：

⑴注漿順序應(yīng)從隧道低處向高處緩慢連續(xù)注漿；

⑵注漿壓力控制值應(yīng)不超過0.35 MPa，流量不超過40 L/min；除特殊情況外，同孔注漿應(yīng)連續(xù)不間斷注漿。操作方法：

⑴打開相臨兩組孔所有球閥，漿液由稀到濃進(jìn)行灌注，壓力由小變大；

⑵ 當(dāng)壓力未達(dá)到控制值時(shí)，流量最大控制在40 L/min，連續(xù)灌注，至周邊孔冒濃漿1～2 min 關(guān)閉此孔球閥，僅2孔時(shí)，暫停注漿待漿液沉置3～5 min，再重復(fù)2～3次則停止注漿；

⑶當(dāng)壓力達(dá)到控制值時(shí)，流量未變小的情況下，則穩(wěn)壓連續(xù)灌注，同時(shí)觀察周邊孔冒漿情況，如冒漿則按步驟⑵處理；如不冒漿，則連續(xù)灌注直至步驟⑵的情況出現(xiàn)。

⑷當(dāng)壓力達(dá)到控制值時(shí)，流量逐漸變小情況下，則穩(wěn)壓連續(xù)灌注直到流量低于10 L/min 時(shí)，穩(wěn)壓灌注3～5 min，暫停注漿待漿液沉置3～5 min，再重復(fù)2～3次，流量仍低于10 L/min時(shí)，則停止注漿。

⑸注漿完成4 h 后，采用液壓頂升裝置，把注漿管緩慢勻速拔出，再采用HPG-A 無收縮自流密實(shí)水泥基高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行封堵注漿孔，封堵密實(shí)。

5 結(jié)語

由于運(yùn)營期對(duì)軌道的精度變化極敏感，因此對(duì)隧道底板結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行注漿治理難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，實(shí)際操作的案例少，但底板滲漏水問題長(zhǎng)期不處理，運(yùn)營線路將存在嚴(yán)重的安全隱患和大幅增加維護(hù)成本等問題。通過對(duì)區(qū)間隧道底板結(jié)構(gòu)滲漏水注漿治理技術(shù)的探究及應(yīng)用，底板滲漏水情況已大大減少，取得了良好的效果（效果對(duì)比見圖7）；同時(shí)注漿時(shí)對(duì)軌道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示最大累計(jì)沉降量為1.8 mm，當(dāng)次最大變化速率為0.7 mm/10 min，均在控制范圍內(nèi)，有效防止了道床和軌道的上浮，證明了該治理技術(shù)在地鐵已運(yùn)營工況下保護(hù)了道床的同時(shí)，成功解決了隧道底板滲漏水問題。本文探索僅隧道滲漏水治理問題的冰山一角，可能存在疏漏及不全面的方面，敬請(qǐng)諒解，但該項(xiàng)技術(shù)對(duì)其他地鐵運(yùn)營期類似滲漏水問題治理具有一定的借鑒意義。

圖7 隧道道床治理前后狀況Fig.7 The Condition before and after the Treatment of the Tunnel Bed