聯(lián)絡通道坍塌后地層加固方案探討

魏玉省

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

盾構法隧道施工安全、經濟、快速，已在城市地鐵工程中得到了廣泛應用，作為盾構法隧道重要的附屬工程聯(lián)絡通道的施工也越來越引起人們的關注。由于地鐵線路所面臨的環(huán)境和地質條件等因素的影響，施工難度、施工風險也越來越大，在聯(lián)絡通道施工過程中塌方時有發(fā)生。目前在有關聯(lián)絡通道塌方處理的文獻中:文獻［1］闡述了在重復擾動的富含水地層進行加固處理的成功經驗，詳細地介紹了采用無收縮雙液二重管注漿技術在重復擾動下富含水地層中的注漿加固方法;文獻［2］對坍塌事故原因、施工風險源進行了分析;文獻［3］闡述了塌方事件發(fā)生后的處理方法，如何及時、有效地降低損失、減小影響;文獻［4］闡述了聯(lián)絡通道開挖過程中使用注漿技術達到超前支護的目的，克服了聯(lián)絡通道施工中的安全、質量、技術難題;文獻［5］闡述了按照“盾構區(qū)間強支撐，通道三重管超前注漿，洞口真空降水，開挖上下斷面”的施工原則，著重對盾構區(qū)間強支撐、三重管超前注漿加固地層進行介紹。以上文獻主要敘述了在洞內采用注漿方法對地層加固、止水，而對聯(lián)絡通道地層加固方案的選擇、施工過程中出現(xiàn)的問題及分析等方面論述較少。本文通過聯(lián)絡通道塌方后地層加固方案選擇、各方案在實施過程中出現(xiàn)的問題、施工注意事項及分析，提出了聯(lián)絡通道設計施工過程中應該注意的問題。

1 工程概況

廣州地鐵某區(qū)間聯(lián)絡通道長18 m，直墻拱形斷面，開挖斷面寬 3．6 m，高3．7 m，埋深約 24 m，從地面到隧道底地層依次為回填土、淤泥、淤泥質土、中粗砂、軟塑殘積層、硬塑殘積層、強風化-中風化-微風化泥質粉砂巖，聯(lián)絡通道靠近左線隧道一端穿越軟、硬塑殘積層，靠近右線隧道一端穿越中風化泥質粉砂巖。

根據(jù)工程籌劃，聯(lián)絡通道從左線向右線開挖，當下臺階開挖到3 m，上臺階開挖到4．5 m，格柵鋼架還沒有及時安裝，拱頂位置開始漏水、坍塌，進而引發(fā)地面坍陷，引起交通中斷，隨后進行混凝土和碴土回填，恢復了地面交通。

事故發(fā)生后，對坍方原因進行分析，并對以往類似工程［6-7］處理方案進行了討論研究，最終采取盡快把左線盾構隧道聯(lián)絡通道開口處的地層進行固結、堵水，以阻止向左線盾構隧道內涌水，防止地面再次塌陷，確保地面交通安全。聯(lián)絡通道從坍塌到挖通，歷時13個月，先后采用了3種地層加固方案和左線盾構隧道進行灌水兩端封堵的措施，才得以挖通。

2 塌方原因分析

1)聯(lián)絡通道處于古河道區(qū)域內，河流的沖刷作用造成風化巖表面凹凸不平，導致沉積砂巖層底部標高不規(guī)則的急劇變化。

2)聯(lián)絡通道開挖后左線拱頂實際為軟塑狀殘積層和砂礫夾層，交叉口地段應力集中，且初期支護不及時。

3)對地質突變的認知有誤，導致拱頂采用超前小導管注漿未達到理想的加固與堵水效果。

4)臨近廣茂鐵路頻繁的列車震動荷載，超出砂礫層的承載力。

3 地面深孔袖閥管注漿

回填后的地層松軟，采用大型設備易引起地面坍塌，確定采用小型鉆機，對聯(lián)絡通道與左線盾構隧道節(jié)點處的地層進行深孔袖閥管注漿。地面袖閥管注漿設計見圖1。

3．1 設計參數(shù)

1)加固范圍。長8 m，寬9．5 m，盾構隧道頂部以上5m，聯(lián)絡通道底部以下1．5m，第1排注漿孔距離左線盾構隧道結構邊緣0．5 m。

2)注漿材料。采用水泥-水玻璃雙液漿，實際配合比由現(xiàn)場試驗確定。

3)注漿壓力。控制在0．2 ～0．5 MPa。

4)施工工藝。注漿孔必須下袖閥管，反復多次注漿。

5)注漿順序。先對靠近左線盾構隧道開洞處的一排袖閥管進行注漿堵水，后對外圍地層進行注漿加固。

3．2 施工及效果

方案確定后，對第1排第1注漿孔進行鉆孔，鉆到約14 m深時，遇到塌方區(qū)回填的素混凝土，繼續(xù)下鉆到21 m時，地面又開始沉降，整個回填區(qū)平均沉降約0．5 m。

