地铁隧道拱顶富水砂层加固技术

万广臣，朱 琦，陈 健

（青岛地铁集团有限公司，山东青岛 266000）

地铁隧道拱顶富水砂层加固技术

万广臣，朱 琦，陈 健

（青岛地铁集团有限公司，山东青岛 266000）

地铁区间隧道建设工程中，富水砂层极易导致涌水涌砂、塌方、地表沉陷等地质灾害，对区间隧道安全开挖造成严重威胁。文章结合水文地质及工程地质情况和砂土层的物理力学性质，采用合理的注浆加固方案和注浆工艺及注浆参数对富水砂土层进行加固，并同时进行地表及洞内监测，开挖结果表明，注浆加固效果良好。

地铁隧道；富水砂层；注浆预加固；监控量测

1 工程概况

青岛地铁 2 号线某区间隧道穿越市内交通繁忙的主干道，区间拱顶范围管线沿主干道方向主要有给水、有线、通讯、热力、污水、雨水及电力管线等。该隧道埋深 15～18 m，采用钻爆法施工，前期该区间采用旋喷桩止水加固措施未达到开挖所需要求，注浆孔钻进过程中发现掌子面前方地下水仍较丰富，钻孔内涌水冒砂现象明显，开挖过程中多次出现股状涌水险情；隧道开挖揭露砂层位于拱顶以下 1.5 ～2 m 砂层较厚，极易发生塌方，且周边危险性管线较多。为保证既有管线、地面交通及施工安全，本文结合水文地质及工程地质情况和砂土层的物理力学性质，采用合理的注浆加固方案和注浆工艺及注浆参数，对富水砂土层进行加固，并同时进行地表及洞内监测。

2 注浆加固设计

2.1 注浆参数设计

注浆设计采用洞内洞外相结合的方式，在原设计地面已施作旋喷桩加固地层的基础上进行洞内半断面补注浆止水并加固地层。

2.1.1 止浆墙设计

为防止浆液从注浆面的裂缝中反渗出来以及为固定注浆管，设置止浆墙。止浆墙内埋设φ89 mm 无缝钢管作为孔口管，孔口管长 1 m，孔口外露 0.2～0.3 m。施作止浆墙范围为掌子面上导开挖轮廓线以内区域，止浆墙采用C25 模筑混凝土，厚度为 50 cm（图1）。

2.1.2 注浆参数设计

（1）注浆终压 1.5～2 MPa，极限压力 2.5 MPa。

图1 止浆墙图（单位：mm）

（2）选用水泥浆和水泥-水玻璃双液浆作为注浆材料，水泥浆使用 42.5 普通硅酸盐水泥，水灰比为 1∶1；水泥-水玻璃双液浆配比（体积比）1∶1，凝胶时间28.30 s。

（3）注浆扩散半径 0.7～1.0 m。

2.1.3 地质孔及注浆孔设计

（1）超前地质孔布设。注浆实施前，根据前期超前地质预报，钻 5～6 个超前水平钻孔以探明地下水水发育情况，超前钻孔起点在预测突水处以前 5～10 m，其终点超过预测突水段 5 m，超前地质钻孔位置如图2 所示。

（2）注浆孔布设。半断面注浆加固范围为开挖轮廓外 4 m，开挖轮廓内 1 m 范围，如图3 所示，注浆孔沿隧道开挖轮廓线内环向布设，每个循环注浆加固长度为 12 m，开挖长度为 9 m，预留 3 m 已注段作为止浆岩盘；注浆孔由工作面向开挖方向辐射状发散，确保浆液充分扩散至地层中；钻孔开孔直径为 89 mm，孔间距不大于 2.5 m。

2.2 注浆工艺及注浆控制

（1）注浆工艺采用分段前进式注浆，每注浆循环采用 4 个步序：①深孔加固拱顶砂层注浆；②加固破碎岩体；③注浆；④补充注浆。若注浆效果未达到设计要求，增加设置小导管补充注浆。

