重庆火风山隧道浅埋暗挖段注浆加固

2015-04-08张建国

设备管理与维修 2015年12期

张建国

（中铁十八局集团公司，天津 300222）

0 前言

火风山隧道是重庆北部新区重点工程“金童路南段工程”的关键控制性工程，主线双洞1500 m长，为双向四车道设计，城市主干道I级，设计车速50 km/h。隧道北接金童路，从渝都大道（机场路）和内环快速路下方穿过，南端从峨眉大道穿出，直达火车北站北广场。

火风山隧道作为城市暗挖隧道，由于埋藏极浅，暗挖施工将强烈扰动地层，引起地基应力调整和重新分布，由此产生的沉降和坍塌必将危及洞内施工和地表建筑物的安全。保证暗挖施工扰动影响范围内的围岩稳定，有效控制上部地层沉降量，是在有荷载浅埋暗挖段施工的关键。

1 浅埋暗挖法的优点及适用条件

淤泥质地层，具有高压缩性、高灵敏度、强度低等特点，易产生蠕动现象，开挖后自稳能力极差。软弱地层暗挖隧道施工，最核心问题是通过注浆改善土层性质，提高土层的承载力和自稳能力。在施工中，采用劈裂注浆，可以改善土层性质，加固土层，使工程取得良好的效果。

浅埋暗挖隧道注浆加固施工技术，是隧道工程项目以及城市地下工程施工的主要方式之一，适宜不适合明挖施工的含水量较小的地层，尤其对城市地面建筑物密集，交通运输繁忙、地下管线密集且对地面沉陷有着严格要求的施工状况，对于含水量较大的松散地层，采取堵水或是降水等措施后亦可采用。浅埋暗挖施工技术在隧道开挖前作了预先支护，并通过小导管向地层注浆，从而有效改良地层，加固了施工周围的土体，在施工开挖后能及时安装网构钢架，挂钢筋网和施作密贴于周围土体的喷射混凝土支护，从而能有效控制施工周围土体的变形应力释放，在支护以及周围土体的共同变形中，调整相应土体应力重分布，从而达到新的应力平衡状态，最大限度保持周围土体所固有的强度以及利用自身承载能力。施工方法具有5点优势。

1.1 及时支护。由于网构钢筋+钢筋网+喷射混凝土支护施工的及时性，从而能使施工周围的土体不由于开挖暴露过多而导致的强度降低，从而能给周围土体提供支护的抗力，由此改善了周围土体的应力状况。注浆加固地层，从而提高了周围土体的稳定性。

1.2 粘贴性。在喷射混凝土能与周围土体全面密集粘贴，其粘结力一般能达到0.5 MPa，由于喷射混凝土与周围土体粘结紧密。从而提高了施工周围土体的强度，同时也减小了施工周围土体的集中应力。

1.3 柔性。由于喷射混凝土与周边土体粘结较为紧密，并且喷射层次较薄，从而具有一定的柔性特征，从而有益于调节周围土体的变形，有效控制允许周围土体塑性区存在适度的发展，从而能有效发挥周围土体的自身承载能力。

1.4 灵活性。喷射混凝土的施工工艺能及时调整和分次完成，从而具有较大的灵活性特点，对于加固周边土体，提高土体的承载能力有着重要的作用。

1.5 封闭性。喷射的混凝土能及时施工作业，并且建立了全面的支护体系，从而能有效防止地下水的渗透，抑制施工周围土体的潮解和强度损失，从而能有效保证施工周围土体的稳定性。

1.6 适应性结构断面形状。浅埋暗挖法能对断面的结构形状产生较强的适应性，不仅可轻易构成圆形、马蹄形、矩形、多跨联拱等多种形状，并且对不同结构断面能进行灵活的转化和衔接，大范围的淤泥质的软土、粉砂地层；降水存在困难或是经济上不合算地区，不应采用浅埋暗挖法进行施工。浅埋暗挖法的施工具有一定的自稳性，而施工工作面的土体的自立时间，应进行必要的初期支护作业，否则也不应采用浅埋暗挖法。在实际施工中，也应对传统施工工艺进行改进，选择合理的开挖进尺，从而能有效控制土体的变形和稳定，从而能在软土地基中取得较好的施工效果。

