地鐵工程地層預加固技術綜合分析

■張雪晴

（沈陽理工大學）

引 言

地層預加固技術是地鐵工程中的重要組成部分，以此保證圍巖的穩定性，這對控制地表沉降方面有積極作用。地層預加固技術在地鐵工程施工中，對圍巖的穩定性會產生直接的影響，在實際使用過程中，則需要針對地形、地質狀況而采取施工方法進行加固，避免塌方的情況出現。城市地鐵工程建設，埋深淺、地質條件復雜、地下管線密布等對工程施工都會產生直接的影響，為控制沉降，保護現有建筑物以及地下管線不被破壞，采取有效的地層預加固技術來保證地鐵工程施工的安全性、穩定性，對地鐵工程建設與發展等方面有積極作用[1]。

1 地層預加固技術的適用性分析

在對地層預加固技術的實際應用進行研究與分析中，其中包含超前錨桿、超前小導管、預注漿等多種加固技術。地鐵工程的施工條件不同，則地層預加固技術的應用方面也存在一定的差異[2]。其中，超前錨桿預加固技術是以懸吊、組合梁的方式進行加固。錨桿的應用操作相對比較簡單，但是，如果工程地質為軟土層，會因為圍巖自身穩定性比較低的影響，而導致軟土加固的力學性能不足的情況出現。超前小導管加固則是根據地鐵工程地層的實際情況確定注漿材料以及注漿方式等。可以選擇多種注漿材料，其造價相對比較低，對建筑物以及地下管線的影響相對較小。小導管注漿的適用性比較強，但是，加固范圍相對比較小，注漿效果不均勻，相比之下，其可靠性比較差。高壓旋噴樁預支護在加固中的應用，其質量比較高，均勻性較高，承載力比較大。水平旋噴樁在實際操作的過程中，一般長度為9m,如果是風化的破碎圍巖，其成樁的概率相對較低，漿液的擴散范圍比較小，加固效果會相對降低。在實際應用中，適用于淤泥、流塑、粉土、黃土、碎石土等地層。對于大粒徑塊石、大量植物有機質等類似場地的適用性比較差。注漿預加固則是以化學膠結作用為中心，其耗資相對比較小，施工靈活方便，加固深度方面可深可淺，應用領域相對比較廣泛。注漿效果與漿液配比、注漿方法等方面有直接關系，在不同注漿材料下，可適用于各類地層。

2 地鐵工程地層預加固技術的綜合比較分析

2.1 棚式預支護與注漿的技術比較

大管棚、水平旋噴樁以及預切槽都屬于地層預支護技術，鋼管棚的整體強度比較高，耗鋼量比較大，如果施工位置為富水地層，會出現管間縫隙漏水的情況[3]。預切槽拱厚比較均勻，但是，其長度優先，在軟含水層中，槽孔施工難度比較高。水平旋噴樁本身強度、防滲漏等效果比較好，軟地層中的應用，其土體變形的可能性會相對降低。但是，地鐵施工需要在隧道內進行施工，棚式預支護結構需要預留足夠的施工空間，這就會導致施工斷面擴大，其擴大情況如下。

圖1 管棚工作間設置

明確管棚工作空間設置下，則需要在原有隧道斷面的基礎上增加500mm左右，其長度需要控制在7m左右。在實際施工的過程中，地鐵工程施工距離比較長，循環作業的施工風險相對降低，但是，隧道開挖擴大，后期的施工操作以及加固控制難度等也會相對增加，影響隧道管棚的整體加固作業水平。注漿加固技術在隧道加固施工中的受限影響比較小，而且，其施工難度以及施工操作流程等可實現精準控制，對隧道、拱部的地層加固控制效果比較明顯。注漿加固范圍可以靈活設定，可以在不同程度上改善塑性破壞區的面積與深度，在單獨設置管棚時，對超前核心圍巖的預收斂變形的影響并不大。因此，地層預加固技術在地鐵工程中的應用則需要考慮工程長度、隧道跨度、地質情況、施工可行性等相關因素，并嘗試擬定多地層預加固技術聯合應用的方式，實現地層預加固技術的加固質量可以滿足地鐵工程地層施工的綜合要求[4]。

2.2 旋噴樁與管棚的技術比較

在對水平旋噴樁超前支護與管棚超前支護的實際應用進行研究中，在縱向的梁效應作用機理與力學規律保持一致。從水平面的角度進行分析，水平旋噴樁則應該考慮地殼效應。管棚支護則是以鋼管強度為中心，鋼管之間無法實現有效連接，不具備整體性。所以，在對各個區域基床系數進行計算時，兩者之間存在一定的差別。水平旋噴樁可以對地鐵工程地層變形問題進行有效控制，但是，從工程開挖的角度進行分析，常見的地鐵工程施工大多是采用暗挖法的方式進行施工，土體整體的受力狀態、抗壓強度系數等方面也會受到影響。水平旋噴樁在實際應用中，管壁與管徑變化，對加固剛度變化會產生直接的影響。結合管棚荷載變化情況，管徑越大，旋噴樁的管壁越厚，其力學強度越高。在進行研究與分析的過程中，地層預加固技術的應用可以對地層的力學結構、強度等方面進行調整，從而滿足地鐵工程施工的實際需求。但是，在暗挖過程中，地下含水量比較豐富，部分地段的地下管線比較多，再加上含水層的影響，地層預加固難度也會相對增加。由于管棚之間無法形成連續的固結體，地鐵工程地層的防滲水效果也會受到直接的影響。水平旋噴樁在地鐵工程中的實際應用，采用高壓注漿的方式對土體結構進行切割，可以形成固結體，在旋噴樁之間可以形成相互咬合的帷幕結

