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富水粉细砂地层地铁隧道动态化注浆施工技术

作者:刘军,路刚,薛洪松  发布:2015/9/15  浏览:
单位:北京建筑大学土木与交通工程学院,北京建工土木工程有限公司

摘 要:北京地铁10号线二期起点—潘家园区间周边环境极其复杂,且地铁区间处于富水的巨厚粉细砂地层中,开挖风险极大。通过对富水巨厚粉细砂地层的研究,在充分总结国内外注浆技术的基础上,将注浆与隧道开挖观测结合起来,基于全断面注浆理论提出了动态化注浆技术,并在实际工程中获得成功应用,成功保护了复杂的地上及地下建(构)筑物,解决了富水具有承压性巨厚粉细砂地层及其在大范围长距离注浆。

0  引言

在注浆工艺领域,为适应不同工程特点和不同的地质情况,通过实践应运而生了多种注浆方式,并经受了实践的考验。实践证明,根据不同的工程特点和地质情况,选用合理的注浆方式,是降低工程造价、保证工程质量、加快工程速度、保证施工安全的关键。目前常用的注浆方式为全断面封闭预注浆(简称“全断面预注浆”)、周边半封闭注浆、工作面劈裂预注浆、小导管超前预注浆、围截注浆、充填注浆和径向围岩固结注浆等。

全断面预注浆是在隧道掘进前,沿隧道前进方向,在较长范围内进行超前预注浆,让浆液与岩层一起固岩,达到堵水和加固地层的作用,为隧道施工创造一个场地干燥、土体自稳性较好的条件,以满足施工需要。全断面预注浆钻孔分布在整个开挖面内及开挖轮廓线以外的一定范围内,注浆后,浆液渗透、胶结,在整个开挖面及其周围形成一个注浆加固体,将水封堵在开挖面以外。全断面注浆技术假定地层是均匀分布的,外侧水压均匀分布,注浆加固范围与外侧水压有关,水压越高、水量越大,加固范围也就越大。但实际上地层是不均匀分布的,外侧水压也不是均匀分布的,随着隧道的开挖,地层条件和地下水是动态变化的。张梅在全断面注浆的基础上提出信息化注浆技术,即假定地层为不均匀的,通过前期顶水注浆改变透水条件,然后按均匀地层进行基本注浆加固,保证隧道开挖安全的基本要求,最后对水量大、水压高区域强化注浆。

城市地铁隧道与山岭隧道、煤矿隧道有着本质区别,城市地铁隧道不仅要保护隧道开挖及结构本身的安全,还要保护周边环境的安全,因此难度较大,特别是在处理富水具微承压性的粉细砂层难度更大。由山岭隧道提出的信息化注浆技术不能完全适用于城市地铁隧道;另外,从目前的注浆止水研究与应用情况来看,注浆止水均是针对局部进行的,如山岭隧道穿越断层破碎带、城市地铁隧道穿越风险点等。北京地铁10号线起点—潘家园区间右线长度为497m,左线长度为785m,总长度超过1km,如此大规模的注浆止水加固且隧道穿越复杂的周边环境,在国内外城市轨道交通领域均极为罕见,在这种情况下,很难采用一般的注浆方法。众所周知,隧道开挖是动态变化的,主要指隧道开挖中地层是不断变化的而且也是不均匀分布的,另外地下水也是不断变化的,因此应以动态化的理念进行注浆加固,即根据地层地下水情况,注浆方式方法、注浆浆液、注浆参数等不是一成不变的,而应通过隧道开挖观测,进行局部补强注浆、改变注浆方法,以消除盲区并指导下一循环注浆,从而达到最佳的注浆效果,保证隧道开挖及结构本身和周边环境的安全。

本文以北京地铁10号线起点—潘家园站区间为例,探讨了动态化注浆在该区间施工横通道及正线区间的成功应用,获得了可观的社会效益和经济效益,对类似工程具有很好的指导意义。

1  工程概况

北京地铁10号线起点—潘家园站区间起点设在劲松站南端,与既有10号线一期区间连接,中段下穿东三环,区间终点为潘家园车站。左线起讫里程为K24+361.340—K25+146.734,长度为785.395m;右线起讫里程为K24+650.000—K25+147.050,长度为497.05m。区间采用矿山法施工,隧道顶覆土17.5~18.5m,单线单洞断面形式,复合式衬砌。

