浅埋暗挖地铁隧道特殊黄土地层注浆预加固技术研究

方国清

【摘 要】 以西安地铁2号线某区间隧道为工程背景，对该区间穿越特殊黄土地层预加固的方法进行研究。结合区间隧道采用的浅埋暗挖施工技术，介绍了超前大管棚支护、小导管注浆支护技术，对比现场实际监测数据，分析了注浆预加固技术在西安地区特殊黄土中的应用效果，对西北黄土地区其他城市的地铁建设起到一定的参考和借鉴意义。

【关键词】 浅埋暗挖 黄土地铁隧道 注浆预加固技术 应用

位于西部黄土地区的西安市地铁工程是我国第一条在黄土地区修筑的地铁。西安地铁施工大多采用浅埋暗挖法和盾构法施工，其中浅埋暗挖法是针对埋置深度较浅、松散不稳定的上层和软弱破碎岩层施工而提出来的施工方法。由于城市地铁埋深浅、地面建筑物密集、地下管线密布，施工中为了保护既有建筑物及地下管线不受破坏，且尽量减少地表沉陷，常常需要采取有效的地层预加固措施来保证隧道施工的安全和稳定，其中超前大管棚支护和小导管注浆支护是在浅埋暗挖地铁施工中常用的地层预加固措施，它具有以下优点：（1）在掌子面前方形成了超前支护体系，提高围岩自身的稳定性，使围岩松弛变形得到有效抑制，保障安全施工；（2）预加固效果安全可靠，注浆质量易于控制；（3）通过调整注浆支护的浆液凝固时间，可以缩短开挖工序时间[1]。本文结合西安地铁二号线某区间隧道工程实例，对该区间穿越特殊黄土地层预加固注浆技术进行研究。

1 工程概况

西安市地铁二号线某区间隧道全长1176m，区间里程YCK20 +623～YCK21+799，右线轨面高程413.407～426.747m，北低南高，结构底板埋深约23.0～16.0m，相应隧道上覆土层厚度约15～8m。在YCK21+00～YCK21+500段为分绕段，在YCK21+220设一施工竖井通道（兼联络通道）。全区间隧道均采用浅埋暗挖法施工，施工竖井通道拟采用明挖法施工。

该区间属黄土梁洼区，地面高程432.51～440.28m，全段南高北低，高差7.77m，单面坡，最大纵坡18‰，洞顶覆土7.9～19.7m，水位埋深为12.5～20.5m，饱和软黄土连续分布，跨2条西安地裂缝（f11，f12），下穿南绕城高速立交桥。地层从上到下依次为人工填土、黑垆土、新黄土、古土壤、老黄土、饱和软黄土、粉质粘土，洞身主要穿过古土壤、饱和软黄土及老黄土层。

该区间处于湿陷性黄土地段，根据室内湿陷性试验结果，结合场地地层条件，场地内湿陷性土层分别为1-2层素填土、3-1层新黄土、3-2-1层古土壤及4-1-1层老黄土。其中3-1层新黄土、3-2-1层古土壤为区间主要湿陷土层。区间湿陷土层厚度12.5～17.0m，沿线路呈北薄南厚，场地湿陷等级为Ⅱ级（中等）～Ⅳ级（很严重），全区间主要为Ⅱ级（中等），局部为Ⅲ级（严重），个别Ⅳ级（很严重）。

2 施工方案的提出

由于该区间隧道穿越地裂缝变形带、厚层人工填土带及黄土湿陷性严重地段，对地铁浅埋暗挖法施工产生不利的影响，具体分析如下：

2.1 f11、f12地裂缝变形带（Ⅵ级围岩）

f11、f12地裂缝变形带在同一变形区内，f11、f12地裂缝上（南）盘、下（北）盘因地下水位差异及断距较大等因素存在明显的地层上差异，并且同深度及同层土层表现上（南）盘较下（北）盘松软，力学参数偏小。在地裂缝影响带范围内，因上下盘地层差异引起的隧道围岩差异及轨基不均匀问题，将产生一系列的工程问题。

2.2 厚层人工填土带（Ⅵ级围岩）

区间右线在YCK21+160～YCK21+500段，填土厚度达2.70～10.0m，且主要以杂填土为主，填土距隧道顶0.0～6.0m，特别是在绕城高速高架桥段人工填土最厚，紧临隧道顶，在暗挖施工时，若处理不当易冒顶，同时地层沉降会对高架桥的桩基产生负摩擦力，增加额外载荷。

