矿山法施工的近海地铁隧道围岩注浆圈参数选择

2018-08-20姚清松任伟强

城市轨道交通研究 2018年8期

姚清松任伟强于正

(1.中交第三航务工程局有限公司交建工程分公司，200940,上海;2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,201804,上海//第一作者,高级工程师)

在我国,矿山法施工的地铁隧道主要采用全包防水设计，采取“以防为主，刚柔结合，多道设防，因地制宜，综合治理”的防水设计原则。在节理裂隙发育和富水围岩中，注浆圈是矿山法地铁隧道的第一道防水措施，其防水效果对隧道的施工质量、安全、运营期隧道渗漏水控制等有显著影响。文献[1-2]以及基于无限含水体中井理论，建立了可考虑注浆圈、初期支护和二次衬砌的隧道渗水量计算模型。文献[3-5]利用隧道渗水量计算模型，分析了注浆圈厚度和渗透系数对海底隧道渗水量和渗流场的影响。文献[6]利用数值分析，研究了半包防水山岭隧道施工和运营过程中的渗水量变化规律，并对比了超前帷幕注浆、全断面注浆和径向注浆的止水效果。文献[7-10]利用流固耦合分析，研究了海底隧道的合理注浆圈厚度。文献[11-12]利用室内模型试验，研究了注浆圈厚度和渗透系数对隧道渗水量和水压力的影响。文献[13]利用室内模型试验和数值分析，研究了山岭隧道初期支护和注浆圈渗透系数对隧道渗水量、渗流影响范围和地下水位下降程度的影响。

根据既有研究成果可知，目前注浆圈参数研究主要是针对山岭和海底公路隧道。对于矿山法地铁隧道,由于其工程和水文地质条件复杂多变，且缺乏初期支护渗水量控制标准，因此较少见到相关研究报道。但矿山法地铁隧道多位于城市区，环境保护要求高，隧道防水要求严格，不能直接套用山岭和海底公路隧道的注浆圈参数。因此，本文结合青岛地铁13号线井冈山路站至嘉年华站区间(以下简称“井嘉区间”)近海矿山法地铁隧道的施工实践，对其初期支护防水要求和合理注浆圈参数进行分析，以便为类似工程的防水设计和施工提供参考。

1 工程概况

青岛地铁13号线井嘉区间隧道位于山东省青岛市黄岛区，部分线路沿黄海海岸线敷设。区间隧道为双洞单线马蹄形隧道，全长3 733.7 m，采用矿山法施工。隧道开挖宽度和高度分别为7.18 m、7.07 m，线间距约12 m，线路中心线与海岸线最小平面距离约17.2 m(线路平面图见图1)。初期支护采用格栅拱架和20 cm喷射混凝土，二次衬砌采用30 cm钢筋混凝土，防水等级为二级，混凝土抗渗等级为P10—P12。

隧道地质纵断面如图2所示。隧道埋深较浅处部分穿越第四系土层。由于隧道开挖前已对拱顶第四系土层进行地表注浆加固，加固后渗透系数k≤1×10-6cm/s，可近似认为不透水。因此，本文主要研究隧道穿越强风化—微风化花岗岩层段(以下简称“岩层段”)的注浆圈参数。穿越岩层段的隧道拱顶埋深17.2～32.8 m，围岩渗透性等级为中等—弱透水，围岩渗透性等参数如表1所示。隧道建设场地内地下水位埋深1～2 m，根据古德曼经验公式，开挖后预测隧道涌水量为31.2 m3/(m·d)；此外，岩层裂隙水氯离子质量分数为0.010～0.019，说明裂隙水与海水连通，隧道开挖后将出现持续性涌水。

图1 青岛地铁13号线井嘉区间隧道平面图

图2 青岛地铁13号线井嘉区间隧道地质纵断面图表1 围岩等级及渗透性参数

围岩名称围岩等级围岩完整性节理裂隙发育程度渗透系数k/(m/d)强风化岩Ⅴ极破碎很发育—发育0.40中风化岩Ⅳ较破碎发育0.20微风化岩Ⅲ较完整—完整较发育—发育0.06

2 注浆圈参数选择

2.1 井嘉区间隧道允许渗水量确定

井嘉区间隧道围岩渗透性较强、预测涌水量较大且裂隙水与海水连通。隧道开挖后将出现持续性大量涌水，严重威胁隧道施工安全，且运营后会造成隧道渗漏水隐患。因此,需采用帷幕注浆、全断面注浆或洞内径向注浆等手段形成注浆圈，通过减小围岩渗透性及渗水量，以满足矿山法地铁隧道防水要求。GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》[14]中要求隧道二次衬砌施工完成后不允许漏水，隧道平均渗水量不超过0.05 L/(m2·d)，并对允许的湿渍数量和面积有明确要求；对初期支护一般要求施工完成后拱顶不滴漏、边墙不淌水，但无定量控制要求。根据上述规范，结合井嘉区间隧道横断面二次衬砌的周长，计算得到井嘉区间隧道二次衬砌单位渗水量允许值为1.03×10-3m3/(m·d)。

