重慶火風(fēng)山隧道淺埋暗挖段注漿加固

張建國

（中鐵十八局集團(tuán)公司，天津 300222）

0 前言

火風(fēng)山隧道是重慶北部新區(qū)重點(diǎn)工程“金童路南段工程”的關(guān)鍵控制性工程，主線雙洞1500 m長，為雙向四車道設(shè)計(jì)，城市主干道I級，設(shè)計(jì)車速50 km/h。隧道北接金童路，從渝都大道（機(jī)場路）和內(nèi)環(huán)快速路下方穿過，南端從峨眉大道穿出，直達(dá)火車北站北廣場。

火風(fēng)山隧道作為城市暗挖隧道，由于埋藏極淺，暗挖施工將強(qiáng)烈擾動(dòng)地層，引起地基應(yīng)力調(diào)整和重新分布，由此產(chǎn)生的沉降和坍塌必將危及洞內(nèi)施工和地表建筑物的安全。保證暗挖施工擾動(dòng)影響范圍內(nèi)的圍巖穩(wěn)定，有效控制上部地層沉降量，是在有荷載淺埋暗挖段施工的關(guān)鍵。

1 淺埋暗挖法的優(yōu)點(diǎn)及適用條件

淤泥質(zhì)地層，具有高壓縮性、高靈敏度、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，易產(chǎn)生蠕動(dòng)現(xiàn)象，開挖后自穩(wěn)能力極差。軟弱地層暗挖隧道施工，最核心問題是通過注漿改善土層性質(zhì)，提高土層的承載力和自穩(wěn)能力。在施工中，采用劈裂注漿，可以改善土層性質(zhì)，加固土層，使工程取得良好的效果。

淺埋暗挖隧道注漿加固施工技術(shù)，是隧道工程項(xiàng)目以及城市地下工程施工的主要方式之一，適宜不適合明挖施工的含水量較小的地層，尤其對城市地面建筑物密集，交通運(yùn)輸繁忙、地下管線密集且對地面沉陷有著嚴(yán)格要求的施工狀況，對于含水量較大的松散地層，采取堵水或是降水等措施后亦可采用。淺埋暗挖施工技術(shù)在隧道開挖前作了預(yù)先支護(hù)，并通過小導(dǎo)管向地層注漿，從而有效改良地層，加固了施工周圍的土體，在施工開挖后能及時(shí)安裝網(wǎng)構(gòu)鋼架，掛鋼筋網(wǎng)和施作密貼于周圍土體的噴射混凝土支護(hù)，從而能有效控制施工周圍土體的變形應(yīng)力釋放，在支護(hù)以及周圍土體的共同變形中，調(diào)整相應(yīng)土體應(yīng)力重分布，從而達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，最大限度保持周圍土體所固有的強(qiáng)度以及利用自身承載能力。施工方法具有5點(diǎn)優(yōu)勢。

1.1 及時(shí)支護(hù)。由于網(wǎng)構(gòu)鋼筋+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土支護(hù)施工的及時(shí)性，從而能使施工周圍的土體不由于開挖暴露過多而導(dǎo)致的強(qiáng)度降低，從而能給周圍土體提供支護(hù)的抗力，由此改善了周圍土體的應(yīng)力狀況。注漿加固地層，從而提高了周圍土體的穩(wěn)定性。

1.2 粘貼性。在噴射混凝土能與周圍土體全面密集粘貼，其粘結(jié)力一般能達(dá)到0.5 MPa，由于噴射混凝土與周圍土體粘結(jié)緊密。從而提高了施工周圍土體的強(qiáng)度，同時(shí)也減小了施工周圍土體的集中應(yīng)力。

1.3 柔性。由于噴射混凝土與周邊土體粘結(jié)較為緊密，并且噴射層次較薄，從而具有一定的柔性特征，從而有益于調(diào)節(jié)周圍土體的變形，有效控制允許周圍土體塑性區(qū)存在適度的發(fā)展，從而能有效發(fā)揮周圍土體的自身承載能力。

1.4 靈活性。噴射混凝土的施工工藝能及時(shí)調(diào)整和分次完成，從而具有較大的靈活性特點(diǎn)，對于加固周邊土體，提高土體的承載能力有著重要的作用。

1.5 封閉性。噴射的混凝土能及時(shí)施工作業(yè)，并且建立了全面的支護(hù)體系，從而能有效防止地下水的滲透，抑制施工周圍土體的潮解和強(qiáng)度損失，從而能有效保證施工周圍土體的穩(wěn)定性。

