地下水滲流情況下花崗巖殘積土層暗挖隧道施工技術研究

文_楊國浪（廣西建設職業技術學院，專任教師，高級工程師）

隧道工程在開挖施工時，會嚴重影響原本穩定的地下水環境，導致原地下水環境出現失衡和地下水資源嚴重流失，破壞地表和地下生態環境平衡，而地下水滲流的出現將會對隧道施工質量與安全造成嚴重影響。暗挖是隧道開挖施工最常用的一種方法，但在施工時容易對隧道的圍巖產生較大的破壞和擾動，導致開挖損傷區形成，阻礙暗挖隧道施工的進度，再加上地下水滲流情況的形成，無疑會對暗挖隧道施工造成嚴重的影響。目前，我國有很多學者已經對地下水環境與隧道工程建設相互之間產生的影響關系進行研究。例如，顧建爐研究了山地隧道施工與地下水環境之間的相互影響機理；龐炳濤主要對熱力隧道暗挖施工時受地下水環境的影響進行了研究。這些研究包含了公路隧道、熱力隧道，但由于隧道用途不同，暗挖隧道的施工方法也就不同，導致地下水及圍巖受到擾亂的程度也不同。因此，本文主要結合實際地鐵隧道施工案例，對花崗巖殘積土層暗挖隧道施工中受地下水滲透影響的相關機理進行研究，一方面彌補當前研究存在的缺失與不足，另一方面為相關或相似工程施工提供理論支持。同時，對花崗巖殘積土層暗挖隧道施工的具體施工技術進行研究，還可提升此類暗挖隧道的施工質量和安全性。

一、工程概況

某市21號線地鐵工程采用暗挖施工，施工區間3號盾構井的暗挖區間地質構造比較復雜，必須從花崗巖殘積土層區段穿越，該區段的長度為160m。花崗巖殘積土是在特定地理、氣候和地質環境下的產物，其成分及結構特征比較特殊，一旦遇到地下水滲流情況，會導致土層呈現流塑狀，并喪失自穩性，非常容易出現軟化和崩解的現象。基于該暗挖隧道區段出現的地下水滲流情況，可以推斷出該隧道在開挖時非常容易出現地面沉降問題，甚至會導致隧道坍塌，嚴重威脅該隧道施工的安全和質量。因此，需要在該區段地下水滲流情況下，對花崗巖殘積土層暗挖隧道施工采取必要的技術措施。結合既往施工經驗，經技術可行性研究后，本項目決定采取超前支護技術聯合超前加固注漿技術開展施工，以減輕地下水滲流對花崗巖殘積土暗挖隧道施工產生的影響，保障該工程項目施工的質量和安全。

二、地下水滲流所致花崗巖殘積土層變形的機理

從上述內容可知，地下水滲流會對暗挖隧道產生一定的影響，具體來講，這種影響是間接的，主要是因地下水滲流對土層或巖層產生影響，而一旦土層或巖層受到影響，則隧道施工也必然會受到影響。為了確保隧道暗挖施工的質量與安全，必須高度重視地下水滲流對土層產生的影響，了解其具體的機理所在。結合本項目花崗巖殘積土層條件，可對地下水滲流所致花崗巖殘積土層變形影響的機理做出如下分析。

（一）滲流場形成及其造成的影響

當項目施工遇到降雨天氣時，地表水加速下滲，地下水位升高，造成圍巖內部與掌子面外部之間形成水頭差，地下水出現滲流情況，進而導致基坑周邊形成滲流場。滲流場的復雜性比較高，其內部并不是穩定不變的，而是隨著時間的推移而不斷發生變化，且滲流場會與應力場之間形成相互作用，造成一系列的物理力學以及化學變化，在此復雜作用條件下導致花崗巖殘積土層中的土體出現強烈的抗剪強度變化。

（二）地下水滲流對殘積土層土體產生的物理力學作用

地下水滲流發生后，會對土體形成物理力學作用，具體體現為對土體空隙產生的壓力作用位置發生變化，造成土體有效應力受到影響。同時，地下水滲流同巖土之間發生的物理和化學作用，會導致土體微觀結構和組成結構發生變化，使土體的抗剪強度和抗壓強度均受到影響。地下水滲流還會產生土體顆粒遷移、土體化學成分改變和水體狀態變化等方面的影響，進而影響土體強度。

當地下水產生的滲透壓力逐漸增加或是地下水滲流發生的時間逐漸變長時，土體顆粒會出現分離狀態，原本微小的顆粒孔隙也會因此而擴大。本研究為了確定各種程度的滲透壓力條件下土顆粒孔隙比及變形量產生的變化，特從項目現場取樣開展試驗研究，研究結果見表1。

