富水圆砾地层联络通道加固选型及应用

张晓锋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)



富水圆砾地层联络通道加固选型及应用

张晓锋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

针对南宁市富水圆砾地层特性，对适应该地层的盾构隧道联络通道加固工法进行比选分析，并对研究结果进行现场实例验证。结果表明，素砼连续墙帷幕加注浆加固工法和人工冻结法在风险控制、环境保护方面有较好的优势，可为类似工程提供一定的借鉴经验。

圆砾地层；联络通道土体加固；素砼连续墙加注浆工法；人工冻结法

0 引言

盾构法联络通道常采用竖井开挖或隧道内暗挖施工，因加固质量缺陷出事故的情况屡见不鲜，如2003年上海地铁四号线联络通道事故造成两条建成隧道和废水泵房损坏，还造成地面其它建筑物破坏，直接损失高达十亿元以上[1]；2005年高雄捷运橘线联络通道在开挖废水泵房时发生涌砂，抢险无效后封闭整个隧道，在联络通道上方采用明挖和冻结法封闭接口，拆除破损管片后安装新管片，最后回填恢复，造成了很大的经济损失和社会影响[2]。

国内对联络通道加固及施工措施研究已经不少，李庆禹等人对武汉地铁联络通道施工的地质风险和施工风险进行了研究，提出了有针对性的预防措施[3]；魏玉省对广州地铁某联络通道坍塌后的抢险加固方案进行了探讨[4]；袁风波对上海地铁盾构机停机脱困加固技术进行了阐述[5]；王晖等人对广州地铁富水砂层中联络通道加固及施工方法进行了针对性分析[6]；杨超、岳丰田对上海软土地层越江隧道联络通道冻结设计优化进行研究，提出适应该地层更佳的设计参数[7]；但对近江富水圆砾地层盾构法联络通道加固及施工研究略有不足，以南宁地铁1号线工程为例，对富水圆砾地层中联络通道加固技术进行分析与实践，希望为类似地层联络通道设计与施工提供一定的技术指导。

1 工程概况

南宁地铁1号线民族大学站～清川站区间位于南宁市西乡塘片区，沿大学西路敷设，采用盾构法施工。

1.1 工程地质及水文情况

盾构隧道穿越地层主要为圆砾层，该地层以砾石为主，少部分卵石，粒径2～20 mm颗粒平均含量为52.2%，粒间充填中、粗砂为主，成分以石英岩、硅质岩为主。地下水主要赋存于圆砾、卵石层中，属松散岩类孔隙水，具承压性，水量丰富，与邕江水力联系密切，地下水流速3～4 m/d。主要地层岩土参数见表1。

表1 主要地层岩土参数

1.2 联络通道设置情况

民族大学—清川区间长约1 950 m，设置3处联络通道，各通道处地质、管线情况见表2。

表2 联络通道情况一览表

2 加固工法比选

结合既有加固技术及工程实际情况，对目前常用加固工法进行比选[8]，以确定既适合本工程环境又保证加固效果的方案，工法适用性及优缺点比选见表3。

表3 联络通道常用加固工法综合比较表

3 加固方案选择

3.1 方案选择的原则

结合联络通道地面环境、地质条件，初步提出加固方案选择原则：①联络通道范围所处圆砾层厚度；②联络通道是否远离水源区；③加固区域内有无控制性管线(如埋深较大刚性管线)；④通道周边有无控制性建构筑物。

3.2 各通道加固方案的选择

结合各联络通道实际情况及选择原则，对加固方案进行如下选择，见表4。

表4 联络通道加固方案选择

4 加固实施情况及效果分析

4.1 素砼连续墙帷幕加注浆加固工法

4.1.1 土体纵向加固长度

结合该工法在广州地铁的成功经验，加固纵向长度主要考虑结构尺寸、地质条件、盾构机选型等因素，且该地层中盾构刀具磨损相对严重，加固区也可兼做换刀位置，故纵向加固长度应不小于盾构主机长度加1环管片宽度[9]。

4.1.2 土体横向加固长度

考虑盾构通过区域可能存在软硬不均及盾构换刀的因素，横向加固长度为盾构隧道外扩1 m，详见图1。

4.1.3 土体加固方案

加固采用0.6 m厚C20素砼地连墙帷幕加地面袖阀管注浆。连续墙深度18～30 m，接口处为锁口管，袖阀管注浆采用直径48 mm(PVC材质)的注浆管，注浆施工需在地下连续墙施做完成半月后进行。