本区间土层分布自上而下依次为人工堆积层、第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层3大类,穿越的地层主要是:⑥粉质黏土、⑥2粉土、⑦3粉土、⑦2粉细砂、⑦1中粗砂,粉细砂层呈连续分布;场地地下水类型分别为潜水(二)和层间潜水(三);其中潜水(二)含水层为④2粉土层、④3粉细砂层和④5圆砾层,主要接受侧向径流补给,以侧向径流、向下越流补给层间潜水及人工开采的方式排泄;层间潜水(三)含水层为⑦1中粗砂层、⑦2粉细砂层和⑦3粉土层,具有微承压性,主要接受侧向径流和越流补给。地层及地下水情况如图1所示。

图1  地层及地下水情况

从区间所处的工程与水文地质情况来看,工程所处区域位于永定河冲积扇的漏斗区域,地下水十分丰富,隧道拱顶上为巨厚富水粉细砂层、隧道穿越的地层以粉细砂地层为主,地下水具有一定的承压性。在竖井开挖过程中,竖井侧壁开洞的涌水、涌砂现象极为严重,涌水量达到110m3/h,每开挖50cm涌砂量达到45m3,经水压监测,压力值达到0.22MPa。富水状态下的粉细砂具有一些特殊的工程性质,富水粉细砂具有剪胀性、液化性等特点,且遇水即饱和,使得其工程性质极差、止水加固处理难度也极大。

该区间位于北京市东三环,周边的地上、地下环境极其复杂,且地铁区间处于富水巨厚粉细砂地层中,地层、地下水环境复杂,且无地面降水施工的条件,降水不具有可行性,开挖风险极大。

2  动态化注浆基本理念与方法

动态化注浆技术,就是要求在工程实施的设计和施工环节都遵从动态化的理念。在地铁隧道等线性工程地质体中,岩土介质本身及在纵向上往往存在很大的差异性,特别是工程地质条件复杂多变的区域,随着工作面的推进,各种地质参数和因素的时空变化性更加显著,因此工程岩土体的性质是高度动态化的。如果整个施工过程只遵循原始的注浆设计和施工方案,势必会造成存在安全隐患或材料浪费等不利因素。所以,在隧道开挖施工过程中,变更调整原始注浆设计方案,做出动态调整,获得更合理、更有效、更安全的注浆方案。

动态化注浆在注浆前,根据地层及地下水情况将整个注浆范围分为3个区域,即止水区、止水加固区及加固区。止水区为最外围注浆,主要作用为止水,根据地下水情况,可施做单层止水区或多层止水区;止水加固区,具有一定止水能力且具有一定加固作用,可根据地下水情况将该区分为以止水为主或以加固为主的区域,该区分布在止水区内;加固区为单纯的加固,主要作用为固结松散土层,便于隧道开挖。结合实际工程中的具体操作和运用情况,将动态化注浆概括为4个方面:止水超前、成环加固、勤观测、动态补浆。动态化注浆技术从勘察、设计、施工、监测监控的并行性、反馈性加以综合考虑,将开挖与注浆观测结合起来,具有显著的工程意义。

2.1  止水超前

根据地质勘探资料或超前探水,当掌子面前方存在高压富水区,可能出现较大规模涌水、突水,对隧道结构和施工安全构成威胁,并可能引起地面沉降甚至塌陷危及地面建筑物。

止水超前,即对隧道断面周围的一段深度内进行注浆堵水,在开挖区域周边形成隔水帷幕,以防止地下水渗流破坏注浆层给隧道施工带来风险。

2.2  成环加固

成环加固是指各单孔注浆区域有一定的重叠区(见图2)。注浆孔的间距应在注浆影响的有效直径内,使得单孔注浆区域能有效搭接,形成重叠区,从而保证加固的均匀性。

图2  成环加固示意

若注浆范围内或界面处有粉土、黏性土层,则应充分考虑毛细水的影响,注浆孔间距应适当加密,以保证注浆效果。

2.3  勤观测

最初设计方案确定后,其可靠性和合理性必须通过工程实践检验。勤观测是动态化注浆的一个重要环节,每一循环注浆完毕后,在隧道开挖中要进行注浆效果检查、掌子面土层与地下水情况观察、掌子面前方土层与地下水的超前探测、隧道初期支护的渗水情况观察、隧道净空收敛及拱顶下沉的观测等工作。