1.6 適應(yīng)性結(jié)構(gòu)斷面形狀。淺埋暗挖法能對斷面的結(jié)構(gòu)形狀產(chǎn)生較強(qiáng)的適應(yīng)性，不僅可輕易構(gòu)成圓形、馬蹄形、矩形、多跨聯(lián)拱等多種形狀，并且對不同結(jié)構(gòu)斷面能進(jìn)行靈活的轉(zhuǎn)化和銜接，大范圍的淤泥質(zhì)的軟土、粉砂地層；降水存在困難或是經(jīng)濟(jì)上不合算地區(qū)，不應(yīng)采用淺埋暗挖法進(jìn)行施工。淺埋暗挖法的施工具有一定的自穩(wěn)性，而施工工作面的土體的自立時(shí)間，應(yīng)進(jìn)行必要的初期支護(hù)作業(yè)，否則也不應(yīng)采用淺埋暗挖法。在實(shí)際施工中，也應(yīng)對傳統(tǒng)施工工藝進(jìn)行改進(jìn)，選擇合理的開挖進(jìn)尺，從而能有效控制土體的變形和穩(wěn)定，從而能在軟土地基中取得較好的施工效果。

2 淺埋暗挖隧道注漿施工技術(shù)的實(shí)施

2.1 施工方法選擇

為有效控制圍巖周圍松弛以及由于圍巖周圍松弛引發(fā)的地表沉陷，淺埋暗挖的施工方式有臺(tái)階法、CD法、CRD法和眼鏡法等。在金童路南段火風(fēng)山隧道的施工過程中，根據(jù)地質(zhì)條件，火風(fēng)山隧道地層巖性主要為第四系壓實(shí)填土及強(qiáng)風(fēng)化泥巖，以壓實(shí)填土為主，強(qiáng)風(fēng)化泥巖為極軟巖，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化帶較薄，層間結(jié)合差，隧道埋深較淺，處理不當(dāng)洞頂易發(fā)生大規(guī)模坍塌，側(cè)壁經(jīng)常小坍塌，淺埋時(shí)易出現(xiàn)地表下沉（陷）或坍至地表，為確保施工安全，施工時(shí)應(yīng)采用對巖體進(jìn)行劈裂注漿，待軟弱圍巖達(dá)到一定強(qiáng)度后然后再進(jìn)行開挖，施工時(shí)重點(diǎn)控制段。根據(jù)火風(fēng)山隧道斷面形成和構(gòu)成，以及周圍環(huán)境條件的限制，選擇合適的施工方式。城市中的淺埋暗挖施工受到地面的荷載較大，且地中管線密集，開挖過程中應(yīng)嚴(yán)格控制地面沉降。在通道設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)采用CD施工法，由于該施工方法工序較多，導(dǎo)致使相應(yīng)的結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，實(shí)際施工中，結(jié)構(gòu)內(nèi)力也經(jīng)過了多次轉(zhuǎn)換，從而具有較大的技術(shù)難度，結(jié)合施工工期以及工序，參照有限原因分析，采用斷面的開挖施工方式，保留核心土，并且增加必要的臨時(shí)支撐。

2.2 主要施工技術(shù)

為防止施工地表沉降過大，應(yīng)實(shí)施相應(yīng)施工技術(shù)措施圍繞，主要技術(shù)措施：在路面鋪墊2 cm厚的鋼板，從而能有效緩沖和擴(kuò)散施工周邊的荷載。使用長管棚加超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)，施工土層壓力通過長管進(jìn)行承擔(dān)。嚴(yán)格控制開挖循環(huán)進(jìn)尺，按0.5 m每循環(huán)掘進(jìn)。開挖掌子面適當(dāng)留取核心土，及時(shí)封閉成環(huán)。二襯及時(shí)跟上，防止地表沉降過大。

為了防止隧道通道頂部噴射混凝土和二次模筑襯砌之間存在空洞的可能性，由此在土層以及初期的支護(hù)過程中，應(yīng)在涂層和初期支護(hù)，初期支護(hù)以及二襯之間預(yù)留注漿管，并實(shí)時(shí)注漿充填，防止地表下沉，在注漿過程中應(yīng)主義注漿壓力的控制，盡量實(shí)現(xiàn)充填而不是劈裂，注漿壓力過大將對二襯結(jié)構(gòu)施工不利。

實(shí)際施工過程中，應(yīng)建立嚴(yán)格的監(jiān)控和量測體系，能根據(jù)所反饋的信息對設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，并采取信息化的施工模式。

2.3 施工重難點(diǎn)