文献[2-4]研究表明，当初期支护满足拱顶不滴漏、边墙不淌水的防水要求，且防水板和二次衬砌无质量缺陷时，防水板可视为不透水。二次衬砌混凝土渗透系数仅为(1.3～1.8)×10-9cm/s[15]，其透水性远小于初期支护、注浆圈和围岩的，铺设防水板的二次衬砌表面单位渗水量基本可满足0.05 L/(m2·d)的控制要求。因此，井嘉区间隧道围岩注浆的主要目的是控制初期支护后的隧道渗水量，但目前尚无研究给出初期支护的渗水量定量控制标准。

隧道渗水量控制标准主要由围岩渗透性、水头高度、注浆施工水平和运营期排水要求等因素决定。渝怀铁路圆梁山铁路隧道和歌乐山铁路隧道属于高水压富水区隧道，单位渗水量控制标准分别为5 m3/(m·d)和1 m3/(m·d)；厦门翔安海底隧道穿越海底风化槽，单位渗水量控制标准为2.5 m3/(m·d)；挪威埃林索伊—瓦尔德里伊岛海底隧道、青岛胶州湾海底隧道、日本青函海底铁路隧道主要穿越风化岩层，单位渗水量控制标准分别为0.43 m3/(m·d)、0.4 m3/(m·d)和0.27 m3/(m·d)。由于上述隧道均采用透水二次衬砌，渗水量即为初期支护渗水量，根据上述工程和井嘉区间的工程特点，并结合城市矿山法施工的隧道的环境保护要求，确定青岛地铁13号线近海矿山法地铁井嘉区间隧道的初期支护单位渗水量控制标准为0.3 m3/(m·d)。

2.2 注浆圈厚度与渗透系数

文献[3-4]研究表明，初期支护表面的渗水量随注浆圈渗透性减小和注浆圈厚度增加而减小，但注浆圈厚度超过6～8 m后，继续增大注浆圈厚度对渗水量的影响较小,效益较低。此外，由于井嘉区间隧道采用双洞单线隧道，隧道净空较小,导致注浆管最大长度限制为6 m。因此，需确定注浆圈渗透性和厚度的合理组合，在满足近海矿山法地铁隧道初期支护防水要求的同时，满足施工净空和效益的要求。

当隧道拱顶埋深满足3～5倍洞径后，可将隧道形状按照周长等效为圆形，采用隧道渗水量计算模型确定注浆圈、初期支护和二次衬砌设计参数,以及进行隧道渗水量分析[2]。隧道渗水量计算简化模型如图3所示，假设围岩、注浆圈、初期支护和二次衬砌均为各向同性均质材料，地下水运动服从达西定律，则初期支护和二次衬砌施工完成后的渗水量分别如式(1)和式(2)所示。

图3 隧道渗水量计算简化模型

(1)

(2)

式中:

Q1,Q2——分别为隧道初期支护和二次衬砌的单位渗水量，初期支护允许值[Q1]=0.3 m3/(m·d)，二次衬砌允许值[Q2]=1.03×10-3m3/(m·d)；

H——隧道中心的水头高度,m；

k1,k2,kg,kr——分别为隧道初期支护、二次衬砌、注浆圈、围岩的渗透系数,m/d；

R0,R1,R2,Rg——分别为隧道净空内径、初期支护外径、二次衬砌外径、注浆圈外径,m。

根据周长等效原则,取R0=3.0 m，且存在关系R2=R0+t2，R1=R2+t1，Rg=R1+tg，其中t1、t2、tg分别是初期支护、二次衬砌、注浆圈厚度,m;取t1=0.2 m、t2=0.3 m、注浆圈厚度最大值[tg]=6 m。根据研究，可取初期支护渗透系数k1=5.0×10-4m/d[3,6,9]，二次衬砌渗透系数k2=1.2×10-6m/d[15]。注浆圈渗透系数kg一般与围岩渗透系数和注浆施工水平有关，常采用注浆圈与围岩的渗透系数比α=kg/kr作为衡量注浆效果的标准。我国现有的普通水泥浆裂隙注浆工艺和施工水平可满足α=2%左右的注浆质量要求[7]。

