地下水滲流情況下花崗巖殘積土層暗挖隧道施工技術(shù)研究

文_楊國浪（廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，專任教師，高級工程師）

隧道工程在開挖施工時，會嚴(yán)重影響原本穩(wěn)定的地下水環(huán)境，導(dǎo)致原地下水環(huán)境出現(xiàn)失衡和地下水資源嚴(yán)重流失，破壞地表和地下生態(tài)環(huán)境平衡，而地下水滲流的出現(xiàn)將會對隧道施工質(zhì)量與安全造成嚴(yán)重影響。暗挖是隧道開挖施工最常用的一種方法，但在施工時容易對隧道的圍巖產(chǎn)生較大的破壞和擾動，導(dǎo)致開挖損傷區(qū)形成，阻礙暗挖隧道施工的進(jìn)度，再加上地下水滲流情況的形成，無疑會對暗挖隧道施工造成嚴(yán)重的影響。目前，我國有很多學(xué)者已經(jīng)對地下水環(huán)境與隧道工程建設(shè)相互之間產(chǎn)生的影響關(guān)系進(jìn)行研究。例如，顧建爐研究了山地隧道施工與地下水環(huán)境之間的相互影響機(jī)理；龐炳濤主要對熱力隧道暗挖施工時受地下水環(huán)境的影響進(jìn)行了研究。這些研究包含了公路隧道、熱力隧道，但由于隧道用途不同，暗挖隧道的施工方法也就不同，導(dǎo)致地下水及圍巖受到擾亂的程度也不同。因此，本文主要結(jié)合實際地鐵隧道施工案例，對花崗巖殘積土層暗挖隧道施工中受地下水滲透影響的相關(guān)機(jī)理進(jìn)行研究，一方面彌補(bǔ)當(dāng)前研究存在的缺失與不足，另一方面為相關(guān)或相似工程施工提供理論支持。同時，對花崗巖殘積土層暗挖隧道施工的具體施工技術(shù)進(jìn)行研究，還可提升此類暗挖隧道的施工質(zhì)量和安全性。

一、工程概況

某市21號線地鐵工程采用暗挖施工，施工區(qū)間3號盾構(gòu)井的暗挖區(qū)間地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，必須從花崗巖殘積土層區(qū)段穿越，該區(qū)段的長度為160m?；◢弾r殘積土是在特定地理、氣候和地質(zhì)環(huán)境下的產(chǎn)物，其成分及結(jié)構(gòu)特征比較特殊，一旦遇到地下水滲流情況，會導(dǎo)致土層呈現(xiàn)流塑狀，并喪失自穩(wěn)性，非常容易出現(xiàn)軟化和崩解的現(xiàn)象?；谠摪低谒淼绤^(qū)段出現(xiàn)的地下水滲流情況，可以推斷出該隧道在開挖時非常容易出現(xiàn)地面沉降問題，甚至?xí)?dǎo)致隧道坍塌，嚴(yán)重威脅該隧道施工的安全和質(zhì)量。因此，需要在該區(qū)段地下水滲流情況下，對花崗巖殘積土層暗挖隧道施工采取必要的技術(shù)措施。結(jié)合既往施工經(jīng)驗，經(jīng)技術(shù)可行性研究后，本項目決定采取超前支護(hù)技術(shù)聯(lián)合超前加固注漿技術(shù)開展施工，以減輕地下水滲流對花崗巖殘積土暗挖隧道施工產(chǎn)生的影響，保障該工程項目施工的質(zhì)量和安全。

二、地下水滲流所致花崗巖殘積土層變形的機(jī)理

從上述內(nèi)容可知，地下水滲流會對暗挖隧道產(chǎn)生一定的影響，具體來講，這種影響是間接的，主要是因地下水滲流對土層或巖層產(chǎn)生影響，而一旦土層或巖層受到影響，則隧道施工也必然會受到影響。為了確保隧道暗挖施工的質(zhì)量與安全，必須高度重視地下水滲流對土層產(chǎn)生的影響，了解其具體的機(jī)理所在。結(jié)合本項目花崗巖殘積土層條件，可對地下水滲流所致花崗巖殘積土層變形影響的機(jī)理做出如下分析。

（一）滲流場形成及其造成的影響

當(dāng)項目施工遇到降雨天氣時，地表水加速下滲，地下水位升高，造成圍巖內(nèi)部與掌子面外部之間形成水頭差，地下水出現(xiàn)滲流情況，進(jìn)而導(dǎo)致基坑周邊形成滲流場。滲流場的復(fù)雜性比較高，其內(nèi)部并不是穩(wěn)定不變的，而是隨著時間的推移而不斷發(fā)生變化，且滲流場會與應(yīng)力場之間形成相互作用，造成一系列的物理力學(xué)以及化學(xué)變化，在此復(fù)雜作用條件下導(dǎo)致花崗巖殘積土層中的土體出現(xiàn)強(qiáng)烈的抗剪強(qiáng)度變化。

