復雜地質水文條件下地鐵隧道土體坍塌的控制措施

陳國聯

（中鐵二十三局集團第二工程有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

一、工程概況及工程水文地質情況

1 工程概況

長春地鐵一號線南繁區間線路整體呈南北走向，出南湖大路站后，向南沿人民大街方向敷設，直至繁榮路站。區間左右線均為礦山法施工，全長875.206m。因設有人防段、停車線段等，結構尺寸不一，根據結構尺寸由小至大分別采用臺階法、CRD法和雙側壁導洞法開挖支護。

2 場區工程地質及水文地質

2.1 工程地質

長春地鐵1號線一期工程南湖大路站～繁榮路站區間位于松遼波狀平原東緣與吉東山地接址帶。本工程場地地層由道路結構層和人工堆積雜填土層、第四系沖積粘性土和沖洪積砂土、下伏白堊系泥巖組成。根據勘察報告，擬建區間場地地層為人工填土、第四系粘性土、砂土及白堊紀泥巖等。巖性變化不大，地層的均一性較好，但多在地下水以下，受地下水的影響較大。上部土層呈可塑狀態，局部偏軟，圍巖易坍塌下陷及變形。由地表向下，填土性質較差，②1至②2層土質相對較軟，向下各土層的性質隨深度漸好。需根據不同圍巖分級做好防護措施，確保隧道圍巖穩定。

在區間1隧道土方開挖過程中，隧道上臺階基本位于勘察報告提供的②5粘土層中，拱部位于②4粉質粘土層與②5粘土層交界面處，實際開挖揭露的地層土體非常松散，顆粒感較強，土體遇水后極易崩解垮塌，自穩性和工程性質較差。如圖 1所示。

2.2 水文地質

現場勘察過程中，發現三層地下水，第一層為表層孔隙性潛水（編號①），第二層為淺層承壓水（編號②）、均屬于第四系松散巖類孔隙水，第三層為巖石裂隙水（編號③），屬于碎屑巖類裂隙水。

圖1 南～繁區間隧道工程地質縱斷面

圖2 地表水向下滲水通道示意圖

圖3 超前探測不良地質匯總圖

由于我施工標段距離南湖較近，雖然按設計要求進行了管井井點降水，并按設計和施工經驗要求，提前三個月啟動降水，但受南湖水系的影響，在區間暗挖過程中，始終做不到無水施工，施工掌子面始終存在滲水現象。

二、區間隧道常規施工措施

1 施工降水

1.1 降水設計

根據勘察報告、站點結構施工順序、現場施工場地條件、地下管線情況、現場構筑物影響等多方面因素的分析，選擇大口徑管井群井降水：在區間兩側布置抽水井形成封閉降水，疏干第①層潛水、降低和疏干②層承壓水及疏干裂隙水，控制基坑中央水位深度，達到降低地下水位的要求。

區間長875m，分為兩段。區間北段井間距6m，井深34m；區間南段井間距8m，井深30m；降水井井徑600mm、無砂水泥濾管，3mm～7mm碎石濾料，布置在離開挖線3m的位置。

1.2 降水施工方法

（1）施放井位

采用人工挖探孔的方法，探孔深度不小于3m，確認地下無各種管線后方可施工。

（2）降水井成孔

為確保降水效果，減小洗井難度，所有管井采用反循環鉆機成孔。

（3）替漿及下管

下管前注入清水置換全井孔內泥漿，砂石泵抽出沉渣并測定孔深。井管采用無砂水泥管。

（4）填濾料

井管下入后立即填入濾料。

（5）洗井

成井后，借助空壓機清除孔內泥漿，至井內完全出清水為止，再用污水泵反復進行恢復性抽洗。

（6）抽水

圖4 注漿后掌子面土體效果圖

為了保證降水期間抽水持續作業，防止長時間停電造成水位回升，影響地下結構施工，考慮配備用電源。

（7）維護降水期降水觀測

維護降水期應對地下水位動態進行觀測，并對地下水動態變化及時進行分析，采取相應的處理措施。

2 超前支護

區間標準斷面土方開挖前沿拱部150°范圍每兩榀格柵打設一排φ32超前注漿小導管注漿加固掌子面前方土體，小導管從鋼架腹部穿過，然后混凝土復噴至設計厚度，混凝土終凝后注漿加固地層。導管長度L=3.0m，打設角度10°～15°，超前導管環向間距0.3m。注漿漿液采用水泥漿。

2.1 導管制作

小導管前端做成尖錐形，尾部焊接φ8mm鋼筋加勁箍，管壁上每隔15cm梅花型鉆眼，眼孔直徑為6mm～8mm，尾部長度不小于60cm作為不鉆孔的止漿段。

2.2 導管安裝

在安裝好的格柵鋼架上采用紅油漆按照導管設計間距做好孔位標記，采用風槍鉆孔，孔徑較設計導管管徑大10 mm，孔深2.5m，傾角10°～15°。成孔后將小導管按設計間距從格柵鋼架腹部打入，外露20cm并牢固焊接在格柵鋼架上，與格柵鋼架共同組成預支護體系。

2.3 導管注漿

注漿漿液采用水泥漿，漿液水灰比1∶1，注漿壓力0.2MPa～0.5MPa。注漿時由拱兩邊對稱向拱頂進行，自下而上逐孔注漿。單孔注漿壓力達到設計要求值，持續注漿10min且進漿速度為開始進漿速度的1/4或進漿量達到設計進漿量的80%及以上時注漿結束，進行一下導管的注漿。如有竄漿或跑漿時，采用間隔注漿，最后全部完成注漿。