施工火風(fēng)山隧道土層的上方是雜填土，不同土層泥土成分和分布特點(diǎn)差異性加大，例如土層有可能為河流常年淤積而成，主要成分為飽和狀淤黏土；部分土層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，主要成分是飽和砂性土，最顯著的特點(diǎn)是自穩(wěn)性極差。一般隧道距離地面非常淺，而且在隧道頂部還有大量的電力、電信、路燈等數(shù)種管道路線通過，而且?guī)缀醪淮嬖谶w移的可能。開挖工作主要集中在淤泥質(zhì)粘土地層中，該土層的特點(diǎn)是高壓縮性、高靈敏度、強(qiáng)度低，發(fā)生蠕動(dòng)的可能性較大，開挖過程中自穩(wěn)性能非常差，很容易造成塌方、地面沉降等施工事故，施工質(zhì)量很難得到保障。因此，必須采取相應(yīng)的措施進(jìn)行加固。在此次施工過程中，選擇注漿的方法來解決加固的問題。由于施工土層自穩(wěn)性極差，普通的注漿方法很難起到保證性的加固效果，因此，本次采用壓力注漿的方式，選擇了擬采用劈裂注漿方法。下文主要對該注漿方法的一些

2.4 注漿加固施工管理過程

2.4.1 劈裂注漿加固原理。在進(jìn)行劈裂注漿時(shí)，注漿管出口高壓作用下噴出的的漿液會(huì)在對地層周圍形成附加壓應(yīng)力，壓迫土體出現(xiàn)裂縫，漿液就會(huì)順著土體強(qiáng)度低的地方向強(qiáng)度高的地方劈裂，漿體冷固后就會(huì)對土體的網(wǎng)絡(luò)或骨架形成強(qiáng)力的支撐，達(dá)到加固的效果。在漿液注入的過程中，漿液會(huì)擠開土體中的淤泥質(zhì)土，使得其向兩邊分散或者直接擠出土層。另外，在注漿范圍內(nèi)，注漿過程會(huì)擾動(dòng)淤泥質(zhì)土，該土層的強(qiáng)度就會(huì)被大幅度削弱，當(dāng)注漿過程完成后淤泥質(zhì)土中的壓力就會(huì)消失，漿液固結(jié)和土體化學(xué)固結(jié)就能加強(qiáng)土體的強(qiáng)度，防止土體發(fā)生變形。但該注漿方法的弊端是土層固結(jié)有可能導(dǎo)致土體的沉降和位移。

2.4.2 劈裂注漿過程。從劈裂注漿的原理我們可以看到，劈裂注漿總的是把土體進(jìn)行壓密后再劈裂，根據(jù)漿液對土體作用的差異，可以把這個(gè)過程分為3個(gè)步驟。

泡壓密階段。在注漿的初始階段，漿液中所含有的能量較小，不能立即破開土體形成裂縫，當(dāng)漿液逐漸聚集在注漿管孔周邊時(shí)，就會(huì)以橢形泡體的形式逐漸擠壓土體，土體所承受的壓力會(huì)越來越大，通過計(jì)算可得出壓力和流量的曲線圖，在曲線的初始部分噴出的漿液較少，所承受的壓力增長速度不斷加快，說明此時(shí)土體還沒有出現(xiàn)裂縫，直到曲線中的第1個(gè)峰值壓力，此時(shí)土體被破開，該點(diǎn)所對應(yīng)的壓力稱為啟裂壓力，曲線中該點(diǎn)以前的部分都屬于鼓泡壓密階段。

裂流動(dòng)階段。當(dāng)漿液對土體的壓力超過啟裂壓力時(shí)，漿液就會(huì)在土體的裂縫中流動(dòng)，劈裂面發(fā)生在阻力最小的小主應(yīng)力面。在漿液的作用下，土體層會(huì)沿著已有的軟弱破裂面逐漸破裂，漿液就會(huì)順著新形成的裂縫流動(dòng)。如果土體層面比較均勻，初始劈裂面就會(huì)顯示為垂直的效果。

動(dòng)土壓力階段。當(dāng)土體被擠壓到一定程度后，土體的強(qiáng)度就會(huì)增強(qiáng)到不能被再碎裂的情況，就很難再形成新的裂縫。此時(shí)，注漿壓力就會(huì)逐步上升，地層中大小主應(yīng)力方向改變，水平向主應(yīng)力轉(zhuǎn)化為被動(dòng)土壓力狀態(tài)，如果想要進(jìn)一步加寬裂縫或者擠壓形成新的裂縫就要就加大注漿的壓力，直到出現(xiàn)曲線圖中的第2個(gè)壓力峰值。在該壓力處，水平向應(yīng)力大于垂直向應(yīng)力，土層會(huì)被劈開形成新的裂縫。被動(dòng)土壓力階段是劈裂注漿加固的關(guān)鍵階段，在2個(gè)壓力峰值后會(huì)有大量的漿液再次流入縫隙，這就會(huì)使得小主應(yīng)力有所增加，縮小了大小主應(yīng)力間的差別，進(jìn)一步加固了土體。