2.3 地下水位以下地段（湿洞室）（Ⅵ级围岩）

左右线YCK20+623～YCK21+300暗挖施工段（不含上述2个特殊带），隧道顶及上半部分主要为水上湿陷土，隧道下半部及基底为饱和土，隧道开挖时要防止上部黄土因湿陷引起冒顶，又要避免基底土的扰动及侧向大的变形。

2.4 地下水位以上地段（干洞室）（Ⅴ级围岩）

左右线在YCK21+300至YCK21+799（不含2个特殊带）暗挖施工穿越层主要为具湿陷性的3-1新黄土及3-2-1层古土壤，局部为4-1-1层。天然条件下，隧道洞室稳定性较好，这些土层对水敏感，可因周边管网渗漏及施工用水、雨水等渗入，引起自重湿陷，土体软化，强度降低较快，易大块崩塌，围岩可由Ⅴ级变为Ⅵ级，特别是暗挖时初衬前及初衬施工过程对其影响较大。另外，这些土层含多量钙质结核，对暗挖施工开挖土方影响较大。

结合该区间隧道的地质工程勘察报告，为了保证地铁隧道安全顺利地这些不良地质地段（V、Ⅵ级围岩），考虑到施工现场的实际情况，采用超前大管棚支护、小导管注浆支护相结合的超前预加固辅助技术措施。在整个隧道开挖过程中，预加固技术的施工效果直接影响到隧道能否安全通过地裂缝变形带、厚层人工填土带及地下水上水下地带等不良地质地段，而且直接影响到地上绕城高速立交桥、路面、地下管线和地上既有建筑物（群）的安全。

3 施工工艺

3.1 基本原理

超前大管棚支护、小导管注浆支护技术是在掌子面周边按一定倾角将导管打入围岩，借助注浆泵的压力，使浆液通过导管渗透、扩散到岩层空隙或裂隙中，以改善围岩的物理力学性能，这样能在工作面四周形成一定厚度和强度的承载壳，可以截水堵水，而且导管还具有超前锚杆的作用，实现加固岩层，提高掌子面围岩的自稳能力[3]。二者的区别是大管棚所用的钢管直径较大为100mm～600mm，长度亦较长，一般都在20m～40m左右，且其外插角不能过大（一般≤5°），与小导管相比，其刚度更大，对地层的预加固效果也更理想，往往用于处理地铁施工造成的超量不均匀下沉。它们是目前预加固地层使用较多的超前支护技术法，可以单独使用也可以结合使用，广泛应用于支护自稳时间短的软弱破碎带、浅埋软弱围岩、严重偏压隧道和下穿河床、湖底或海底以及高速公路、铁路及各种建筑物地基的隧道，对砂层、砂卵石层、断层破碎带、涌水隧道也有很好的效果[4]。

3.2 设计原则

采用地层预加固注浆技术的目的在于防止开挖时掌子面前方围岩不能自稳而出现较大地面沉降或不均匀沉降，以至不能满足隧道设计施工的要求，影响地下管线、地上建筑物的安全，甚至出现涌水、流沙、围岩坍塌等工程事故。在方案设计时，应充分考虑支护时间、支护类型和支护参数的选择：（1）导管的间距应根据掌子面前方的地质情况和自稳能力确定，通常按每米3～4根布置；（2）导管的外插角（是指导管与隧道开挖轮廓的夹角α）应考虑导管的长度和格栅钢架的间距；（3）考虑一次掘进进尺及前后导管之间的搭接长度，一般不宜小于1.0m。

3.3 施工技术研究

3.3.1 超前大管棚支护

大管棚是保证施工过程中地层的安全稳定、控制施工引起的地表沉降的重要措施。

管棚采用管径108mm，壁厚5mm的钢管，环向间距40cm，外插角2～3°。钢管内灌注1：1水泥水玻璃浆液。

（1）大管棚施工工艺流程：大管棚施作示意见图见图1，大管棚施工工艺流程见图2。

（2）大管棚施工。

①大管棚施工准备——管棚制作：长管棚采用3.5m的管节，由内套管联结，为保证同一断面上的管接头数不超过50%，隔一制作长2.5m钢管作短管，钢管堆放时避免其翘曲。