3 土方開挖

區間隧道標準段采用上下臺階法施工，上臺階土方采用短臺階環形預留核心土人工小步距開挖，下臺階土方采用挖掘機開挖。一般情況下，上下臺階長度控制在5m～6m，上臺階的外側按照至少1∶1放出坡面，留出核心土，以很好的支撐掌子面土體，確保掌子面的穩定。開挖步距0.75m。

三、特殊地質施工控制措施

由于洞內大里程作業面拱部經常性土體剝落、塌方，給施工進度帶來很大難度，并且存在重大安全風險和隱患，已經造成進度滯后、文明施工差，施工掌子面坍方、片土傷人等實際問題。針對上述實際問題，在現有地質、水文條件下，我項目部認為在原設計的基礎上結合實際進一步優化設計參數、調整施工工藝，采取適當加強超前支護、超前探測、深孔注漿等措施，以保證本工程安全、質量、進度及地下管線和操作人員安全。

1 拱腳板墊塊

開挖土體為粉質粘土，含水量大時土質較軟，為控制已支護完成但未成環格柵的沉降量，采用在拱腳板處加15cm×15cm厚5cm的木板，以減少未成環格柵的沉降量。以減少沉降引發坍塌的機率。

2 加強鎖腳錨管

為加強對拱腳的處理，根據施工步序，設計在每榀格柵鋼架拱（墻）腳節點處各設一根鎖腳錨管。我部認為鎖腳錨管剛度不足，數量偏少，在軟弱富水粘土、粉質粘土地層中不能夠有效的控制初期支護沉降，需要進行加強。采用φ42×3.5mm普通水煤氣管，L=3m，每榀格柵鋼架拱（墻）腳節點處各設兩根鎖腳錨管，鎖腳錨管水平夾角按45°打設并注漿，注漿材料選用單液水泥漿。漿液水灰比1∶1，注漿壓力0.5MPa～1.2MPa。

3 超前探測

根據掌子面拱部土體中含水量突然增大，存在明顯的滲水現象，且多次發生拱部土體剝落傷人和塌方事故，現場開挖支護施工存在較大安全隱患。經分析掌子面前方存在不明水囊和滲水通道。我項目部進行掌子面前方超前探測，探明掌子面前方是否存在水囊和滲水通道，依據探測結果對水囊進行引流和滲水通道進行注漿止水處理。

委托長春國地探測儀器工程技術股份有限公司對區間隧道1號工區左右線隧道開挖作業面前方進行了超前地質探測，探測發現地表土體含水量豐富，且存在多處地表水向下的滲水通道，滲水通道范圍內土體含水量亦較大，且該范圍內土體空隙度很大，水體流動性較好，如圖2和圖3所示。

4 深孔預注漿

在現有地質、水文條件下，降水是有效果的，并發揮了一定的作用。但是由于粘土層、粉質粘土層中滲透性相對較弱，依靠單一的地表管井降水無法完全疏干兩排降水井中間的多處地表水向下滲水通道內土體中的地下水。滲水通道范圍內土體孔隙和含水量較大，松散、節理裂隙發育，因設計的小導管注漿壓力和范圍有限，不能形成相互咬合的加固殼體，僅采用原設計的超前小導管注漿加固的方式滿足不了現場施工需要。因此根據地質情況及施工經驗采用在掌子面深孔注漿加固土體。

因此，我單位借鑒類似工程深孔預注漿加固止水的經驗，通過在掌子面鉆注漿孔，再向孔內壓注雙液漿，漿液擠出開挖斷面及其周圍一定范圍內的土體中的水，保證土體中的滲水通道被具有一定強度的漿體充填密實，并與土體固結成一體，形成止水深孔周邊帷幕，有效的加固了土體，控制了土體剝落傷人和塌方，取得了良好的效果。具體施工工藝參數如下：

（1）在區間1工區大里程方向隧道上臺階掌子面噴射400mm厚C20網噴混凝土止漿墻；

（2）在隧道拱部放出上臺階超前深孔預注漿鉆孔孔位，根據拱部滲水范圍大小，每循環布設超前深孔預注漿鉆孔5～ 10根；

（3）鉆孔，采用地質鉆機成孔，每循環鉆孔注漿深度14m，開挖12m，預留2m長度作為下一注漿循環的搭接長度。注漿孔直徑108mm，環向布設間距0.5m；

（4）注漿，鉆孔內打入89mm鋼花管，壓住水泥水玻璃雙液漿。注漿壓力1.5～2.5MPa，水灰比=1∶1，水泥水玻璃比=1∶1，水玻璃濃度35Be’。

通過幾次注漿試驗段，均對土體進行了有效的加固，保證了開挖的安全。注漿施工取得了預期效果。因此，對南繁區間后續滲水通道范圍內隧道拱部進行超前深孔預注漿加固，以保證本工程安全、質量、進度及地下管線和操作人員安全。如圖4所示。

結語

本文列舉了地鐵施工技術方法的控制，通過對隧道掌子面進行超前支護，采取小導管注漿、超前地質探測以及復雜地層采用深孔預注漿等措施，增加了巖層的自穩能力，有效的控制了隧道開挖過程中的坍塌、突泥、突水情況，避免了地表沉降以及對周邊建筑物的變形危害。同時本文案例對復雜地質地層進行了要點分析，采用的技術措施有效的控制了復雜地層的風險及病害，對以后的地鐵隧道土體坍塌的控制措施研究課題中總結了豐富的經驗。

[1]GB 50299-1999，地下鐵道工程施工及驗收規范[S].