現(xiàn)場分析認為:塌方區(qū)剛回填的地層不密實、特別是回填的素混凝土下方可能有空洞，上部地層透水性強;鉆孔過程中可能把上層地下水引入隧道，導致地面下沉。由于對注漿方案的信心不足，袖閥管注漿加固方案沒有得到實施。左線盾構隧道內地下水位繼續(xù)上漲。

圖1 地面袖閥管注漿設計圖Fig．1 Design of Soletanche grouting executed from ground surface

4 地面三重管高壓旋噴樁方案

塌方區(qū)地層沉降穩(wěn)定后，決定采用地面三重管高壓旋噴樁方案進行加固(見圖2)。

4．1 設計參數(shù)

1)采用直徑1 000間距700 mm的三重管旋噴樁，共布置17排、187根。

2)旋噴樁水泥摻入比不小于25%，壓力15～20 MPa，旋轉速度8 ～12 r/min，提升速度6 ～12 cm/min。

3)加固后的土體28 d無側限抗壓強度不小于1．5 MPa，滲透系數(shù)≤10-7cm/s。

圖2 地面三重管高壓旋噴樁加固設計圖Fig．2 Design of ground consolidation by triple-fluid high-pressure jet grouting columns executed from ground surface

4)加固范圍。長9．8 m，寬8 m，左線盾構隧道頂部以上5 m，開始至進入中風化巖0．5 m結束。

5)施工順序。先施工第3排聯(lián)絡通道范圍內的樁，然后向外圍施工。

4．2 第1次旋噴樁施工

按施工安排，先從第3排開始。當?shù)?排旋噴樁旋噴至回填的素混凝土層以下時，地面又發(fā)生沉降，沉降平均值0．8 m，旋噴樁地層加固又被迫停止。

現(xiàn)場對旋噴施工沉降原因分析認為，旋噴壓力大(10 MPa)，對土體有擾動。

4．3 左線盾構隧道灌水、封堵

塌方回填區(qū)地層松散、富水，和左線盾構隧道內的水位有約0．2 MPa的水壓差，對地層稍有擾動，松散的回填土層和水就會涌入左線盾構隧道，為減小水壓差，確定從左線盾構隧道兩端灌水，并封堵盾構隧道兩端(見圖3)。

圖3 左線盾構隧道封堵墻Fig．3 Sealing wall installed in left tube

4．4 第2次旋噴樁施工

左線盾構隧道兩端灌水、封堵后，再次進行三重管高壓旋噴樁地層加固，在施工過程中，地面再沒有發(fā)生沉降。

4．5 效果檢查

旋噴結束后，在地表進行鉆孔取芯檢查，旋噴樁第2—6排取芯有一定強度，第1—2和7—10排加固后土體還是較為松散，強度較低，自穩(wěn)性差。

在聯(lián)絡通道內進行水平孔檢查，從右線盾構隧道向左線鉆孔，鉆桿拔出時有較大的承壓水從孔口噴出，射程約4 m，3 min后水量減小，但關上閥門再打開時孔口水壓仍很大。

檢查結果表明旋噴樁地層加固效果不理想，主要是旋噴樁深度太大，底部旋噴樁直徑達不到設計要求;在回填的素混凝土層中不宜旋噴，形不成連續(xù)水泥土樁;中風化巖石中亦不宜旋噴，不能滿足聯(lián)絡通道開挖的條件。

5 洞內WSS工法注漿方案

地面深孔袖閥管注漿、地面旋噴樁加固及其對地層加固效果檢測結果顯示，地層加固堵水未達到預期目的，必須采用新的加固方案。通過研究，確定在洞內采用WSS(無收縮注漿)注漿方案(見圖4)。

5．1 設計參數(shù)