（二）地下水滲流對殘積土層土體產(chǎn)生的物理力學(xué)作用

地下水滲流發(fā)生后，會對土體形成物理力學(xué)作用，具體體現(xiàn)為對土體空隙產(chǎn)生的壓力作用位置發(fā)生變化，造成土體有效應(yīng)力受到影響。同時，地下水滲流同巖土之間發(fā)生的物理和化學(xué)作用，會導(dǎo)致土體微觀結(jié)構(gòu)和組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使土體的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均受到影響。地下水滲流還會產(chǎn)生土體顆粒遷移、土體化學(xué)成分改變和水體狀態(tài)變化等方面的影響，進(jìn)而影響土體強(qiáng)度。

當(dāng)?shù)叵滤a(chǎn)生的滲透壓力逐漸增加或是地下水滲流發(fā)生的時間逐漸變長時，土體顆粒會出現(xiàn)分離狀態(tài)，原本微小的顆?？紫兑矔虼硕鴶U(kuò)大。本研究為了確定各種程度的滲透壓力條件下土顆?？紫侗燃白冃瘟慨a(chǎn)生的變化，特從項目現(xiàn)場取樣開展試驗研究，研究結(jié)果見表1。

從表1中可以看出，初始孔隙比與孔隙變形量之間成正比，當(dāng)孔隙比逐漸變大時，空隙變形量形成的差異也越來越大。

表1 各種程度的滲透壓力下土顆?？紫侗燃白冃瘟孔兓y(tǒng)計表

（三）地下水滲流對花崗巖殘積土層產(chǎn)生的變形影響

從上述內(nèi)容可知，當(dāng)?shù)叵滤疂B流發(fā)生后會形成滲流場，當(dāng)滲流情況剛剛發(fā)生時，所產(chǎn)生的滲流場并不會過強(qiáng)，滲流情況也不易被施工人員發(fā)現(xiàn)，隨著時間不斷推移，滲流情況會越發(fā)嚴(yán)重，滲流場也會不斷增強(qiáng)，從而導(dǎo)致土體顆?？紫对黾樱馏w顆粒之間的摩擦阻力以及結(jié)合力降低。因此，在地下水滲流形成滲流場之后，受到外界應(yīng)力場的作用，會導(dǎo)致圍巖容易出現(xiàn)松動變形，從而使隧道施工的安全性和質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。

三、暗挖隧道技術(shù)措施

從上述內(nèi)容中可知，地下水滲流的發(fā)生會對花崗巖殘積土層產(chǎn)生一定影響，為了有效避免暗挖隧道過程中出現(xiàn)的坍塌和沉降問題，需要實施超前支護(hù)及超前加固注漿技術(shù)，在開挖前先對花崗巖殘積土層進(jìn)行預(yù)先加固處理。前者主要是使用超前小導(dǎo)管來完成支護(hù)作業(yè)，在本項目中所使用的小導(dǎo)管采用無縫鋼管，規(guī)格為Φ42.0mm×3.5m，布置于拱部120°范圍之內(nèi)。對從該地鐵21號線下部穿過的3號線隧道斷面則使用二重管施工，施工的技術(shù)方法為超前加固注漿技術(shù)，所注漿液類型為無收縮性雙液。具體的施工技術(shù)措施如下。

（一）超前支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

1.工藝流程

在隧道施工穿越的巖層比較軟弱的情況下，施工會造成圍巖出現(xiàn)較大程度的變形。若未能事先做好支護(hù)措施或者是在初期支護(hù)時采取的施工措施不及時，將會導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)大幅度變形，若變形超出規(guī)定的范圍，會出現(xiàn)諸多問題，在嚴(yán)重的情況下還會使掌子面失去穩(wěn)定性，甚至發(fā)生坍塌事故。一旦隧道出現(xiàn)塌方事故，將直接影響整個隧道工程的質(zhì)量和施工進(jìn)度，甚至損害施工人員的生命財產(chǎn)安全，進(jìn)而導(dǎo)致工程出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p失。因此，施工單位在開展隧道施工時，應(yīng)結(jié)合地下水滲流的實際情況，在必要時采取超前支護(hù)技術(shù)來對圍巖出現(xiàn)的變形問題進(jìn)行控制，提升隧道施工的安全性。超前支護(hù)技術(shù)的施工工藝流程見圖1。

圖1 超前支護(hù)施工工藝流程圖

2.小導(dǎo)管布設(shè)