（2）注浆终压控制在 1.5～2.0 MPa，极限压力2.5 MPa。

（3）单孔注浆压力达到设计压力并继续注浆 10 min 以上，方可结束注浆或者当单孔注浆量达到设计注浆量并且注浆量小于 20～30 L/min 时，可结束本孔注浆。

3 注浆效果检测

3.1 现场观察

掌子面开挖后，通过现场观察掌子面注浆情况（图4）和注浆加固块（图5），分析注浆效果。由图4、图5 可以看出，掌子面有大量明显的浆脉，且围岩稳定，未发生坍塌失稳、涌水、涌泥等现象；现场取样过程中，掌子面土体比注浆前的土体坚硬、密实，土样不易破碎。从直观角度判断，注浆效果良好。

3.2 检测孔检测

图2 超前地质钻孔布设（单位：mm）

图3 注浆钻孔布设（单位：mm）

每循环注浆段的注浆孔全部注完后，钻 7 个检测孔对注浆效果进行检测（图6），检测孔检测范围为隧道开挖轮廓外 2 m，具体位置根据现场检验情况进行调整。检测情况如下：

（1）取岩芯观察浆液填充率达到了 80% 以上，岩心室内试验结果强度值大于 0.5 MPa，含水率小于 30%；

图4 开挖时上台阶注浆效果

图5 注浆加固块

（2）对 7 个检测孔滴水情况进行检查，其中 5 个孔滴水很小，滴水量均不大于 1 L/h，表明止水效果良好，对其进行注浆封孔； 2 个检测孔渗水较大，对该区域进行补注浆，并在其附近补充 1 个检测孔。

以上检测说明，通过注浆预加固施工，注浆液渗透土层孔隙，形成凝固体，降低了土体的渗透性，起到了良好的止水帷幕作用，达到了良好的止水效果。

4 监控测量

4.1 洞内监测

洞内监测分为水平位移量测、竖向沉降量测、爆破振速测量 3 个部分。隧道标准断面量测测点布置见图7。该区间每 20 m 设 1 个监测断面，每个监测断面设置 2 个水平收敛（位移）量测点（沿断面顺时针编号 2和 4）、2 个竖向沉降量测点（沿断面顺时针编号 1 和 3）、2 个爆破振速监测点（Z1 和 Z3）；监测断面自小里程向大里程编号 JC01～JC13； JC01-1 表示第 1 个断面的第 1 个点，依次类推。监测项目控制值见表1。

4.1.1 水平收敛测量

水平收敛量测主要是指对隧道壁面两点间水平距离的变形量的量测（图7），水平收敛测量采用全站仪观测的方法进行，内业计算将各期观测的监测点坐标变化量投影至线路法向方向，计算水平位移值。经过对各监测点数据分析，各监测断面水平收敛数据整体稳定，监测曲线光滑平缓，变化量较小，说明各断面均处于安全稳定状态。各监测断面中水平收敛量最大的是 JC03 监测断面，该断面中 JC03-2 测点和JC03-4测点间的水平收敛时程曲线见图8，由图8 可见，最大水平收敛值为 3.2 mm，在允许范围之内，表明注浆过程中围岩较稳定，满足洞内注浆作业安全要求。

4.1.2 沉降测量

图6 注浆检查孔布设（单位：mm）

监测数据表明，各监测点沉降数据整体稳定，监测曲线光滑平缓，变化量较小，说明各点均处于安全稳定状态。各监测断面中监测断面 JC11 沉降较大，其底板监测点 JC11-1 和拱顶监测点 JC11-3 沉降监测时程曲线见图9，由图9 可见，拱顶测点 JC01-3 累计最大沉降为 3.5 mm，在允许范围之内，表明注浆过程中围岩较稳定，满足洞内注浆作业安全要求；由于隧道基底为中等风化花岗岩，底板监测点 JC11-1 累计最大沉降约为 1 mm。

图7 标准断面量测测点布置图

表1 监测项目控制值

图8 水平收敛监测曲线

4.1.3 爆破振速测量

表2 给出了采集到的爆破振速数据，由表2 可知，所有爆破数据值均未超出振速预警上限，最大爆破振动速率出现在监测点 JC12-Z2，最大值为 V= 1.38 cm/s，满足爆破振动速率控制值 V= 2 cm/s（预警值 V= 1.6 cm/s），表明爆破单位控制药量合理。

