淺埋暗挖法穿越砂卵石無水地層施工技術

曹根芝

中鐵十六局集團物資貿易有限公司

1 工程概況及地質水文情況

1.1 工程概況

本文中所分析的工程為十三陵景區站-昌平站區間（中間風井-昌平站區間），區間起訖里程為右K3+285.990~右K4+619.330，區間右線長度1333.34m，最小平面曲線半徑R=650m，區間最小線間距為12m。風井-昌平站區間縱向為單坡，坡度最大為24‰，結構覆土約10m~18m。施工采用淺埋暗挖法，初支采用噴射混凝土+鋼拱架體系，結構斷面為馬蹄形，并采用臺階法施工，臺階長度0.5m。

1.2 地質情況

（1）根據勘探資料及試驗結果，本工程土層分為人工堆積層、第四紀全新世沖洪積層、第四紀晚更新世沖洪積層、侏羅紀四大類。根據力學性質和地層巖性又將其分為11個大層，其中占比較大的為含礫石的卵石⑤層、卵石⑦層。礫石成分主要為輝綠巖、花崗巖，隨機分布性強，最大粒徑約380mm。

（2）加固段覆土為砂卵石地層，結構上方有2m~2.6m的卵石⑤層、卵石⑦層，3m~6m的③4中粗砂層，3m左右的雜填土。

1.3 水文情況

區間地層為黏性土與砂卵石互層，黏性土隔水層逐漸變厚。在深度45m范圍內主要賦存三層地下水，該段區間地下水位于隧道仰拱以下約5m，區間開挖過程中無地下水。現場地質水文如圖1所示。

圖1 現場地質水文照片

2 施工難點分析

砂卵石地層無膠結、結構松散、顆粒空隙大、無黏聚力屬于力學不穩定層，顆粒之間的傳力方式為點對點，圍巖體整體強度較低，但單個石塊強度高，在地層中起骨架作用，施工不利影響如下。

（1）隧道覆土為卵礫石，自穩性差，開挖過程中無法形成自然力拱，容易塌落。

（2）由于卵石粒徑較大，超前小導管成孔率低，注漿效果很差，而且在砂卵石地層中，注漿管成孔一般是在噴射混凝土之后才將超前小導管按一定角度打入地層中，此過程會對即將開挖的地層圍巖進行擾動，破壞地層自身穩定性。

（3）砂卵石限制導管搭設深度，導致注漿成拱困難，開挖容易塌落砂石，很難保證土體穩定。

（4）開挖過程中的擾動可能對區間沿線建筑物、構筑物產生影響。由于隧道上方西關環島為主干道，故施工過程須嚴格控制拱頂沉降、地表沉降、橋樁下沉和傾斜。

3 針對難點采取相應措施

綜上所述，在砂卵石地層中采取傳統超前注漿效果不佳，因此可以從兩方面來考慮對砂卵石地層進行注漿加固，一是優化調整超前小導管設計參數，二是采取深孔注漿。

3.1 優化超前小導管設計參數

（1）超前小導管直徑的選擇。由于地層卵石粒徑大且松散，部分卵石超過50cm，小導管成孔率低，且容易擾動原狀土體致使地層更加不穩定，故采用小直徑、短導管。本案例中小導管管徑為25mm，管長為2.0m，環向間距為300mm。小導管采用逐榀打設，外插角及仰角打設角度為10°~15°。在小導管中間部位梅花形布置溢漿孔，孔間距15cm、孔徑Φ6~8mm，為防止漏漿，導管尾部0.5m范圍內不設溢漿孔，為防止端部開裂，在導管末端焊接φ6的環形箍筋。圖2為超前小導管加工示意圖。

圖2 超前小導管加工示意圖

（2）注漿材料和漿液配比。地層采用水泥-水玻璃雙液漿；注漿量計算如下式：

式中：

R——漿液擴散半徑，m取0.3；

L——注漿管有效長度，m；

α——地層孔隙率，取值參照現場試驗、地質勘探報告確定；

β——孔隙填充系數，取值參照現場試驗、地質勘探報告確定；

K——液消耗系數，一般可取1.35。

（3）注漿壓力取100kPa，終孔壓力取200kPa~300kPa，注漿壓力不大于300kPa。

3.2 深孔注漿措施

3.2.1 深孔注漿工藝原理

借鑒類似工程的成功經驗，選取二重管A、B（C）無收縮雙液WSS工法注漿加固。

（1）在不同的地質情況下，二重管無收縮WSS工法注漿工藝均能將土體填充密實，改變原土體的密度、提高抗壓強度，從而改變其物理性質。針對此工程案例，一個區域的注漿須連續不間斷進行直至完成，從而達到最佳加固效果。