2 浅埋暗挖隧道注浆施工技术的实施

2.1 施工方法选择

为有效控制围岩周围松弛以及由于围岩周围松弛引发的地表沉陷，浅埋暗挖的施工方式有台阶法、CD法、CRD法和眼镜法等。在金童路南段火风山隧道的施工过程中，根据地质条件，火风山隧道地层岩性主要为第四系压实填土及强风化泥岩，以压实填土为主，强风化泥岩为极软岩，风化裂隙较发育，强风化带较薄，层间结合差，隧道埋深较浅，处理不当洞顶易发生大规模坍塌，侧壁经常小坍塌，浅埋时易出现地表下沉（陷）或坍至地表，为确保施工安全，施工时应采用对岩体进行劈裂注浆，待软弱围岩达到一定强度后然后再进行开挖，施工时重点控制段。根据火风山隧道断面形成和构成，以及周围环境条件的限制，选择合适的施工方式。城市中的浅埋暗挖施工受到地面的荷载较大，且地中管线密集，开挖过程中应严格控制地面沉降。在通道设计过程中，应采用CD施工法，由于该施工方法工序较多，导致使相应的结构受力较为复杂，实际施工中，结构内力也经过了多次转换，从而具有较大的技术难度，结合施工工期以及工序，参照有限原因分析，采用断面的开挖施工方式，保留核心土，并且增加必要的临时支撑。

2.2 主要施工技术

为防止施工地表沉降过大，应实施相应施工技术措施围绕，主要技术措施：在路面铺垫2 cm厚的钢板，从而能有效缓冲和扩散施工周边的荷载。使用长管棚加超前小导管注浆预支护，施工土层压力通过长管进行承担。严格控制开挖循环进尺，按0.5 m每循环掘进。开挖掌子面适当留取核心土，及时封闭成环。二衬及时跟上，防止地表沉降过大。

为了防止隧道通道顶部喷射混凝土和二次模筑衬砌之间存在空洞的可能性，由此在土层以及初期的支护过程中，应在涂层和初期支护，初期支护以及二衬之间预留注浆管，并实时注浆充填，防止地表下沉，在注浆过程中应主义注浆压力的控制，尽量实现充填而不是劈裂，注浆压力过大将对二衬结构施工不利。

实际施工过程中，应建立严格的监控和量测体系，能根据所反馈的信息对设计进行修正，并采取信息化的施工模式。

2.3 施工重难点

施工火风山隧道土层的上方是杂填土，不同土层泥土成分和分布特点差异性加大，例如土层有可能为河流常年淤积而成，主要成分为饱和状淤黏土；部分土层为强风化泥岩，主要成分是饱和砂性土，最显著的特点是自稳性极差。一般隧道距离地面非常浅，而且在隧道顶部还有大量的电力、电信、路灯等数种管道路线通过，而且几乎不存在迁移的可能。开挖工作主要集中在淤泥质粘土地层中，该土层的特点是高压缩性、高灵敏度、强度低，发生蠕动的可能性较大，开挖过程中自稳性能非常差，很容易造成塌方、地面沉降等施工事故，施工质量很难得到保障。因此，必须采取相应的措施进行加固。在此次施工过程中，选择注浆的方法来解决加固的问题。由于施工土层自稳性极差，普通的注浆方法很难起到保证性的加固效果，因此，本次采用压力注浆的方式，选择了拟采用劈裂注浆方法。下文主要对该注浆方法的一些

2.4 注浆加固施工管理过程

2.4.1 劈裂注浆加固原理。在进行劈裂注浆时，注浆管出口高压作用下喷出的的浆液会在对地层周围形成附加压应力，压迫土体出现裂缝，浆液就会顺着土体强度低的地方向强度高的地方劈裂，浆体冷固后就会对土体的网络或骨架形成强力的支撑，达到加固的效果。在浆液注入的过程中，浆液会挤开土体中的淤泥质土，使得其向两边分散或者直接挤出土层。另外，在注浆范围内，注浆过程会扰动淤泥质土，该土层的强度就会被大幅度削弱，当注浆过程完成后淤泥质土中的压力就会消失，浆液固结和土体化学固结就能加强土体的强度，防止土体发生变形。但该注浆方法的弊端是土层固结有可能导致土体的沉降和位移。

2.4.2 劈裂注浆过程。从劈裂注浆的原理我们可以看到，劈裂注浆总的是把土体进行压密后再劈裂，根据浆液对土体作用的差异，可以把这个过程分为3个步骤。

泡压密阶段。在注浆的初始阶段，浆液中所含有的能量较小，不能立即破开土体形成裂缝，当浆液逐渐聚集在注浆管孔周边时，就会以椭形泡体的形式逐渐挤压土体，土体所承受的压力会越来越大，通过计算可得出压力和流量的曲线图，在曲线的初始部分喷出的浆液较少，所承受的压力增长速度不断加快，说明此时土体还没有出现裂缝，直到曲线中的第1个峰值压力，此时土体被破开，该点所对应的压力称为启裂压力，曲线中该点以前的部分都属于鼓泡压密阶段。