1)加固范圍。聯(lián)絡通道開挖范圍內及輪廓線外厚度不小于4 m。

2)注漿孔布置。分內外共3層、30個注漿孔，注漿孔最大長度為16．716 m，終孔位于聯(lián)絡通道開挖輪廓線外2．75 m。

3)注漿材料。采用安全性高、滲透性高的AB和AC 2種雙液漿(A液為水玻璃，B液為一種化學漿液，C液為水泥漿)。

4)注漿壓力。控制在0．3～1．0 MPa，實際注漿壓力由現(xiàn)場試驗確定。

5)漿液擴散半徑。按照1．5 m設計。

6)漿液凝結時間。20～1 800 s。

7)注漿結束標準。當單孔注漿終壓達到1．0 MPa，持續(xù)20 min，進漿量很少或不進漿時或注漿量為0．4 m3/m，可結束本孔注漿。

8)施工順序。首先施工聯(lián)絡通道內的8個水平注漿孔，注漿孔孔底距離左線隧道管片的距離至少1 m;再施工聯(lián)絡通道周邊注漿孔。

9)檢查標準。加固后的土體28 d無側限抗壓強度不小于1．5 MPa，其滲透性系數(shù)≤10-7cm/s。

10)注漿方式采用前進式注漿方式。

5．2 施工及效果

1)從右線盾構隧道向左線盾構隧道開挖聯(lián)絡通道，開挖長度為2 m，該空間作為WSS注漿加固的施工空間。

2)根據(jù)設計方案，每個注漿孔先鉆孔1 m，設置孔口管，再鉆孔注漿。

3)效果檢查。對加固后的地層水平取芯，取出的芯樣漿脈清晰，強度基本滿足設計要求;分別設置在拱頂位置及兩側的3個水平探水孔均無地下水流出，滲透系數(shù)基本達到了設計要求。

6 結論與建議

該塌方段先后采用地面深孔袖閥管注漿、地面三重管高壓旋噴樁、洞內WSS工法注漿3種方案和左線盾構隧道灌水、封堵措施，對聯(lián)絡通道塌方區(qū)進行了加固，最終地層強度和滲透系數(shù)滿足了設計要求，聯(lián)絡通道繼續(xù)開挖。此次塌方處理過程也是探索、實踐、認知的過程。

圖4 WSS注漿設計圖Fig．4 Design of WSS grouting

結合此次聯(lián)絡通道塌方處理，對城市地鐵聯(lián)絡通道設計與施工提出以下幾點建議:

1)聯(lián)絡通道開挖前要進行超前地質預報，并對地質預測預報準確性風險與對策進行分析［8-9］，如地層發(fā)生較大變化，應及時通知設計單位，對支護參數(shù)做相應變更。

2)聯(lián)絡通道的開挖方向一般宜從地層較好端向地層差的一端進行。

3)軟弱地層、富水砂層中的聯(lián)絡通道開挖后，初期支護應及時封閉，掌子面要噴射厚度不小于5 cm的早強噴射混凝土。

4)應充分比較聯(lián)絡通道地層加固方案，選擇實施性強、加固效果好、對環(huán)境影響小的方案作為最佳方案實施。

［1］ 陳俊山．重復擾動下富含水地層的加固技術［J］．企業(yè)技術開發(fā)，2010，29(1):24-26．(CHEN Junshan．The reinforcement technology of water-rich strata under repeat disturbance［J］．Technological Development of Enterprise，2010，29(1):24-26．(in Chinese))

［2］ 竺維斌，鞠世健．地鐵盾構施工風險源及典型事故的研究［M］．廣州:暨南大學出版社，2009:91-92．

［3］ 楊雄飛，易寧．廣州地鐵某盾構區(qū)間聯(lián)絡通道塌方處理探討［J］．現(xiàn)代商貿工業(yè)，2010(3):316-317．

［4］ 杜建林，梁興樸．注漿技術在聯(lián)絡通道開挖施工中的應用［J］．廣州建筑，2004(4):46-48．(DU Jianlin，LIANG Xingpu．Application of grouting technology in excavates of contact channel［J］．Guangzhou Architecture，2004(4):46-48．(in Chinese))

［5］ 王二平，刁國君．地鐵盾構區(qū)間聯(lián)絡通道施工技術［J］．隧道建設，2007(S2):563-566．(WANG Erping，DIAO Guojun．Construction technology of connected aisle in subway tunnel bored by shield［J］．Tunnel Construction，2007(S2):563-566．(in Chinese))

［6］ 朱忠隆，聶炳紅，馬曉力．土體加固與暗挖法在地鐵聯(lián)絡通道施工中的應用［J］．地下空間，2001，29(1):44-47，79．(ZHU Zhonglong，NIE Binghong，MA Xiaoli．Application of soil consolidation with underground excavation in construction of connecting passage in Metro［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2001，29(1):44-47，79．(in Chinese))

［7］ 王寧，謝益民．地鐵聯(lián)絡通道在軟土地基中土體加固方法淺析［J］．隧道建設，2007，27(S2):525-529．(WANG Ning，XIE Yimin．Ground reinforcement in the construction of connected aisle between Metro tunnels in soft soil［J］．Tunnel Construction，2007，27(S2):525-529．(in Chinese))

［8］ 崔玖江．盾構隧道施工風險與規(guī)避對策［J］．隧道建設，2009，29(4):7-26．(CUI Jiujiang．Risks and countermeasures for construction of shield-bored tunnels［J］．Tunnel Construction，2009，29(4):7-26．(in Chinese))

［9］ 金磊．軟土地區(qū)地鐵隧道聯(lián)絡通道實施風險與監(jiān)理對策［J］．城市軌道交通，2010(4):25-29．(JIN Lei．Risk management of Metro tunnel communication passage on soft soil［J］．Urban Mass Transit，2010(4):25-29．(in Chinese))