（2）一次注漿液（瞬結性）和二次注漿液（浸透性）的配合比，依據現場地層試驗確定，對各種地層均能起到加固及止水作用。

（3）二次注漿液（浸透性）具有低黏性、凝膠時間長的特點，可采取噴射方式至均勻土質顆粒之間，從而減少了對周圍建、構筑物的影響。

深孔注漿施工流程：測放孔位→鉆機就位→鉆孔→漿液配合比確定→注漿→回抽一節→地表沉降觀測→注漿結束→移至新孔位。

3.2.2 加固處理施工方案

（1）注漿加固范圍及布孔。對結構線外2m范圍進行加固，如圖3所示。

圖3 注漿加固范圍及孔位布置示意圖（單位：mm）

（2）深孔注漿加固地層。將區間每12m劃分一個區段，分區段逐一進行深孔注漿加固。并采取注漿—開挖—再注漿—再開挖的施工方法，具體步驟如下：①采取深孔注漿對區間上臺階土體進行加固，當注漿深度達到該設計要求后方可停止；②待漿液強度達到設計要求后開挖上臺階，并及時進行初期支護，至注漿加固最深處2m停止開挖。

3.2.3 鉆孔、注漿

（1）施作止漿墻。止漿墻采用掛網噴射混凝土形式，噴射前將導向管按照設計位置、角度進行布設，待混凝土凝固后方可進行注漿加固。

（2）安插導向管。導向管用鋼管，長2m、直徑75mm、管壁厚3.5mm。其中一端伸入掌子面1.9m，另一端外露0.1m并套絲。

（3）鉆孔。將B型深孔鉆機插入導向管進行鉆進，鉆孔直徑42mm。

（4）鉆孔施工時每鉆進1m注漿加固一次（鉆孔深度可根據現場鉆進情況進行適當調整），鉆孔、注漿兩個施工工序循環往復至孔深加固達到設計值。

（5）注漿參數。注漿擴散半徑為0.6m~0.8m；水泥漿水灰比為0.5~2.0，水波璃濃度為20~25波鎂度，水玻璃與水泥漿的體積比為1∶3；注漿壓力為0.3MPa~0.5MPa，注漿速率為60L/min~70L/min。安裝注漿泵站等設備。注漿前應先檢查管路并進行水壓試驗，選取注漿終壓為試驗壓力，試驗前關閉閥門，如果發現存在泄漏情況應及時修理，保證正式注漿的安全性和穩定性。水壓試驗合格后正式注漿。

（6）注漿漿液配置及注漿。首先將硫酸（濃度98%）進行稀釋（稀釋倍數為15倍），然后按1∶1的體積比將水玻璃和稀釋好的硫酸進行摻和，水灰比0.5∶1，一根注漿管壓入水泥漿，另一根注漿管壓入硫酸與水玻璃的混合液。根據實際地質情況（砂及卵石層）調整好雙液漿的配比，以達到注漿壓力控制要求。漿液流量從中流量開始逐步降低，注漿壓力從低壓開始逐步升高直至注漿終壓，并保持壓注5min，注漿即可結束。注漿過程中采用注漿量值和注漿壓力值對注漿效果進行“雙控”。當注漿量較大、注漿壓力較小時可提高水泥漿液濃度，并持續加壓至設計要求值，實際注漿情況可依據現場注漿效果進行調節[2]。

（7）技術要點。①導向鋼管的位置及外插角度應嚴格按要求布設，以保證鉆孔位置的準確性；②注漿前在連續墻處噴漿50cm作為止漿墻封閉工作面以防漏漿；③為保證注漿效果，避免注漿穿孔，相鄰孔位注漿應間隔進行或跳孔施工。

4 結束語

淺埋暗挖法穿越砂卵石無水地層的關鍵是對地層的加固，本案例中根據現場監控量測的結果，實施超前注漿的同時采取優化超前小導管參數和深孔注漿的方式，對砂卵石地層進行加固，從而保證地面變形均能控制在合理范圍以內，保證了地面橋梁和建筑物的穩定性。應該指出的是，砂卵石無水地層的注漿效果應考慮以下因素，地質水文、施工工法、施工參數控制、注漿材料及配比、布置注漿孔位、凝膠時間等。現場施工時需加強理論分析，同時提升現場監控和施工管理，嚴格把控施工中的各項主要參數，并依據現場實際情況適當調節。