本項目的超前支護(hù)導(dǎo)管采用無縫鋼管，為方便導(dǎo)管安裝施工，導(dǎo)管的前端部位加工成圓錐形，可避免泥漿在注漿時噴出，造成施工材料浪費(fèi)。超前支護(hù)導(dǎo)管的長度為3.5m，在導(dǎo)管中間位置布設(shè)注漿孔，注漿孔采用梅花形布置，直徑為15mm，注漿孔間距為25cm。在小導(dǎo)管末端預(yù)留1.0m的止?jié){段，止?jié){段范圍內(nèi)不設(shè)注漿孔，目的是為了避免漿液的溢出，以及保證注漿的壓力。同時，小導(dǎo)管需要配合鋼拱架設(shè)置，小導(dǎo)管的末端設(shè)置在鋼筋格柵鋼拱架中，提升導(dǎo)管的穩(wěn)定性，可以有效預(yù)防小導(dǎo)管插入過程中出現(xiàn)端部開裂問題，從而避免注漿管連接失效問題發(fā)生。小導(dǎo)管應(yīng)用于超前施工時，需要先使用鉆機(jī)對其進(jìn)行鉆孔處理，小導(dǎo)管在正式插入后，還需要使用風(fēng)鎬配合將其振入，超前支護(hù)施工導(dǎo)管部分施工見圖2。

圖2 超前支護(hù)施工導(dǎo)管施工示意圖

3.超前支護(hù)施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）小導(dǎo)管安裝之后，需要使用噴射混凝土對周圍出現(xiàn)的裂縫及鉆孔進(jìn)行密封處理。在必要的情況下，還要使用掛鋼筋網(wǎng)片加噴射混凝土對小導(dǎo)管及工作面周圍進(jìn)行封閉，從而預(yù)防工作面塌陷問題發(fā)生。在開展注漿施工前，必須實施壓水試驗，對注漿壓力進(jìn)行檢測，同時檢查機(jī)械設(shè)備是否處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，還要檢查注漿管路的通暢性和連接嚴(yán)密性。若工期比較緊張，并且對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率有較高的要求時，可實施群管注漿，注漿使用的泵可以選用雙液壓泵，水泥漿的水灰比應(yīng)該達(dá)1∶1。在正式開展注漿施工之前，需要先使用高壓風(fēng)進(jìn)行清孔，將管內(nèi)中積存的砂石和積水等吹出。注漿時要保證單孔注漿的壓力達(dá)0.3MPa～1.0MPa，并隨時對注漿壓力及注漿量進(jìn)行檢測和調(diào)整，直至達(dá)到相關(guān)設(shè)計要求。

（2）注漿施工時，應(yīng)該對注漿壓力進(jìn)行嚴(yán)格控制，注漿最終壓力一定要與設(shè)計要求相符，并將壓力穩(wěn)定保持1min～2min，以保證泥漿的全面滲透。注漿壓力不要超出預(yù)設(shè)壓力的最大值，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拉絲、變形和地面結(jié)構(gòu)異常等問題。

（3）初始配合比確定之后，可以利用凝膠時間來對后續(xù)配合比進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時還要對注漿的固結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行檢測，使配合比達(dá)到最佳程度。

（二）超前加固注漿技術(shù)的應(yīng)用

本項目的超前加固注漿技術(shù)采用二重管無收縮雙液注漿。根據(jù)設(shè)計的位置、角度鉆孔到位后，回抽鉆桿，實施注漿操作。注漿使用的漿液分為A、B、C三種，其中A液與B液混合后屬于溶液型漿液，而A液與C液之間混合后形成的是懸濁型漿液（漿液配合比參照表2）。因漿液會對花崗巖殘積土層產(chǎn)生一定的滲透性，所以應(yīng)該事先對漿液的配合比進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時還要對注漿的壓力進(jìn)行調(diào)控，通過人為的方式控制注漿的具體范圍。使用混合漿液的過程中，必然會存在凝結(jié)硬化的情況，需要對凝結(jié)硬化的時間進(jìn)行合理調(diào)控，調(diào)控的目的是為了使巖層孔隙之間能夠完全充滿配制的漿液，使?jié){液能夠在孔隙中完全凝結(jié)，從而改善土體軟弱、易滲透的狀態(tài)。

表2 注漿液配合比標(biāo)準(zhǔn)

1.超前加固注漿工藝流程

超前加固注漿工藝流程主要包含兩個關(guān)鍵步驟，即鉆孔和注漿。對于鉆孔而言，第一，需要對注漿孔進(jìn)行布置，注漿孔具體的分布需要嚴(yán)格參照設(shè)計圖紙，并進(jìn)行反復(fù)校核。第二，需要對鉆機(jī)進(jìn)行定位，鉆頭的點(diǎn)位允許誤差在30mm之內(nèi)（含30mm），鉆桿垂直度誤差一般控制在2°之內(nèi)。第三，進(jìn)行鉆孔，對鉆進(jìn)的深度和溢水情況進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測，當(dāng)溢水發(fā)生時，應(yīng)該馬上停止鉆孔，然后進(jìn)行注漿止水，并對溢水的原因進(jìn)行分析，止水達(dá)成后方可繼續(xù)進(jìn)行鉆孔施工。