2.4.3 注漿材料的選擇。漿材料的種類較多，而且不同種類的注漿材料性能差異較大。在當(dāng)前，以水泥系和無毒的硅酸鹽系漿材比較流行。但施工隧道土層大多是淤泥質(zhì)黏土，穩(wěn)定性較差，一般的注漿材料很難起到理想的加固效果。此外，隧道底部注漿對漿液后期的強(qiáng)度要求比較高，在多方面比較后，選擇了水泥水玻璃雙液注漿作為注漿材料。如果采用水泥漿液、水泥黏土漿液進(jìn)行注漿，注漿過程中土體受壓后會(huì)很快固結(jié)，不能進(jìn)行進(jìn)一步的加固，而且在后面的固結(jié)過程中，漿液中多余的水分在黏土中不能拍排除，只有通過黏土中劈開的裂隙中慢慢溢出，溢出的過程很有可能發(fā)生跑漿的問題。采用水泥水玻璃材料就可以避免這些問題，水泥水玻璃反應(yīng)后結(jié)石率達(dá)到100%，無水排出。

2.4.4 注漿壓力的設(shè)定。由于隧道頂部距離地面很淺，在進(jìn)行注漿時(shí)，漿液沿水平剪切方向流動(dòng)會(huì)在地表出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象。實(shí)際注漿過程中，考慮注漿管道的壓力損耗、注漿端頭漿體堵塞等影響，隧道施工現(xiàn)場調(diào)整后一般采用的注漿壓力初壓為0.5～1 MPa，終壓為2 MPa，大于計(jì)算的劈裂注漿的極限壓力。

2.4.5 注漿效果。在注漿施工過程完成后，對加固土體進(jìn)行開挖，觀察記錄了注漿加固的范圍。可以看到漿脈分布較為明，注漿孔周圍有明顯的擠密土體。采取物理力學(xué)指標(biāo)對加固后的土體進(jìn)行檢測后，加固效果非常明顯。

3 施工總結(jié)

3.1 具有明顯的管棚作用。在施工的初期支護(hù)前，管棚承擔(dān)著43%的圍巖變形作用力，管棚是通道順利開挖的關(guān)鍵，長管棚的支護(hù)加小導(dǎo)管注漿能加固開挖擾動(dòng)范圍內(nèi)的巖土體，在管棚的防護(hù)下，開挖過程中產(chǎn)生的地中以及地表位移的應(yīng)力都得到了有效的控制。

3.2 在分步開挖以及全斷面開挖兩種施工狀況中，初期的支護(hù)以及模筑襯砌受力在彈性范圍內(nèi)，其產(chǎn)生的支護(hù)作用安全可靠，

3.3 施工地中具有軟弱土體以及通道埋深超淺，由此在開挖過程中在通道底部并向左右擴(kuò)展延伸一定的厚度范圍內(nèi)部產(chǎn)生了較大面積的塑性區(qū)域，在通道頂部一定的厚度范圍產(chǎn)生了受拉屈服區(qū)，應(yīng)在實(shí)際的施工中加以注意。根據(jù)具體的施工狀況采取具體的施工技術(shù)。

3.4 地表下沉量較大。左右機(jī)動(dòng)車道中心斷面，累計(jì)沉降值達(dá)到了61 mm和51 mm，并且具有較長的沉降持續(xù)時(shí)間，最大沉降值超出了基準(zhǔn)值一倍多，但在實(shí)際沉降過程中，路面均能正常使用，未見明顯裂紋出現(xiàn)，說明對于類似工程，可以將地表沉降管理基準(zhǔn)值提高到50 mm。

3.5 信息化施工加強(qiáng)了監(jiān)控以及量測，從而能對地表沉降、洞內(nèi)拱頂下沉、周邊收斂以及土體壓力、鋼拱架內(nèi)力進(jìn)行觀測和反饋，使整體的施工建立在科學(xué)以及嚴(yán)密的監(jiān)測指導(dǎo)和監(jiān)督體系下，從而能及時(shí)修改施工設(shè)計(jì)參數(shù)，調(diào)整施工方案，建立動(dòng)態(tài)施工模式，保證施工安全以及地中管線的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對地面沉降的控制和路面交通的暢通。

4 結(jié)束語

為了獲得更好的加固效果，在施工設(shè)計(jì)時(shí)，要注重理論與實(shí)際的結(jié)合。注漿過程中，施工人員要充分了解土層條件、注漿孔布置、凝膠時(shí)間等現(xiàn)場施工條件。在施工過程中，要做好相關(guān)的施工管理和現(xiàn)場監(jiān)督工作，尤其要注意注漿過程中一些參數(shù)（如注漿壓力、注漿速率和注漿量）的設(shè)定，要根據(jù)實(shí)際施工情況不斷對這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

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［2］ 關(guān)寶樹.遂道工程施工要點(diǎn)集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

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