從表1中可以看出，初始孔隙比與孔隙變形量之間成正比，當孔隙比逐漸變大時，空隙變形量形成的差異也越來越大。

表1 各種程度的滲透壓力下土顆粒孔隙比及變形量變化統計表

（三）地下水滲流對花崗巖殘積土層產生的變形影響

從上述內容可知，當地下水滲流發生后會形成滲流場，當滲流情況剛剛發生時，所產生的滲流場并不會過強，滲流情況也不易被施工人員發現，隨著時間不斷推移，滲流情況會越發嚴重，滲流場也會不斷增強，從而導致土體顆粒孔隙增加，土體顆粒之間的摩擦阻力以及結合力降低。因此，在地下水滲流形成滲流場之后，受到外界應力場的作用，會導致圍巖容易出現松動變形，從而使隧道施工的安全性和質量受到嚴重影響。

三、暗挖隧道技術措施

從上述內容中可知，地下水滲流的發生會對花崗巖殘積土層產生一定影響，為了有效避免暗挖隧道過程中出現的坍塌和沉降問題，需要實施超前支護及超前加固注漿技術，在開挖前先對花崗巖殘積土層進行預先加固處理。前者主要是使用超前小導管來完成支護作業，在本項目中所使用的小導管采用無縫鋼管，規格為Φ42.0mm×3.5m，布置于拱部120°范圍之內。對從該地鐵21號線下部穿過的3號線隧道斷面則使用二重管施工，施工的技術方法為超前加固注漿技術，所注漿液類型為無收縮性雙液。具體的施工技術措施如下。

（一）超前支護技術的應用

1.工藝流程

在隧道施工穿越的巖層比較軟弱的情況下，施工會造成圍巖出現較大程度的變形。若未能事先做好支護措施或者是在初期支護時采取的施工措施不及時，將會導致圍巖出現大幅度變形，若變形超出規定的范圍，會出現諸多問題，在嚴重的情況下還會使掌子面失去穩定性，甚至發生坍塌事故。一旦隧道出現塌方事故，將直接影響整個隧道工程的質量和施工進度，甚至損害施工人員的生命財產安全，進而導致工程出現嚴重損失。因此，施工單位在開展隧道施工時，應結合地下水滲流的實際情況，在必要時采取超前支護技術來對圍巖出現的變形問題進行控制，提升隧道施工的安全性。超前支護技術的施工工藝流程見圖1。

圖1 超前支護施工工藝流程圖

2.小導管布設

本項目的超前支護導管采用無縫鋼管，為方便導管安裝施工，導管的前端部位加工成圓錐形，可避免泥漿在注漿時噴出，造成施工材料浪費。超前支護導管的長度為3.5m，在導管中間位置布設注漿孔，注漿孔采用梅花形布置，直徑為15mm，注漿孔間距為25cm。在小導管末端預留1.0m的止漿段，止漿段范圍內不設注漿孔，目的是為了避免漿液的溢出，以及保證注漿的壓力。同時，小導管需要配合鋼拱架設置，小導管的末端設置在鋼筋格柵鋼拱架中，提升導管的穩定性，可以有效預防小導管插入過程中出現端部開裂問題，從而避免注漿管連接失效問題發生。小導管應用于超前施工時，需要先使用鉆機對其進行鉆孔處理，小導管在正式插入后，還需要使用風鎬配合將其振入，超前支護施工導管部分施工見圖2。

圖2 超前支護施工導管施工示意圖

3.超前支護施工技術要點

（1）小導管安裝之后，需要使用噴射混凝土對周圍出現的裂縫及鉆孔進行密封處理。在必要的情況下，還要使用掛鋼筋網片加噴射混凝土對小導管及工作面周圍進行封閉，從而預防工作面塌陷問題發生。在開展注漿施工前，必須實施壓水試驗，對注漿壓力進行檢測，同時檢查機械設備是否處于正常運轉狀態，還要檢查注漿管路的通暢性和連接嚴密性。若工期比較緊張，并且對機械設備的運轉效率有較高的要求時，可實施群管注漿，注漿使用的泵可以選用雙液壓泵，水泥漿的水灰比應該達1∶1。在正式開展注漿施工之前，需要先使用高壓風進行清孔，將管內中積存的砂石和積水等吹出。注漿時要保證單孔注漿的壓力達0.3MPa～1.0MPa，并隨時對注漿壓力及注漿量進行檢測和調整，直至達到相關設計要求。

（2）注漿施工時，應該對注漿壓力進行嚴格控制，注漿最終壓力一定要與設計要求相符，并將壓力穩定保持1min～2min，以保證泥漿的全面滲透。注漿壓力不要超出預設壓力的最大值，避免結構出現拉絲、變形和地面結構異常等問題。

