地鐵隧道下穿河流施工遇富水軟弱地層的控制技術

閆 莉 張智慧 朱 興

(1.鄭州經貿學院建筑工程學院， 450007， 鄭州； 2.鄭州西亞斯學院建筑學院， 451150， 鄭州；鄭州航空港經濟綜合實驗區規劃市政建設環保局， 450007， 鄭州∥第一作者， 講師)

地鐵線路的規劃囿于既有城區的分布，不可避免需要穿越建筑、橋梁、河流等復雜環境。特別是在地鐵隧道穿越富水軟弱地層時，由于土體軟弱界面密實度低、膠結性劣、地下水高承壓性等因素，極易導致隧道頂部覆土沉陷，使得破碎區域與臨空面貫通,出現滲漏通道，繼而引發工作面突涌水、周邊圍巖沉陷坍塌等工程事故[1-2]。多位學者就軟硬交界地層及下穿河流隧道施工的穩定性及變形控制等方面開展過研究[3-7]，但均未提及軟硬交界面存在富水軟弱地層情況下隧道下穿河流的防控及注漿控制技術。本文以青島地鐵某富水軟弱地層的隧道下穿李村河工程為背景，通過對地質條件及工程資料的深入分析，提出了包含多種注漿加固及輔助施工措施的圍巖控制方案，并采用數值分析和現場試驗等方式對隧道下穿段的控制效果進行分析，以期為富水軟弱地層隧道的支護加固及變形控制提供借鑒。

1 工程概況

青島地鐵某線路區間位于青島市京口路東側，在濱河路以南區域下穿李村河，下穿河流段隧道上部覆土層厚約為10.8～14.9 m。隧道均為單洞單線馬蹄形截面，高度為6.5 m、跨度為6.0 m，兩隧道凈距8.6 m。該區間采用復合襯砌暗挖結構、錨噴支護、礦山法分臺階開挖的施工工藝。隧道下穿區域河流與隧道走向的相對關系如圖1所示。

圖1 地鐵隧道區間與其河流下穿段的平面關系

線路施工期間，李村河主要溝槽的水深約為0.5～1.8 m，淺部河床露出硬化。隧道圍巖及等效加固區的巖性參數如表1所示。

表1 圍巖及等效加固區的物理力學參數表

2 隧道下穿河流的加固控制方案

2.1 超前深孔注漿施工控制

該區間隧道下穿李村河，隧道的頂部和底部分別位于富水砂層和中風化巖層，圍巖等級為Ⅴ～Ⅵ級。由于施工段隧道拱頂上方2～5 m范圍內為富水軟弱地層，為保證開挖工作面的穩定，該項目采取后退式WSS(無收縮雙液)超前注漿技術。隧道施工前采用探挖取樣法觀察試樣結石程度、測試固結體力學指標，以便對注漿效果進行合理評估，確定下一環節的注漿參數。

2.2 地面復合錨桿樁施工控制

為防止下穿段爆破施工對拱頂圍巖產生擾動，導致拱頂上方地表水或地下潛水沿裂隙滲入隧道內部，該項目采用內外2排地面復合錨桿樁的方式控制上部地層的變形。

選用60根φ200 mm的錨桿樁，分別進行內、外2排打設。樁端嵌入中風化基巖0.6 m以上，設計采用樁長約16.2 m，樁間排距為0.65 m×0.65 m。具體施工工藝如下：

1) 鉆機成孔。擴孔設備選擇SH-30型沖擊鉆。鉆機就位后先采用φ175 mm鉆桿成孔至3.5 m深度，然后以φ127 mm套管實施沖擊作業。

2) 復合錨桿樁施工。將錨索主筋由2層鋼板孔中引出，保證縱向鋼筋與固定支撐焊接穩固，進行錨桿固定。安設時擺放好錨桿深入方向，緩慢植入孔內并嵌固。

3) 注漿。采用3管同步注漿方式，注漿管內徑為18 mm，管口距孔底2.5 m，注漿孔徑為3.8 mm、豎向間隔為16 mm。

2.3 超前小導管施工控制

在隧道掘進前，針對拱頂部位利用洞內小導管技術注入硫鋁酸鹽水泥漿液進行預加固。注漿采取有壓水煤氣型的鋼鑄管(見圖2)，其管徑為4.6 cm，管長為2.85 m。小導管管體部分交錯布置多個直徑為8 mm注漿孔。小導管夯進時選擇液壓振動方式，管體仰角及外插角為9°～18°，沿隧道方向的搭接長度約為1.8 m。

圖2 超前小導管結構示意圖

3 隧道下穿施工控制效果分析

3.1 仿真數值模型

以該區間隧道下穿河段為研究對象，合理簡化后建立計算模型[8]，如圖3所示。周邊圍巖選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，初期支護選擇殼(shell)單元，二次支護選擇實體單元,錨桿選擇錨索(cable)單元。