注漿施工是在鉆孔后將事先制備的漿液進(jìn)行壓力灌注。注漿時要先灌注AB液，注漿壓力應(yīng)維持在1.5MPa～2.0MPa之間，注漿需要持續(xù)進(jìn)行10min，當(dāng)鉆機(jī)鉆桿的外壁未見溢水時可停止注漿，然后再向鉆孔中注入AC液，當(dāng)壓力達(dá)到2.0MPa以上時，可以將鉆桿上提25cm左右，之后重復(fù)上述步驟直至鉆桿上提至鉆孔并完成注漿為止，再開展下一個鉆孔注漿施工。注漿操作的順序應(yīng)該從外沿邊界鉆孔向內(nèi)部鉆孔聚集，對于同圈鉆孔應(yīng)該有間隔地開展注漿施工。

同時，還需要確定加固圈的注漿加固范圍，一般需要達(dá)到開挖線外3m處。在開展注漿之前，需要進(jìn)行注漿試驗，全面掌握注漿的基本參數(shù)要求，如漿液的注漿量、填充率、凝結(jié)進(jìn)程、配合比、滲透半徑以及終壓等指標(biāo)。在開展施工時，還需要依照實際地質(zhì)條件和現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備對注漿孔數(shù)、鉆孔布設(shè)及漿液類型等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在對安全巖盤進(jìn)行注漿時，應(yīng)該保證厚度在2.5m以上，若該厚度無法滿足，則需要先開展止?jié){墻施工，然后才能實施注漿操作。本項目中使用C20混凝土對止?jié){墻進(jìn)行建造，其墻體厚度為1.5m。本項目循環(huán)注漿的長度達(dá)到10m，包含開挖部分8m及止?jié){巖盤厚度2m。當(dāng)注漿量逐漸減少，且注漿終壓突然上升時，可結(jié)束注漿施工。完成注漿施工之后，還需要設(shè)置檢查孔，檢查孔數(shù)量應(yīng)該達(dá)到注漿孔總體數(shù)量的7%左右，檢查孔出水量必須在0.2L/（m·min）之內(nèi)，或者是開展壓水試驗，當(dāng)壓力達(dá)到0.75MPa的情況下，應(yīng)該確保吸水量控制在1L/（m·min）之內(nèi)，當(dāng)上述要求達(dá)到之后，才能夠開展后續(xù)施工作業(yè)。

2.漿液性質(zhì)滿足的要求和標(biāo)準(zhǔn)

注漿所使用的A、B、C三種漿液必須達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)和要求，具體指標(biāo)主要包含比重、黏度及pH值。本項目配制漿液時，以20℃作為參照溫度，得出注漿使用的各類漿液必須達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)，具體見表3。

表3 注漿使用各類漿液的性質(zhì)要求和標(biāo)準(zhǔn)

3.確定使用的注漿量

對注漿量進(jìn)行估算，可利用如下公式：

Q=Rna（1+β）

其中，Q代表總注漿量；R代表注漿范圍所占體積；n代表孔隙率；a代表注漿填充系數(shù)，通常取0.7～0.9；β代表注漿折損系數(shù)。na（1+β）一般在設(shè)計中代表填充率，本項目所在地區(qū)的花崗巖殘積土屬于粉質(zhì)黏性土，因此注漿填充率應(yīng)該取30%～45%。

4.確定注漿壓力

注漿壓力的形成通常與注水壓力、砂層間隙、注漿材料黏度和膠凝時間存在密切關(guān)系，通常根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況選擇適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)：第一，將地下水的靜水壓力作為標(biāo)準(zhǔn)，在施工中，注漿終壓一般是靜壓的2～4倍，而最大壓力一般是靜壓的3～5倍；第二，可以依照注漿處深度以及對應(yīng)的壓力系數(shù)對注漿壓力進(jìn)行計算。

四、結(jié)語

在地下水滲流發(fā)生的情況下，花崗巖殘積土層容易出現(xiàn)崩解和軟化等一系列問題，本項目采用超前支護(hù)技術(shù)聯(lián)合超前加固注漿技術(shù)，對花崗巖殘積土層發(fā)揮有效的穩(wěn)定作用，可提升土層自穩(wěn)能力，使隧道暗挖施工得以安全、保質(zhì)、保量進(jìn)行。超前加固注漿技術(shù)具有良好的止水效果，且在抗收縮能力、自穩(wěn)性等方面發(fā)揮突出優(yōu)勢，不容易出現(xiàn)沉降和形變，從而保障隧道施工的進(jìn)度，為后續(xù)施工提供支持。