施做工作室：在洞内施作大管棚，需设0.75m高、4.0m长的加高段来满足钻机操作空间。在长管棚施作断面前4.0m处开始施做。因大管棚施作时间较长，为避免掌子面长时间失稳，采取锚喷砼封闭掌子面。

②测量定位——在工作断面前搭设钻机操作平台，由测量放出开挖轮廓线，在开挖轮廓线以外20cm范围内画出钻孔的位置。

③钻孔——钻机定位：移动钻机至钻孔部位，调整钻机高度，使钻机转轴和钻杆在一条直线上，并用仪器量测这一直线的角度。钻孔：经仪器量测，并在钻杆方向和角度满足设计要求后方可开钻。钻孔开始时选用低档，待钻到一定深度后，退出、接钻杆，继续钻进。钻孔过程中要始终注意钻杆角度的变化，并保证钻机不移位。每钻进5m要用仪器复核钻孔的角度是否正确，以确保钻孔方向偏斜修正每隔5m测定钻孔中和压入钢管时的偏斜，调整钻机高度和转轴角度进行修正。

④下管：下管前要预先按设计对每个钻孔的钢管进行配管和编号，隔一安设2.5m长钢管作短管，以保证同一断面上的管接头数不超过50%。由于地质条件较差，因此下管要及时、快速，以保证在钻孔稳定时将管子送到孔底。前期靠人工送管，当阻力增大，人力无法送进时，借助钻机顶进。每节管间采用内衬套满焊连接。内衬管用同级钢管切割成所用管具内径管焊接，内套管长200mm。每节间连接如图3所示。

⑤孔口封闭：首先用带连接注浆管的钢板与管棚钢管焊接牢固（注浆连接管采用阀接式），见图4，然后再将管棚钢管与钻孔的环形空间用干硬砼料封堵密实，喷射10cm混凝土进行封堵。

⑥注浆：大管棚全部顶进、孔口封闭后，注入水泥水玻璃，保持注浆压力为0.6～1.0Mp，使管棚填充密实。

（3）大管棚施工质量控制及措施：①严格要求按设计图及技术交底施工；②大管棚管节堆放严禁翘曲；③精确定位、调整钻机钻轴，确保钻具钻进角度及方位的精度；④在钻进过程中，经常用罗盘量测钻具的角度变化，发现异常及时调整；⑤下管要及时、准确、快速；⑥保证注浆量能填满管内空间；⑦保证施工钻机的正常运转，配备足够的维修技术人员和零配件。

（4）管棚施工注意事项：①钻孔前钻机安装要牢固。②精确测定导向管的位置和方向。管棚钢管不侵入开挖线以内，相邻的钢管不得相撞和相交。③钻孔中防止钢管在导向管上震动。④钻孔过程中在开孔后2m处、孔深1/2处、终孔处进行三次斜度量测。若误差超限及时改进钻孔工艺进行纠偏。⑤钢管节之间采用内衬套满焊连接，使各管节连成一体，受力后不脱开。

3.3.2 超前小导管注浆支护

小导管超前注浆加固技术是浅埋暗挖法施工中非常重要的手段之一，小导管不仅起到了超前管棚的作用，而且通过注浆工艺提高了围岩的自稳能力，超前小导管注浆工艺流程图见图5。

（1）小导管制作。超前小导管采用热轧钢管，管长2.5～3.0m，注浆管一端做成尖形，在另一端0.5～1.0m处开始钻孔，钻孔沿管壁间隔100～200mm呈梅花形布设，孔位互成90°，孔径6～8mm。

注浆钢管沿开挖轮廓线布置，外插角一般取5°～10°，处理坍体时可适当加大。纵向前后相邻两排小导管搭接的水平投影长度一般不宜小于1m。注浆小导管环向间距应按设计要求或通过试验确定，无试验条件时，视地质条件按0.2～0.4m选用。注浆试验的主要目的是选定注浆压力p、注浆半径r及注浆量。在选定注浆半径r后，可按两圆相交形成厚度等于30cm确定孔距。