3.2 隧道結構變形分析

數值模擬采用先左隧、后右隧的計算順序。下穿河流通過后隧道襯砌的變形云圖如圖4所示。由圖4可看出，開挖過程中的襯砌變形呈現對稱分布的特點，下穿河流通過后隧道變形最大部位發生在左、右線隧道的拱頂部位。左線區間施工至通過河流后，隧道襯砌頂部的豎向變形最大，其變形峰值約為6.8 mm；右線區間施工完成至通過河流后，隧道襯砌頂部的豎向變形最大，其變形峰值為8.4 mm，此時與之對應的左線區間隧道襯砌豎向變形峰值增大至7.3 mm。由此可見，雙線區間分段錯開施工能夠有效防止隧道間的相互影響，先施工隧道襯砌的變形略小于后施工隧道襯砌的變形，但二者相差不大。

圖3 地鐵隧道下穿河段的計算模型截圖

圖4 下穿河流通過后隧道襯砌豎向變形云圖

3.3 上部土層變形分析

根據施工經驗[9]，在淺埋破碎地層中進行高壓注漿可能會導致圍巖裂隙擴張、貫通，進而造成局部地面開裂、抬升、溢漿等問題。本文采用在模型的網格單元上增加應力的方法，使注漿單元發生膨脹變形，實現地層的抬升效果。按照現場開挖順序，在區間隧道下穿河流的掘進期間，地表的豎向變形云圖如圖5所示。

a) 左隧開挖完成

b) 右隧開挖完成

從圖5可以看出：

1) 隧道開挖前進行預注漿能夠導致地表向上隆起。這主要是因為富水砂層松散程度高、內部軟弱夾層多、黏聚力低，受注漿壓力的膨脹效應影響，地表土體易持續隆升。

2) 在施加超前注漿膨脹應力情況下，左線區間隧道穿越河流后，地表隆起峰值僅為9.6 mm。此后，由于右線區間的注漿作業引發地表豎向變形疊加，施工完成后左、右線區間上方的地表隆起值分別達到15.2 mm、17.9 mm，右側區間上方地表的抬升量比左側區間上方地表的抬升量大17.8%。這表明雙線區間注漿膨脹疊加擾動效應顯著，對河底地層的撓曲變形造成了不利影響，可見左、右區間隧道施工面分段錯開適當距離施工的重要性。

3) 注漿施工誘發左右區間隧道上方的地層出現“M”型的正曲率變形，其變形峰值部位出現在雙線區間拱頂位置的正上方，地表變形范圍約為隧洞跨度的2倍。

4 隧道下穿河流施工現場的監測分析

為了驗證隧道下穿河流施工控制方法的有效性，本項目在正式施工前開展了注漿試驗，并建立自動化監測，以形成有效的數據記錄。隧道下穿李村河施工時的地面沉降監測點(G1—G9)布設如圖6所示。

圖6 下穿李村河段測點布設示意圖

施工過程中，對9個監測點在距掌子面20 m、深孔注漿完成、隧道下穿完成3種情況下的地表最大豎向位移進行監測。如圖7所示，將不同施工情況下9個監測點的最大豎向位移連成曲線，即為距離李村河北岸10 m處地表在隧道下穿河流注漿施工前后的豎向位移情況。

從圖7可以看出：

1) 注漿作業開展以前，地表豎向位移表現為輕微抬升，但位移量不大,這表明此時監測點受施工的影響不大。注漿作業開展以后，地表隆起值較大,但仍然可控。隧道下穿河流施工完成后，地表隆起值略有下降。

圖7 隧道下穿河流施工前后各測點的地表豎向位移

2) 注漿作業是引起地層隆起的主要因素。施工期間必須時刻對監測資料進行整理和分析，以對注漿工藝與關鍵參數進行動態反饋。

3) 隧道下穿河流施工前和施工后，地表在豎向位移趨勢上表現為“M”型隆起，這與考慮了注漿體膨脹作用因素的模擬結果非常吻合，其位移峰值部位出現在左、右線隧道位置的正上方。計算得到的地表最大豎向隆起值與實測數據相近，且均未超過20 mm，表明了數值分析結果具有可靠性。

5 結論

1) 針對青島市常見 “上軟下硬”交界的地層特性，本文提出了包含多種注漿加固技術及輔助施工措施的圍巖控制方案。通過數值模擬及現場監測可知，采用超前輻射深孔注漿、地面復合錨桿樁及洞內小導管補償注漿的聯合加固技術可以有效控制隧道結構及其上部地層的變形，具有良好的加固控制效果。

2) 為保障施工工作面的穩定，應將圍巖變形和地表豎向變形約束在安全范圍內。利用隧道全斷面超前預注漿技術是提高作業面前方地質性能的重要措施。

3) 地鐵隧道穿越富水軟弱地層時，注漿壓力和注漿量對地表隆起的速率和位移量值具有較大影響。正式注漿過程中應加強施工質量管理，及時對監測資料進行整理和分析，并結合監測數據動態調整注漿工藝與關鍵參數，以減少因注漿施工導致的地表隆起變形。