明挖隧道涌水抢险中二次快速注浆的实践

周阳宗

(中铁十六局集团有限公司，北京 100000)



明挖隧道涌水抢险中二次快速注浆的实践

周阳宗

(中铁十六局集团有限公司，北京 100000)

摘要：明挖隧道围护桩穿越砂层时，在地下水丰富的情况下桩间旋喷难以形成止水帷幕，因此在开挖过程中桩间经常发生涌水现象，如不及时抢险很快就会在围护结构外形成空洞，造成地面塌陷。采用桩间二次注浆止水工艺：一次注浆对砂层空隙进行填充减小流速；二次注浆继续填充砂层空隙，对涌水点进行封堵。此措施有效地防止了隧道外部涌水、涌砂现象的发生，保证了隧道安全，取得了良好的社会效益和经济效益。

关键词：隧道；砂层；涌水；注浆止水

明挖隧道围护桩在穿越流砂层等恶劣地质时，由于地下水位高、地下暗河等原因，旋喷桩在桩间难以形成有效的止水帷幕，在开挖过程中桩间出现多次涌砂、涌水事故，形成危险段，如何在短时间内对涌水部位进行封堵成为解决危险源的关键措施。

1 工程概况

本工程区间明挖段位于惠州大道，惠州火车站附近，南北走向，附近地势较平坦，现主要为交通道路、商铺和居民区。

隧道里程：GDK104+027.522～GDK105+559.500，长1 531.978 m，宽27.4～40.4 m，隧道围护结构采用∅1 200 mm@1 350 mm(局部采用∅1 000 mm@1 200 mm)钻孔灌注桩+桩间旋喷桩止水的形式，围护结构顶设置冠梁。隧道内设置内支撑体系(部分区域采用内支撑+预应力锚索体系)，竖向设3～5道内支撑，第1、2道支撑为1.0 m×1.2 m的混凝土支撑，水平间距约9 m；其余均为∅600 mm、t=16 mm钢管支撑，水平间距约3 m。隧道中间加设1～2排临时立柱，纵向间距约9.0 m。见图1。

隧道发生涌水的区域地质情况为：

(1)素填土①1，主要成分为风化黏性土，砂岩、砖或砼碎块堆填，厚0.50～5.80 m。

(2)粉质黏土①2，硬塑，土质较均匀，黏性一般，含砂粒，具中压缩性。厚1.70～18.40 m。

(3)粉砂③3，浅黄、灰白色，级配差，稍密，饱和。

图1　明挖隧道断面及地质断面示意图

厚1.10～4.60 m，层顶高程-4.49～6.94 m，层底高程-5.59～2.34 m。

(4)细砂③4，稍密，饱和。厚2.50～9.00 m。

(5)中砂③5，级配差，稍密，饱和。厚1.70～10.30 m，层顶高程3.00～13.45 m，层底高程-2.46～11.45 m。

(6)粗砂③6，级配一般，稍密，饱和。厚2.90～8.50 m，层顶高程0.64～8.93 m，层底高程-4.72～4.43 m。

(7)粉质黏土，硬塑，为含砾砂岩风化残积土，遇水易软化，具中压缩性。厚1.30～16.00 m。

(8)下伏基岩为下第三系含砾砂岩，泥质胶结，砂状结构，层状构造，按风化程度可分为全风化含砾砂岩、强风化含砾砂岩和弱风化含砾砂岩3个亚层。

地下水位埋深2～3 m，受季节影响较大。冲积中粗砂层具有强透水性，发生涌水的土体物理参数见表1。

表1 岩土物理力学指标

2 工程难点

由于砂层厚度大，且地下水非常丰富，砂层处于饱和状态，旋喷桩难以形成有效的止水帷幕，因此，在隧道开挖过程中，出现了非常大的涌水现象，最大流速达0.3～0.4 m/s，流量最大时达0.2 m3/s，见图2、图3。涌水同时带出大量土体颗粒，不迅速止水的话，在桩体背后迅速形成空洞，造成路面塌陷，造成市政管线变形或断裂，后果相当严重。因此，本工程最大难点在于开挖发生涌水时，启动应急预案，迅速止水，同时补充流失的土体颗粒。由于水流非常快，且水压较高，如何止水是关键问题。

图2明挖隧道桩间漏水图图3明挖隧道桩间抢险图

3 桩间止水的方法

在城市轨道交通设计中，桩间止水最常用的方法为旋喷桩止水。对于普通地层咬合旋喷桩止水效果明显，但在地质情况为砂层且地下水非常丰富时，旋喷桩往往难以成桩，起不到应有的止水效果。因此，对于地下水丰富且砂层厚度大的明挖隧道，注浆止水成为最有效的补救措施。

4 双液浆二次堵水工作原理

在地下水动力学中，饱和含水砂层被称为饱水砂土，饱和砂土是一种多相介质，由土颗粒和水构成，地下水在其中流动规律相当复杂[1]。本工程渗水点为承压水类型，地下水水力梯度高，地下水在砂层中渗流速度非常快，水泥水玻璃双液浆在喷出注浆管的瞬间就被快速流动的地下水稀释冲刷，如果稀释后的双液浆不能迅速凝固，水泥颗粒随着地下水涌出，起不到止水作用；同时，由于水流涌出速度快，难以一次注浆即完成止水。故堵水提出分成两步：第1步对砂层空隙进行填充，减小砂层的孔隙率及降低砂层的渗透系数；第2步即在地下水流速降低的情况下，继续填充砂层空隙，直到将地下水止住为止。