主要检测指标：注浆固结体无侧限抗压强度应大于0.5 MPa，应保证加固体均匀，不出现较大的松散未注浆区域；加固体渗透系数应小于0.01 m/d。

4.1.4 加固效果

(1)加固体检测。经检测连续墙墙身完整，但注浆加固体无法取出完整芯样，未能进行强度试验；对取出芯样进行渗透性检测，渗透系数为1～5 m/d(原土样为60～80 m/d)，渗透性有显著地降低。

(2)联络通道开挖效果。1#联络通道于2015年3月初开始矿山法施工，开挖前经探孔检测无涌水涌砂，掌子面加固土体自稳性好，无渗漏水情况；3#联络通道于2015年8月打水平探孔观测有水流出，随即进行洞内水平全断面注浆，于2015年11月再次打水平探孔观测，无渗漏水，开挖后掌子面稳定，开挖情况良好。

图1 联络通道加固范围平面图

4.1.5 加固效果分析

1#联络通道经地面加固后即可开挖，3#联络通道经洞内补充注浆后才开挖，原因分析如下：

(1)素砼连续墙接头缺陷。①接口处理措施不当。因南宁圆砾地层的特性，锁口管处理措施为首次采用，施工方未掌握该地层条件下锁口管施工操作流程，导致连续墙止水帷幕不能完全封闭。②墙体垂直度超限。因圆砾地层特性及连续墙施工队伍水平问题，素砼连续墙在成槽施工时常发生垂直度超限的情况，且墙体深度越大偏差越明显，导致接缝处不完全封闭。

(2)盾构破除墙体时管片背后空隙过大。受盾构刀具损坏程度、顶推力、掘进速度的影响，破除墙体时切口环会比理论值要大，且可能会形成不规则的破坏，而单纯的盾尾同步注浆系统及管片注浆孔的二次注浆是无法将切口环完全封闭的，进而导致墙体出现薄弱位置。

(3)注浆效果不理想。①地层条件的影响。1#通道处圆砾层薄且埋深浅，素墙帷幕止水效果好，在封闭区域内注浆易达到设计要求；3#通道圆砾层厚，且素墙帷幕的封闭性较差，注浆浆液不能充分在圆砾层固结，导致加固体固结效果差。②注浆参数与地层不适应。南宁市富水圆砾地层中袖阀管注浆尚属首次，施工中采用的注浆参数未能很好的与地层相匹配，出现地面返浆严重、浆液无法填充饱满等问题，虽经多次试验后注浆工艺有一定改善，但仍无法达到预期要求。

4.2 冻结加固工法[10]

4.2.1 冻结加固方案

图2 2#联络通道冻结孔布置剖面图

(1)冻结设计参数。以民～清区间2#通道冻结方案为例，主要冻结设计参数为冻土帷幕设计厚度2.2 m;冻土平均温度≤-10 ℃;交圈时间23～27 d;积极冻结时间48～52 d;最低盐水温度-28～-30 ℃;维护冻结温度≤-28 ℃;单孔盐水流量3～5 m3/h。

(2)冻结管布置。共布设冻结孔76个，其中冻结站侧56个、冻结站对侧20个，现场冻结孔布置形式如图2所示。

4.2.2 冻结加固效果

(1)冻结帷幕厚度。①泄压孔分析。从泄压记录来看，冻结28 d开始涨压，33 d对泄压孔进行泄压时仅有清水流出，关闭泄压孔后压力逐日增加，45 d后延长泄压时间，压力逐渐降低。②测温孔温度分析。对测温孔进行记录分析，以降温最慢的点为依据，测温孔冻结发展速度分析见表5。

表5 测温孔冻结发展速度一览表

通过对泄压孔压力及测温孔温度分析，冻结壁最慢发展速度为37.4 mm/d，以该速度计算冻结40 d的冻土发展半径R=1 496 mm，冻结帷幕最薄弱位置有效厚度为2 210 mm，满足设计要求。