根据式(1)和式(2)，已知单位渗水量控制标准[Qi]时需通过试算确定注浆圈厚度和渗透系数的合理组合(tg,opt，αopt)。根据线路地质纵断面可知，强风化—微风化花岗岩层的埋深变化范围较大，因此,针对强风化—微风化花岗岩层，分别试算隧道中心水头高度H=18～30 m时，不同α条件下的初期支护单位渗水量和注浆圈厚度关系曲线(以下简称“Q1-tg曲线”)。水头高度取值范围为14 m≤H≤30 m，ΔH=2 m，共9级；注浆效果的取值范围为0.5%≤α≤2.0%，Δα=2‰～5‰，共6级。以中风化花岗岩层为例,说明注浆圈厚度和渗透系数的合理组合确定方法。其试算得到的部分Q1-tg曲线如图4所示。

a) H=16 m

b) H=18 m

c) H=20 m

d) H=22 m

e) H=24 m

f) H=26 m

g) H=28 m

h) H=30 m图4 中风化花岗岩层部分不同水头高度时的Q1-tg曲线

由图4可知，中风化花岗岩层中初期支护单位渗水量随α的减小和tg的增大而逐渐减小，当tg≥6～8 m时，继续增大注浆圈厚度对减小初期支护单位渗水量的效果有限，此结果与既有研究结论(见文献[6-8])吻合。根据初期支护防水要求、隧道施工净空和效益要求，需在Q1≤0.3 m3/(m·d)和tg≤6 m围合的范围内确定注浆参数合理组合(tg,opt，αopt)。

为降低施工难度，优先选择α和tg均较大的组合。以H=16 m为例，注浆圈参数合理组合(tg,opt，αopt)=(4.75，2.0%)；当初期支护单位渗水量较大时，逐级减小α直至出现满足要求的tg，以H=26 m为例，注浆圈参数合理组合(tg,opt，αopt)=(6.0，1.2%);以此类推可得各水头高度下的注浆圈厚度和渗透系数的合理组合。强风化和微风化花岗岩层中的计算同理，其中初期支护单位渗水量根据表1取围岩渗透系数代入式(1)试算(限于篇幅不再赘述)。强风化—微风化花岗岩层中的隧道注浆圈厚度和渗透性合理组合如图5所示。

a)强风化花岗岩层

b)中风化花岗岩层

c)微风化花岗岩层图5 强风化—微风化花岗岩层中的隧道注浆圈厚度和渗透性合理组合

由图5可知，当注浆效果α不变时，注浆圈厚度基本随水头高度线性增大；提高注浆效果要求后，注浆圈厚度显著减小；强风化、中风化和微风化花岗岩层中注浆圈合理厚度tg,opt分别为3.75～6.00 m、3.5～6.0 m和0.75～2.75 m，注浆圈渗透系数应分别为岩层的0.5%～1.2%、1%～2%和2%。

根据初期支护防水要求确定井嘉区间隧道注浆圈厚度和渗透系数合理组合后，需验算二次衬砌单位渗水量是否满足隧道防水要求。由于初期支护和二次衬砌之间铺设塑料防水板(可认为无质量缺陷或施工缺陷的防水板不透水)，偏保守估计塑料防水板和二次衬砌整体的渗透系数为k2=5×10-7m/d。将塑料防水板和二次衬砌整体渗透系数以及注浆圈参数合理组合代入式(2)，计算得到强风化—微风化花岗岩层中隧道二次衬砌的单位渗水量如图6所示。由图6可知，采用注浆圈厚度和渗透系数合理组合的隧道二次衬砌单位渗水量随埋深和水头高度增大，最大单位渗水量为Q2=0.99×10-3m3/(m·d)，Q2<[Q2]。因此,采用上述注浆圈、初期支护、塑料防水板和二次衬砌参数可满足矿山法地铁隧道防水标准。

图6 隧道二次衬砌单位渗水量

3 工程应用

根据注浆圈参数合理组合的研究结果，结合隧道施工进度，首先对井冈山路站出站端23 m范围内的隧道进行径向注浆止水。注浆段的拱顶埋深18.5 m，围岩为中风化花岗岩，已完成初期支护，拱底开槽设盲管收集初期支护渗漏水，并沿隧道纵坡排至集水坑。注浆管采用φ25 mm钢管，长5 m，间隔1～1.5 m呈梅花形布置，局部渗水量较大处加密布置，并在距前端注浆口3 m处设止浆塞。

为保证注浆圈渗透性满足要求，采用二次注浆工艺施工：注浆管采用φ25 mm钢管，长5 m,间隔1～1.5 m梅花形布置，采用止浆塞和水泥水玻璃双液浆预封孔。预封孔5～10 min后,首先采用水泥水玻璃双液浆封堵围岩裂隙，双液浆水灰质量比1∶1，双液体积比1∶1，胶凝时间≤1 min，注浆压力保持1 MPa并持续10 min后停止注浆;注浆孔和围岩裂隙初步封堵后，加设孔口管并改注硫铝酸盐水泥浆，水泥单液浆水灰比0.8∶1.0，注浆压力保持1 MPa并持续10 min后停止注浆。

为研究注浆后的初期支护渗水量，在盲管下游端凿设0.30 m(长)×0.40 m(宽)×0.15 m(深)的水位测试坑，如图7所示。注浆完成后7 d，分3次量测水位测试坑中的水位变化量，并用式(3)估算注浆后的初期支护单位渗水量。根据现场测试结果，注浆后初期支护单位渗水量为Q1test=0.29 m3/(m·d)，Q1test<[Q1]。说明注浆后的青岛地铁13号线近海矿山法地铁井嘉区间隧道的初期支护满足防水要求。