裂流动阶段。当浆液对土体的压力超过启裂压力时，浆液就会在土体的裂缝中流动，劈裂面发生在阻力最小的小主应力面。在浆液的作用下，土体层会沿着已有的软弱破裂面逐渐破裂，浆液就会顺着新形成的裂缝流动。如果土体层面比较均匀，初始劈裂面就会显示为垂直的效果。

动土压力阶段。当土体被挤压到一定程度后，土体的强度就会增强到不能被再碎裂的情况，就很难再形成新的裂缝。此时，注浆压力就会逐步上升，地层中大小主应力方向改变，水平向主应力转化为被动土压力状态，如果想要进一步加宽裂缝或者挤压形成新的裂缝就要就加大注浆的压力，直到出现曲线图中的第2个压力峰值。在该压力处，水平向应力大于垂直向应力，土层会被劈开形成新的裂缝。被动土压力阶段是劈裂注浆加固的关键阶段，在2个压力峰值后会有大量的浆液再次流入缝隙，这就会使得小主应力有所增加，缩小了大小主应力间的差别，进一步加固了土体。

2.4.3 注浆材料的选择。浆材料的种类较多，而且不同种类的注浆材料性能差异较大。在当前，以水泥系和无毒的硅酸盐系浆材比较流行。但施工隧道土层大多是淤泥质黏土，稳定性较差，一般的注浆材料很难起到理想的加固效果。此外，隧道底部注浆对浆液后期的强度要求比较高，在多方面比较后，选择了水泥水玻璃双液注浆作为注浆材料。如果采用水泥浆液、水泥黏土浆液进行注浆，注浆过程中土体受压后会很快固结，不能进行进一步的加固，而且在后面的固结过程中，浆液中多余的水分在黏土中不能拍排除，只有通过黏土中劈开的裂隙中慢慢溢出，溢出的过程很有可能发生跑浆的问题。采用水泥水玻璃材料就可以避免这些问题，水泥水玻璃反应后结石率达到100%，无水排出。

2.4.4 注浆压力的设定。由于隧道顶部距离地面很浅，在进行注浆时，浆液沿水平剪切方向流动会在地表出现冒浆现象。实际注浆过程中，考虑注浆管道的压力损耗、注浆端头浆体堵塞等影响，隧道施工现场调整后一般采用的注浆压力初压为0.5～1 MPa，终压为2 MPa，大于计算的劈裂注浆的极限压力。

2.4.5 注浆效果。在注浆施工过程完成后，对加固土体进行开挖，观察记录了注浆加固的范围。可以看到浆脉分布较为明，注浆孔周围有明显的挤密土体。采取物理力学指标对加固后的土体进行检测后，加固效果非常明显。

3 施工总结

3.1 具有明显的管棚作用。在施工的初期支护前，管棚承担着43%的围岩变形作用力，管棚是通道顺利开挖的关键，长管棚的支护加小导管注浆能加固开挖扰动范围内的岩土体，在管棚的防护下，开挖过程中产生的地中以及地表位移的应力都得到了有效的控制。

3.2 在分步开挖以及全断面开挖两种施工状况中，初期的支护以及模筑衬砌受力在弹性范围内，其产生的支护作用安全可靠，

3.3 施工地中具有软弱土体以及通道埋深超浅，由此在开挖过程中在通道底部并向左右扩展延伸一定的厚度范围内部产生了较大面积的塑性区域，在通道顶部一定的厚度范围产生了受拉屈服区，应在实际的施工中加以注意。根据具体的施工状况采取具体的施工技术。

3.4 地表下沉量较大。左右机动车道中心断面，累计沉降值达到了61 mm和51 mm，并且具有较长的沉降持续时间，最大沉降值超出了基准值一倍多，但在实际沉降过程中，路面均能正常使用，未见明显裂纹出现，说明对于类似工程，可以将地表沉降管理基准值提高到50 mm。

3.5 信息化施工加强了监控以及量测，从而能对地表沉降、洞内拱顶下沉、周边收敛以及土体压力、钢拱架内力进行观测和反馈，使整体的施工建立在科学以及严密的监测指导和监督体系下，从而能及时修改施工设计参数，调整施工方案，建立动态施工模式，保证施工安全以及地中管线的正常运行，实现对地面沉降的控制和路面交通的畅通。