（2）注浆工艺流程。注浆工艺流程见图6。

注浆前先挂网喷混凝土封闭掌子面以防漏浆，对于强行打入的钢管应先冲净管内积物，然后再注浆，注浆顺序由下向上，浆液用搅拌桶搅拌。

3.4 效果检验评价

（1）围岩预支护效果。经过对加固土体进行开挖证实，目测注浆加固范围，从掌子面开挖效果看，浆脉分布较为明显，注浆孔周围有明显的挤密土体。超前大管棚、小导管注浆把隧道界面开挖轮廓线四周一定范围内的破碎围岩固结成整体，形成了坚固的支护体，提高了掌子面前方岩体的刚度和强度，大大减小了因隧道开挖导致的围岩松弛、坍塌或地面沉降，从而保证了掌子面前方土体的安全稳定。

（2）地面沉降控制。自2010年7月该区间开工以来，地铁隧道施工已经穿越了地裂缝f11、厚层人工填土带等不良地段，隧道拱顶下沉在采用超前注浆预加固施工措施后，得到了有效控制，根据地表沉降监控量测数据分析得知， 收敛增长较缓，均满足设计要求。无论地表沉降监测点还是地下隧道内沉降监测点最大累计沉降值均远小于预警值（30 mm），随后的监测数据显示此段沉降已稳定。同时经施工过程中观察，地面没有出现因沉降引起的裂纹，充分说明了注浆超前支护对防止围岩恶化，控制隧道变形作用是显著的。

4 结语

（1）超前大管棚支护、小导管注浆可以在隧道开挖轮廓线外形成一个环向的支撑体，有效地阻止了软弱围岩出现坍塌，同时导管又起超前锚杆的作用，改善掌子面联成一个受力整体。

（2）在西安特殊的黄土地质情况下，超前大管棚支护、小导管注浆技术在浅埋暗挖、软弱围岩地铁隧道施工中是一种有效的地层预加固方法，尤其是在穿越地裂缝、黄土厚度大湿陷严重的地质条件下首次尝试，预加固效果良好。

（3）应用实践表明， 超前大管棚支护、小导管注浆加固地层的方法可以提高围岩的自稳能力、截水止水效果明显、明显减小地表下沉和不均匀沉降，对西北黄土地区其他城市的地铁建设起到一定的参考和借鉴意义。

参考文献

[1]晏启祥，何川，姚勇，等.小净距隧道施工小导管注浆效果的数值模拟分析[J].岩土力学， 2004，S2：239-242.

Yan Qixiang， He Chuan，Yao Yong et al.Numerical simulation analysis of little tremie grouting effect while construction of going into portal at small-distance tunnel [J].Rock and Soil Mechanics，2004，S2：239-242.（In Chinese）

[2]西安岩土工程新技术开发公司.西安市地铁二号线会展中心-韦曲南段工程详细勘察阶段岩土勘察报告[R].2008（12）.

[3]陈孙强.小导管注浆在软弱围岩隧道进洞施工中的应用[J].福建建设科技，2000，（3）：18-19.

Chen Sunqiang.Application of small pipe grouting in soft surrounding rock tunnel construction[J]. Fujiang Construction Science & Technology，2000，（3）：18-19.

[4]王铁男；郝哲；杨青潮.超前小导管注浆布置范围对地铁隧道开挖的影响分析[J].现代隧道技术， 2010，Vol.47，No.5.

Wang Tienan，Hao Zhe，Yang Qingchao. Influence of layout of small pipes for advance pre-grouting on metro tunnel excavation[J]. Modern Tunnelling Technology， 2010，Vol.47，No.5.

[5]中铁第一勘察设计院集团有限公司.西安市地铁二号线会展中心（原长延堡）至韦曲南（原韦曲）段施工图设计（第二分册区间隧道）[R]， 2010（6）.

[6]DBJ01-96-2004，地铁暗挖隧道注浆施工技术规程[S].

DBJ01-96-2004，Code of practice for grouting constriction of bored metro tunnels[S].

[7]徐召龙.隧道超前小导管施工工艺及注浆量的计算[J]. 山西建筑， 2007，（2）

Xu Zhaolong.Construction technology of advanced small pipe grouting and calculation of grout amount in tunnel works.Shanxi Architecture，2007，（2）.

[8]裴巧玲，薛鑫.小导管注浆技术在浅埋暗挖法施工中的探索与应用[J].长春工程学院学报（自然科学版），2010，Vol.11，No.1.

Pei Qiaoling；Xue Xin.The exploration and application of technology of pre-grouting with small ducts in urban shallow-cover and close-cut tunnel[J].Journal of Changchun Institute of Technology（Natural Sciences Edition），2010，Vol.11，No.1.