2.4  动态补浆

隧道开挖过程中通过对注浆效果及岩土层性质的观测,提出新的注浆要求,以此为依据对注浆设计方案进行优化调整。对注浆方案的调整内容很多,理论计算的扩散半径是基于地层均匀的假设得到,实际工程中相差较大,这就要求施工过程中根据岩土性质的变化、参考单孔注浆试验的结果,适当调整孔距及注浆孔的方位布置。根据地层变化,在地下水丰富、岩土体性质软弱的区域增加注浆孔数量,或根据地层中含水层及软弱层厚度及方位变化,根据预先制订的方案,对可能存在的注浆盲区或薄弱环节进行二次或多次注浆;通过观测结果进行局部区域的加强注浆;根据超前探测情况,进行超前补充注浆或调整浆液;在地下水不丰富、岩土性质趋于稳定的区域,在保证安全的情况下,谨慎适当减少注浆孔,以节省注浆材料,加快工程进度。

3  动态化注浆施工过程

3.1  试验段动态化注浆

鉴于工程自身和周边环境的复杂性,先选择在具有代表性的地段进行注浆试验,本次试验段为施工横通道。由于承压水压力为0.22MPa,可不单独设置止水区,另外根据三维数值模拟确定加固范围为开挖轮廓线外2m,分为止水加固区和加固区,如图3所示。

图3  加固范围示意

1)止水加固区

无侧限抗压强度0.5~0.8MPa,渗透系数≤1.0×10-7cm/s。

2)加固区

无侧限抗压强度0.3~0.5MPa,以保证掌子面不发生塌方、流砂。

3.1.1  注浆孔布置

在注浆中,根据孔位布置设计图在竖井井壁上用红油漆标出注浆孔位,采用跟管钻机成孔,用角规、吊锥控制钻杆水平角和仰角,钻进过程中不断纠正钻杆角度,确保形成咬合的终孔效果,以达到成环加固的目的。钻孔孔位偏差≤2cm,成孔偏斜率控制在1%以内。

3.1.2  注浆实施

注浆顺序应先进行轮廓外围止水加固,然后进行隧道内圈注浆;从上向下,从无水到有水的顺序进行。为防止窜浆,采用跳孔注浆的方式进行。采用袖阀管注浆方案,浆液为水泥-水玻璃浆液,单根袖阀管注浆采用分段注浆,分段长度为0.3m。根据施工情况掌握终灌标准:在注浆终压下,吸浆量<1~2L/min,稳压15min结束注浆或临孔发生较严重的冒浆。

3.1.3  开挖观测

粉细砂地层注浆可注性差,特别是在富含地下水的粉细砂层,虽然采取了袖阀管注浆方法,由于地层的变化,很难保证整个注浆止水区域“密不透水”。因此,通过隧道开挖过程中的观测,指导下一循环的注浆或发现注浆薄弱环节及时进行补充注浆具有极为重要的作用。

1)开挖前测试

注浆完成,待浆液凝固后进行压水试验和钻孔取芯,检验土体透水性和抗压强度,以分析判断进行补充注浆或进入隧道开挖阶段。经测试,渗透系数K=4.3×10-6cm/s;通过钻探取样测得加固体无侧限抗压强度达到0.54MPa。根据测试结果分析,可以进行隧道开挖。

2)开挖中观测

观测可采用目测、拍照、钢尺、洛阳铲、钻孔取芯、钎探等方式。观测目的为:①根据观测结果,研究确定下一个循环注浆方法;②判断需要进行区域补强的位置,研究确定区域补强的方法。

每一循环注浆完毕后,在隧道开挖中进行了注浆效果检查、掌子面土层与地下水情况观察、掌子面前方土层与地下水的超前探测、隧道初期支护的渗水情况观察、隧道净空收敛及拱顶下沉的观测等工作;水平袖阀管注浆由于钻孔的角度问题在侧墙易出现盲区,虽然采取了消除盲区的钻孔,但仍然难以“加固成环”,在采取了多次补充注浆后,避免了流砂出现,保证了止水加固效果;另外通过观测,发现了局部初期支护结构渗水,通过补偿注浆方法解决了该问题,从而达到满意的注浆效果,为正线开挖奠定了基础。

3.2  正线区间动态化注浆

施工横通道的地层条件与正线区间类似,但仍然有不同的地方,正线区间的注浆应根据试验段情况及工程地质、水文地质的变化进行调整,从而实现动态化注浆。

经过在施工横通道进行的袖阀管注浆试验段施工的实践证明,水平注浆存在注浆机难以达到的注浆角度问题,边墙两侧易出现注浆盲区。另外,经横通道开挖揭露的地层情况,正线上台阶有一半处在粉细砂层中,拱顶附近为粉质黏土层,地层较稳定;正线下台阶均处在粉细砂层和中粗砂层中,地层不稳定,但地层可注性较好。