图9 拱顶下沉量监测时程曲线

表2 爆破振速汇总表 cm/s

4.2 地表监测

根据“监测一段、开挖一段、支护一段、封闭一段”的施工工艺，每一监测段长 15 m、监测断面宽 12 m；监测断面从掌子面开始沿隧道开挖方向间隔3 m等距离布置 6 个监测断面，每个监测断面间隔 3 m 等距离布置 5 个监测点，共计 30 个监测点（图10）。

注浆过程中对每个注浆孔每 10 min 进行 1 次监测。根据监测结果比较，监测断面 4 上各监测点地表变形最大，监测断面 4 上的 5 个监测点 4-1～4-5 地表变形时程曲线如图11 所示。从图11 可知：步序 1 注浆 19 t，该过程地表基本无变形；步序 2 注浆 29.5 t，地表变形（隆起）增加缓慢；步序 3 注浆 15 t，该过程注浆开始后变形（隆起）增长速度不断加快，是地表变形（隆起）发展的主要阶段；步序 4 补充注浆 13 t，注浆结束，地表变形（隆起）达到极值，累计最大变形（隆起）量为22 mm。整个监测区域地表未发生大面积变形（隆起、沉降），路面及建筑物总体安全可控。

图10 地表测点布置图（单位：mm）

5 结论

（1）地铁隧道存在上覆砂层时，极易发生涌水涌砂、塌方等灾害，应对地层进行预加固堵水处理，以降低施工风险；

（2）通过注浆对掌子面前方 12 m 富水砂层注浆堵水加固，确定注浆扩散半径、浆液配比等注浆参数，采用单液、双液混合注浆，既能控制浆液扩散范围，又能保证砂层加固后的强度，实践证明该段砂层及破碎围岩加固效果良好；

（3）通过单孔注浆量和注浆压力对注浆过程双重控制，对控制地表隆起效果较好，为最大限度控制地面沉降，应采用分段前进式注浆；

（4）由外向内由上向下，跳孔间隔注浆，施工效果较好。

［1］ 来弘鹏.地铁区间隧道黄土地层注浆预加固技术研究［J］.中国铁道科学，2014，5（1）.

［2］ 孔恒，王梦恕.城市地铁隧道浅埋暗挖法地层预加固机理及其应用研究［D］.北京：北方交通大学，2003.

［3］ 青岛地铁集团有限公司.青岛地铁2号线监测报告［R］.山东青岛：青岛地铁集团有限公司，2015.

［4］ 孙立功.广州地铁3号线盾构区间同步注浆技术［J］.铁道标准技术，2010（10）.

［5］ 孔恒，王梦恕.浅埋暗挖隧道工作面正面土体超前预加固的力学行为分析［C］.第九届海峡两岸隧道与地下工程学术及技术研讨会论文集，2010.

［6］ TB10012-2007 铁路工程地质勘察规范［S］.北京：中国铁道出版社，2007.

［7］ TB10003-2005 铁路隧道设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

图11 地表隆起变形监测时间历程

责任编辑 朱开明

Reinforcement Technology of Metro Tunnel Vault Water Rich Sand Stratum

Wan Guangchen， Zhu Qi， Chen Jian

In metro tunnel construction engineering，water rich sand stratum is extremely prone to the gushing water and sand， collapse， ground subsidence and other geological disasters， bringing serious threat to tunnel excavation.By taking into consideration of the physical and mechanical properties of the geological，hydrogeological and engineering geological conditions and the sand soil stratum， the paper suggests to use optimal grouting reinforcement schemes and grouting technology for reinforcement while having the surface monitoring and inside monitoring on grouting parameters at the same time on the water rich sand and soil stratum.The excavation results show that the grouting reinforcement effect is satisfactory.

metro tunnel， water rich sand stratum，grouting reinforcement， monitoring and measurement

TU45

万广臣（1982—），男，工程师

2015-12-08