（3）初始配合比確定之后，可以利用凝膠時間來對后續配合比進行調節，同時還要對注漿的固結強度進行檢測，使配合比達到最佳程度。

（二）超前加固注漿技術的應用

本項目的超前加固注漿技術采用二重管無收縮雙液注漿。根據設計的位置、角度鉆孔到位后，回抽鉆桿，實施注漿操作。注漿使用的漿液分為A、B、C三種，其中A液與B液混合后屬于溶液型漿液，而A液與C液之間混合后形成的是懸濁型漿液（漿液配合比參照表2）。因漿液會對花崗巖殘積土層產生一定的滲透性，所以應該事先對漿液的配合比進行調節，同時還要對注漿的壓力進行調控，通過人為的方式控制注漿的具體范圍。使用混合漿液的過程中，必然會存在凝結硬化的情況，需要對凝結硬化的時間進行合理調控，調控的目的是為了使巖層孔隙之間能夠完全充滿配制的漿液，使漿液能夠在孔隙中完全凝結，從而改善土體軟弱、易滲透的狀態。

表2 注漿液配合比標準

1.超前加固注漿工藝流程

超前加固注漿工藝流程主要包含兩個關鍵步驟，即鉆孔和注漿。對于鉆孔而言，第一，需要對注漿孔進行布置，注漿孔具體的分布需要嚴格參照設計圖紙，并進行反復校核。第二，需要對鉆機進行定位，鉆頭的點位允許誤差在30mm之內（含30mm），鉆桿垂直度誤差一般控制在2°之內。第三，進行鉆孔，對鉆進的深度和溢水情況進行嚴密監測，當溢水發生時，應該馬上停止鉆孔，然后進行注漿止水，并對溢水的原因進行分析，止水達成后方可繼續進行鉆孔施工。

注漿施工是在鉆孔后將事先制備的漿液進行壓力灌注。注漿時要先灌注AB液，注漿壓力應維持在1.5MPa～2.0MPa之間，注漿需要持續進行10min，當鉆機鉆桿的外壁未見溢水時可停止注漿，然后再向鉆孔中注入AC液，當壓力達到2.0MPa以上時，可以將鉆桿上提25cm左右，之后重復上述步驟直至鉆桿上提至鉆孔并完成注漿為止，再開展下一個鉆孔注漿施工。注漿操作的順序應該從外沿邊界鉆孔向內部鉆孔聚集，對于同圈鉆孔應該有間隔地開展注漿施工。

同時，還需要確定加固圈的注漿加固范圍，一般需要達到開挖線外3m處。在開展注漿之前，需要進行注漿試驗，全面掌握注漿的基本參數要求，如漿液的注漿量、填充率、凝結進程、配合比、滲透半徑以及終壓等指標。在開展施工時，還需要依照實際地質條件和現有機械設備對注漿孔數、鉆孔布設及漿液類型等參數進行調整。在對安全巖盤進行注漿時，應該保證厚度在2.5m以上，若該厚度無法滿足，則需要先開展止漿墻施工，然后才能實施注漿操作。本項目中使用C20混凝土對止漿墻進行建造，其墻體厚度為1.5m。本項目循環注漿的長度達到10m，包含開挖部分8m及止漿巖盤厚度2m。當注漿量逐漸減少，且注漿終壓突然上升時，可結束注漿施工。完成注漿施工之后，還需要設置檢查孔，檢查孔數量應該達到注漿孔總體數量的7%左右，檢查孔出水量必須在0.2L/（m·min）之內，或者是開展壓水試驗，當壓力達到0.75MPa的情況下，應該確保吸水量控制在1L/（m·min）之內，當上述要求達到之后，才能夠開展后續施工作業。

2.漿液性質滿足的要求和標準

注漿所使用的A、B、C三種漿液必須達到一定的標準和要求，具體指標主要包含比重、黏度及pH值。本項目配制漿液時，以20℃作為參照溫度，得出注漿使用的各類漿液必須達到以下標準，具體見表3。

表3 注漿使用各類漿液的性質要求和標準

3.確定使用的注漿量

對注漿量進行估算，可利用如下公式：

Q=Rna（1+β）

其中，Q代表總注漿量；R代表注漿范圍所占體積；n代表孔隙率；a代表注漿填充系數，通常取0.7～0.9；β代表注漿折損系數。na（1+β）一般在設計中代表填充率，本項目所在地區的花崗巖殘積土屬于粉質黏性土，因此注漿填充率應該取30%～45%。

4.確定注漿壓力

注漿壓力的形成通常與注水壓力、砂層間隙、注漿材料黏度和膠凝時間存在密切關系，通常根據當地實際情況選擇適當標準：第一，將地下水的靜水壓力作為標準，在施工中，注漿終壓一般是靜壓的2～4倍，而最大壓力一般是靜壓的3～5倍；第二，可以依照注漿處深度以及對應的壓力系數對注漿壓力進行計算。

四、結語

在地下水滲流發生的情況下，花崗巖殘積土層容易出現崩解和軟化等一系列問題，本項目采用超前支護技術聯合超前加固注漿技術，對花崗巖殘積土層發揮有效的穩定作用，可提升土層自穩能力，使隧道暗挖施工得以安全、保質、保量進行。超前加固注漿技術具有良好的止水效果，且在抗收縮能力、自穩性等方面發揮突出優勢，不容易出現沉降和形變，從而保障隧道施工的進度，為后續施工提供支持。