从试验段注浆止水情况来看,除了侧墙进行补充注浆外,整体止水加固情况良好,浆液呈脉状、斑状、大的团块状,复合土体的强度较高,无渗漏水情况;结合正线区间地层情况,从经济角度分析正线区间的加固强度调整为:

1)注浆止水区域1

无侧限抗压强度0.3~0.5MPa,渗透系数≤1.0×10-6cm/s。

2)注浆止水区域2

无侧限抗压强度0.2~0.3MPa,以保证掌子面不发生塌方、流砂为宜。

上台阶共布设注浆孔62眼,其中内侧10眼布设于掌子面上,注普通硅酸盐水泥-水玻璃浆液,以保证开挖过程中掌子面不坍塌;其余52眼布设于衬砌外轮廓线外2m和内1m区域范围内,为隧道周边的重点止水区域,注超细水泥-水玻璃浆液;上台阶全断面内设置3个检查孔,以检查注浆完成后的注浆效果,注浆孔布置如图4所示。

图4  注浆孔布置

此外,为弥补两侧注浆盲区,采用以一定角度长、短管相结合的方式打设。正线区间下台阶采用后退式垂直袖阀管注浆。为消除注浆盲区,达到更好的止水加固效果,将临时仰拱作为水平止浆墙,在临时仰拱上方进行向下放射型注浆(见图5),以外围加密布孔,中间可适当将布孔间距放大,既能减少浆液浪费又能形成一个封闭的隔水帷幕。

图5  放射型钻孔及水平止浆墙剖面

下台阶可不分注浆段,只要保证开挖面滞后注浆位置5m即可,因此上台阶注浆时,人员可转入下台阶开挖,只要上、下台阶距离保证在20m以上就可满足施工需要,这样既不造成窝工现象,又能保证工期,下台阶可保证连续施工。

正线区间上台阶动态注浆过程及隧道开挖观测内容与试验段类似,在此不再赘述。土层及初期支护未见渗水现象,土体总体止水加固效果良好。

根据试验段总结提出的动态化注浆技术在正线施工中得到了良好应用,在该技术指导下的正线注浆施工保证了良好的止水、加固效果,确保了隧道开挖的顺利进行。注浆技术配合精细施工,保证了开挖区域内管线和周边建筑物的安全,所有周边环境的变形均在控制值范围内,根据监测结果,建筑物最大沉降量为3.4mm(控制值8mm),既有地铁区间的最大下沉值为1.7mm(控制值3mm),并与理论计算值相吻合。

4  结语

1)动态化注浆技术将注浆与隧道开挖观测结合起来,通过观测结果分析判断注浆效果、查出注浆薄弱环节,并指导是否采取补充注浆;通过观测结果分析判断掌子面前方地层、地下水变化状况,指导下一循环注浆合理实施,从而实现了注浆的动态化,避免了注浆的盲目性,使注浆技术更加符合实际情况。从试验段注浆情况来看,动态化注浆技术很好地解决了饱和粉细砂的注浆难题,获得了良好的效果,可作为正线区间注浆止水加固的有效方法。

2)止水区对隧道的开挖及形成良好的加固效果有重要意义。水压达到0.40MPa,可考虑单独设置止水区,止水区的厚度根据渗透力大小确定;水压<0.40MPa时,可不考虑单独设置止水区,而将止水与加固区合二为一,止水加固区的厚度≥1/3倍的隧道跨度,且不宜<2m,另外该区域宜进入隧道内0.5m左右;加固区的强度可小于止水加固区的强度,若地下水比较丰富,也可采用适当止水的浆液。

3)正线上台阶采用袖阀管水平帷幕注浆工艺配合长、短管注浆;下台阶采用在临时仰拱上方以一定角度放射型后退式注浆工艺,将临时仰拱作为止浆墙,在临时仰拱上方进行向下放射型注浆,以外围加密布孔,中间适当放大布孔间距的工艺;上述工艺的动态调整,解决了袖阀管注浆工艺施工周期较长、在饱和粉细砂层中成孔难的问题;解决了水平帷幕注浆配合长短管注浆工艺在边墙两侧易出现注浆盲区、无法解决外围浆液的交圈、难以形成良好的外围隔水帷幕,以致在粉细砂地层达不到预期止水效果的问题。

4)根据试验段总结出的动态化注浆技术在正线施工中得到了良好应用,在该技术指导下的正线注浆施工保证了良好的止水、加固效果,确保了隧道开挖的顺利进行,保证了开挖区域内管线和周边建筑物的安全,所有周边环境的变形均在控制值范围内。

转自:《施工技术》

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