構，其力學強度、加固效果以及防滲水性等方面也會相對提升，這也是水平旋噴樁應用于暗挖施工的主要優點。

2.3 旋噴樁加固與注漿加固技術的比較與分析

在對水平旋噴樁與注漿加固技術之間的技術工藝、差異性等方面進行研究中，兩種施工方式對地鐵工程地層的抗剪強度都會產生直接的影響，而且，注漿也會改變土體的物理力學結構。在注漿手段中，靜壓注漿的初始壓力相對比較低，注漿壓力會隨著漿流阻力變化而變化，在高壓旋噴注漿方面，其壓力可以控制在35MPa左右，兵役射流切割的方式，提高地鐵工程的整體加固效果。結合旋噴樁與注漿加固的應用特點，兩種加固方式的對比情況如下：

（1）旋噴注漿射流會在高壓的影響下，其范圍受控，漿液的范圍可以在地層加固需求內，而且，可以降低地鐵工程地層的可變性。

（2）高壓旋噴樁在實際施工中則可以實現快速、環保施工，其整體的應用成本與操作工藝等水平相對較低。但是，注漿加固的過程中，注漿工藝、注漿材料配比等方面存在一定的復雜性，而且，地質條件不同，注漿施工難度也存在一定的差異。

（3）在相同地層條件下，高壓旋噴樁止水加固對地鐵工程的管線、隧道產生的影響比較小，施工處理的難度相對比較高。

結合上述兩種技術的對比分析，在地鐵工程加固施工中，地質條件不同，所選擇的地層預加固技術方面也存在一定的差異。如果礫石直徑大，巖層較厚，可以根據工程的實際情況選擇注漿加固施工技術進行操作。但是，部分地段的地下含水量比較豐富，采用高壓旋噴樁的成樁難度會增加，可以考慮利用雙液注漿的方式，控制漿液原材料選擇以及漿液配比，以此實現地層止水、加固的施工目的。

3 各地層預加固技術的經濟比較分析

在對地層預加固技術的經濟性進行研究與分析中，為比較旋噴樁、大管棚以及注漿等技術的應用效果，則以三種技術在同一施工條件下進行分析，地層預加固技術的經濟對比則是在假定同一項目的前提下，針對施工參數、施工工藝等方面進行綜合分析，以此比較不同地層預加固技術的實際應用效果。本次所選加固項目的隧道拱部為180°，地層的孔隙率為41%。在利用地層預加固技術的過程中，水平旋噴樁技術的應用，將樁徑為400mm，而且，環向的間距為200mm，且樁的長度為14m，單位面積下的水泥用量為162kg/㎡，施工手段以單管工藝為主。大管棚加固施工則是以直徑為108mm×8mm的框架為基礎，環向的間距為200mm，框架長度距離為14m，并以1:1的比例進行注漿，以地質鉆的方式進行施工管理。二重雙液注漿則是以“水泥+水玻璃”的方式進行注漿，在對注漿配比方面進行控制下，以此實現地層預加固技術的技術管理、經濟效益分析。在對上述三種地層預加固技術的經濟型進行分析中，水平旋噴樁的工程造價為5120元/m-1，大管棚的造價為6720元/m-1，二重管雙液注漿為7775元/m-1，在進行綜合對比與分析中，常規工藝與機械材料施工方面，水平旋噴樁的綜合造價成本比較低。此外，考慮不同地層與含水情況，不同的旋噴工藝方面有一定的差異。大管棚施工需要采用不同的施工工藝進行操作，在利用注漿的方式對地鐵工程地層加固方面進行控制中，則需要結合工程地質的實際情況，利用AB、AC等不同的漿液進行注漿處理，而且，在進行地層加固施工中則需要考慮不同材料的混合配比，以此滿足地層加固施工在技術、經濟成本等方面的需求[5]。

結 論

綜上所述，通過對超前錨桿預加固、高壓旋噴樁預支護、注漿預加固等技術的應用進行綜合分析，結合地鐵工程適用性為視角，注漿預加固的應用適用性比較高，可以滿足地鐵工程的加固需求。從經濟的角度對地層預加固技術的差異化應用進行分析，水平旋噴樁預支護的材料成本、操作成本相對比較低，但是，其整體的工藝性比較強，使用過程中需要綜合考慮與分析工程的實際需求。地層預加固技術中的注漿預加固技術施工優勢相對比較明顯，可考慮進行全面推廣，應用于地鐵工程地層加固施工中。