5 快速止水注浆工艺

5.1 浆液凝固时间调节

堵水原理图见图4。第1次注浆目的是填充砂层空隙，减小渗透系数K。双液浆在A点开始混合，从B点射出，在C点随水流渗出。为了达到浆液在C点正好凝固的效果，t1为浆液从混合点A流入至涌水点C所需要的凝固时间。

图4　注浆止水原理图

第1次注浆的双液浆凝固时间t1确定：

(1)

式中：L1为注浆管长度；L2为出浆口距离渗水点外侧的距离；V1为浆液在注浆管内流动的速度；K0为地下水在水力梯度J作用下的渗透系数。

在注浆一定时间后涌水流速明显减小，土体颗粒空隙被填充，第1次注浆填充后砂层孔隙率与渗透系数的关系：

(2)

式中：e0为注浆前土体孔隙率；e1为注浆后土体孔隙率；k1为注浆后改良土体的渗透系数；k0为注浆前改良土体的渗透系数；x为拟合系数，T.P.Clement[2]等提出x=19/6。

经过第1次填充后，砂层渗透系数变小，因此，对凝固时间进行第2次调节，目的是堵住渗水点。同理，第2次注浆的双液浆凝固时间t2为浆液从A点至C点的凝固时间：

(3)

水泥与水玻璃的主要化学反应为:

Ca(OH)2+NaO·nSiO2+mH2O→Ca·nSiO2·

(4)

水泥本身的凝结和硬化主要是水泥水化析出凝胶性的胶体物质所引起的,在硅酸三钙的水化过程中产生氢氧化钙:

(5)

在混合液中水泥与水玻璃的反应快,水泥本身的水解化学反应要慢得多[3]。因此，为了调配出合适的浆液凝固时间(终凝)，根据上述化学反应原理，结合现场水流速度，将水玻璃(45Be′)与水泥浆液(1∶1)按不同配比进行现场试验，结果如图5所示。

图5　水泥水玻璃双液浆凝固时间曲线图 现场操作根据情况初拟双液浆配比和凝固时间，试注浆后认为合适就用此配比及凝固时间进行注浆，否则进行调整，直至适合为止。

5.2 注浆管布置

隧道涌水部位大部分在地表以下8～15 m，隧道发生涌水时水量大、速度快，涌水同时带走大量土体颗粒，如不及时处理很快就形成塌方。因此，注浆管布置速度要快，为了抢速度，在塌方前将水止住，采取在出水口直接插管的方式布置注浆管，插管深度4～6 m之间，插管结束后立即对管周堆沙袋封闭，并立即开始注浆。

根据二次注浆堵水理论，第1次插管法为应急措施，目的是减小地下水流动速度，同时对砂层空隙进行填充；在第1次注浆堵水的同时在地面上钻孔，将注浆管插入涌水点以下，进行二次注浆堵水。

5.3 注浆压力控制

由于水流急，渗透速度快，第1次注浆压力很小，不超过0.1 MPa；第2次注浆压力随着涌水停止及注浆量的增加不断增大，二次注浆在涌水停止时继续注浆，直到填充空隙完毕，此时注浆压力可达到0.5 MPa。

6 结束语

本段隧道地质条件复杂，围岩差，地下水异常丰富，开挖困难，施工风险大。堵水工艺的成功实施，确保了惠州大道的正常交通运营及市政管线的安全，将隧道开挖对周边环境的影响降到最低，取得了满意的经济效益。

实践证明，对大方量快流速的涌水采用在桩间二次注浆止水的方法是成功的，确保了本工程明挖隧道的顺利贯通。同时为类似工程的施工提供了宝贵的借鉴。

参考文献

[1]吉小明.谭 文.饱和含水砂层地下水渗流对隧道围岩加固效果的影响研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(S2)：3655-3662

[2]Clement T P,Hooker B S,Skeen R S.Macroscopic models for predicting changes in saturated porous media properties caused by microbial growth[J].Ground Water,1996，34(5):934-942

[3]刘玉祥.柳慧鹏.水泥水玻璃双液注浆中的最优参数选择[J].矿冶，2005，14(12)：1-3，22

On the Application of the Quick Two-Times Slip-Casting to the Treatment of Water Gush in an Open-Cut Tunnel

Zhou Yangzong

(16th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Beijing 100000,China)

Abstract:When the retaining piles for the construction of an open-cut tunnel go through a sandy stratum where underground water is abundant, the rotary spraying among the piles can hardly help a water-stopping curtain form,in which case water gush often happens among the piles in the course of excavation. If the problem of water gush were not solved in time,cavities would be formed outside the retaining structure,as a result of which ground would collapse.In such a case,the water-stopping process of twice-slip-casting among the plies is adopted:the first-time slip-casting aims at filling the cavities or cracks among the sandy stratum to slow down the velocity of the water gush and the 2nd-time slip-casting aims at continuing filling the cavities among the sandy stratum so as to block all the water-gushing points.The technical measures mentioned above help effectively prevent water and sand gush outside the tunnel so that the safety of the tunnel is ensured,with good social and economic benefits achieved.

Key words:tunnel;sandy stratum;water gush;slip-cast concrete to stop water

中图分类号：U455.49

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)02-0058-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.016

作者简介：周阳宗(1977—)，男，高级工程师，主要从事工程管理工作

收稿日期：2016-01-29