(2)冻土平均温度。根据成冰经验公式估算，冻结40 d的冻土平均温度达-10.3 ℃，已满足设计不小于-10 ℃的要求。

(3)冻结效果分析。根据冻结帷幕厚度、冻土平均温度、测温数据分析，2#联络通道处冻结土体厚度及强度均已达到联络通道开挖条件，已顺利完成积极冻结，该联络通道于2015年11月开挖，现已顺利完工。

5 加固施工对周边环境影响

联络通道地面加固及冻结加固期间，对地面及成型隧道进行了监测，如表6所示，结果表明这2种工法均对周边环境及管片结构无影响。

表6 施工期间周边环境监测情况 mm

6 结论与讨论

以富水圆砾地层联络通道加固方案为研究对象，对不同加固方案及效果进行分析，得出以下结论和讨论。

6.1 结论

(1) 当联络通道所处地层为泥岩，且拱顶或拱底圆砾层厚度较小时，素砼连续墙加注浆加固工法在富水圆砾地层区域是可行的。

(2) 当联络通道所处圆砾地层厚度大、地面控制性管线和建构筑物密集影响地面加固时，可采用洞内人工冻结加固。

6.2 讨论

(1)连续墙接头处理方式应进一步研究。可从增加连续墙厚度、采用工字钢接头处理方式、接头处内外侧采用旋喷桩加强、接头处外侧增加注浆孔进行补强注浆等几个方面考虑，提高连续墙帷幕的止水封闭效果。

(2)盾构通过后对连续墙造成了破坏，切口环形状及大小均无法预判，需进一步研究解决切口环封堵的措施，如管片增加注浆孔等。

(3)人工冻结法在南宁地铁首次使用，目前仍按上海地区规范进行设计和施工，根据冻结效果分析，实际冻结体强度较高，开挖难度较大，冻结设计参数可进行一定的优化，如冻结孔布置间距可加大、积极冻结时间可缩短、冻土平均温度可升高等，建议开展富水圆砾地层的冻结法技术研究，以便指导后续设计和施工。

(4)本文初步提出了圆砾地层中联络通道加固工法选择原则，但仍需经实践检验后进一步修正完善。

[1]黄威然，杨书江.砂与砂砾地层盾构工程技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2013:10.

[2] 陈均融. 高雄捷运潜盾隧道施工专辑[M]. 高雄：高雄捷运局，2008:35.

[3] 李庆禹，李慎奎.影响汉口地区地铁联络通道施工的地质风险探讨[J].隧道建设，2013(10)：841-846.

[4] 魏玉省.联络通道坍塌后地层加固方案探讨[J]. 隧道建设，2011(4)：510-514.

[5] 袁风波.深埋超大直径盾构长期停顿地基加固施工技术[J].隧道建设，2012(6)：882-886.

[6] 王晖,竺维彬,李大勇.富水砂层中联络通道施工工法及其控制措施[J],铁道工程学报,2010(11):82-87.

[7] 杨超,岳丰田.上海长江隧道联络通道冻结优化设计研究[J].隧道建设，2012(6):843-848.

[8] 鲍绥意. 盾构技术理论与实践[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2012:249.

[9] 王天明，戴志仁. 盾构法隧道端头井地层加固方法及其应用研究[J]. 铁道工程学报，2014(8)：90-95.

[10] 杨平，张婷. 城市地下工程人工冻结法理论与实践[M]. 北京：科学出版社，2015：195.

Selection and Application of Soil Reinforcement Method for Connecting Aisle in Water-rich Round-gravel Stratum

Zhang Xiaofeng

(China Railway First Survey & Design Group Co. Ltd，Xi’an 710043，China)

According to the characteristics of Nanning water-rich round gravel stratum, comparison analysis is made of the reinforcement methods appropriate for the formation of the connecting passage of shield tunnel. The results of study showed that the plain concrete continuous wall curtain grouting reinforcement method and artificial freezing method have better advantages in the aspect of risk control and environmental protection, which may provide certain reference for similar projects.

gravel stratum；soil reinforcement of connecting aisle；method of plain concrete continuous wall and grouting；artificial freezing method

2016-06-22 责任编辑:车轩玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.10

张晓锋(1984-)，男，工程师，主要从事地铁隧道设计工作。E-mail: 58231105@qq.com

U455.4

A

2095-0373(2016)02-0050-06

张晓锋.富水圆砾地层联络通道加固选型及应用[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2016,29(2):50-55.