厦门过海隧道超前帷幕注浆方案优化研究

阳 云， 李广跃

(1. 中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450001； 2. 中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院， 广东 广州 511458)

0 引言

近年来，采用水下交通隧道方式跨越江河湖海逐渐成为发展趋势。鉴于工程地质的特殊性和多样性，穿越软弱不良地质段是海底隧道工程施工成败的关键，也是急需解决的技术难题，而其本质是加固围岩、防水堵水的问题[1]。超前帷幕注浆是加固堵水的最有效方法之一，结合典型工程对注浆技术的研究仍在不断开展。

目前，我国规划并建设了多个重要水下隧道工程，积累了宝贵的技术管理经验，同时也为水下隧道注浆技术提供了发展的机遇和研究平台。文献[2-3]研究了海底隧道突水机制及流固耦合理论，得出注浆圈堵水效果与其厚度相关，且注浆圈厚度与其渗透系数成正比，并系统分析了注浆加固圈厚度对地层沉降的影响关系，据此提出海底隧道不良地质段的地层加固范围；文献[1,4]结合国内外研究案例及成果，对水下隧道建设，尤其是厦门海底隧道的关键技术难题进行了分析和讨论，得出全断面帷幕注浆是海底隧道施工最为现实的辅助工法；文献[5-9]结合不同的工程地质特点，开展试验并确定了不同的注浆工艺和注浆参数，综合看来全断面超前预注浆处理软弱地层效果良好，但注浆过程中要严格控制注浆工艺和注浆参数，注浆工艺以前进式分段注浆为主，可结合后退式注浆；文献[10-12]依托厦门典型水下隧道工程对全断面注浆方案、海水对浆液强度影响、降水注浆结合施工等进行了一定研究，结果表明，海水减缓浆液强度上升并加剧浆液稀释及其不均匀扩散，在砂层富水段可采用地下连续墙或降水井控制地下水，与隧道内采用超前预注浆固结结合后再进行施工；文献[13-15]研究了相关注浆效果评价方法及其应用，现场以分析法为主，主要采用了p-q-t曲线法、涌水量对比法和浆液填充率反算法等。

综上所述，过海隧道穿越的不良地质条件多样，考虑重点不尽相同，从而注浆方案、效果各异，没有形成一套明确的注浆方案优化思路，更无法直接使用以指导现场施工。本文依托厦门地铁3号线本岛至翔安过海隧道工程，针对现场不均匀软弱围岩条件，结合前人的研究成果和施工经验，不仅仅局限于验证原有设计方案的合理性，而是从整体上根据现场实际应用情况，按照“减少钻孔、配套优化”思路，结合多种检验方法，对方案更改过程中一系列关键性措施实施后的应用效果进行综合评价，以达到快速指导施工的目的。

1 工程概况

厦门本岛至翔安过海隧道工程(五缘湾站—会展中心站区间)，线路起自五缘湾站，沿既有钟宅路向东下穿厦门东海域后，接入翔安侧会展中心站，区间起终点里程为右线4 908.708 m、左线4 918.809 m，采用盾构+钻爆法分段施工，如图1所示。其中，斜井陆域暗挖段以Ⅴ级围岩为主，水源丰富，为保证结构施工安全，对斜井段XDK0+236～+400段采用超前帷幕注浆进行加固，长度164 m。

1.1 工程地质

根据工程地质勘查资料，斜井陆域段地层依次为杂填土，填砂，淤泥，残积砂质黏性土，全、强、微风化花岗岩层；海域段位于全、强、微风化花岗岩层。工程注浆区间地质纵剖面图见图2。

图1 厦门过海隧道工程地理位置示意图

图2 工程注浆区间地质纵剖面图

其中，全风化花岗闪长岩特征为： 褐黄色为主，局部灰白色，岩体风化严重，结构基本破坏，除石英外，其余矿物均已风化成黏土矿物，干钻易钻进，岩芯呈黏性土混石英质砾石状。散体状强风化花岗闪长岩特征为： 褐黄色为主，局部灰白色，岩体结构大部分破坏，局部尚可辨认，除石英外，大部分矿物已风化变异，矿物间联结力散失，干钻可钻进，岩芯呈密实砾砂含黏粒状。

1.2 水文地质

陆域厦门岛内侧地下水主要受大气降水的补给，向海域排泄，属于潜水，勘察期间地下水位高程为0.73～3.43 m；上更新统冲洪积砂层松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水及基岩裂隙水具承压性，承压水位埋深7.0 m，高程在-1.30 m左右。

2 注浆方案设计

针对该工程不良地质地段的工程地质和水文地质情况，类比以往施工经验，初步制定“99孔-25m”注浆方案： 1)超前预注浆径向加固范围为工作面及开挖轮廓线外5 m，纵向加固范围为25 m，在13 m处增加1个补孔注浆断面以减少注浆盲区(见图3)； 2)注浆顺序按“由外到内、由上到下、间隔跳孔”的原则进行，以达到分区注浆、控制加固的目的； 3)采取注浆p-q-t曲线分析、注浆前后涌水量对比和反算注浆后地层浆液填充率等方法对注浆效果进行评价。注浆设计参数和注浆材料配比如表1和表2所示。

图3 “99孔-25 m”设计注浆方案示意图(单位： m)

Fig. 3 Sketch of design grouting scheme of "99 holes and 25 m of longitudinal reinforcement range" (unit: m)

表1 注浆设计参数

表2 注浆材料配比

注浆采用前进式分段注浆工艺，相比于一次性注浆和钻杆后退式注浆而言，加大了扫孔工作量，但对于海底隧道特殊高风险地层，需实时掌握前方地层情况，其注浆量更大，加固效果更好，且分段逐步推进，安全系数更高。

3 注浆问题及优化过程

通常情况下，注浆钻孔方案的优化仅限于调整局部施工工艺和注浆参数。本项目中，由于初定注浆设计方案过于保守，在施工过程中效率低下，严重影响了后续工序的开展和相关工程的进度，需要在短时间内完成注浆方案优化，尤其是钻孔数量和加固段长；其中，钻孔数量由布孔方案、加固段长以及现场情况等综合确定。注浆方案在实施过程中根据现场情况动态调整(见表3)，待应用效果稳定后确定最终实施方案。此次超前注浆过程共9个循环，至第5循环得到最佳优化注浆方案，顺利完成工程目标。

表3 不同循环优化方案汇总

4 优化措施及效果分析评价

4.1 优化措施

4.1.1 钻孔数量

注浆方案中的钻孔数量经历2次调整，其根据加固范围和扩散半径计算的理论孔数为72孔，第1循环为更好地填充初始孔隙，提升安全系数，增加至钻孔数量为99孔；之后根据开挖效果，调整回72孔；第4循环开始，为提高施工进度，将加固区范围由圆形优化为隧道轮廓线形状(见图6和图7)，在浆液扩散半径保持不变的情况下，通过终孔交圈计算，进一步减少孔数至56孔。

图4 喷射混凝土止浆墙开裂漏浆

图5 注浆压力稍大致使地面开裂

图6 “72孔-30 m”注浆方案示意图(单位: m)

Fig. 6 Sketch of design grouting scheme of "72 holes and 30 m of longitudinal reinforcement range" (unit: m)

图7 “56孔-25 m”注浆方案示意图(单位: m)

Fig. 7 Sketch of design grouting scheme of "56 holes and 25 m of longitudinal reinforcement range" (unit: m)

4.1.2 钻孔布置

超前注浆的布孔断面大小和加固断面形状在一定程度上决定了工作量和工作效率。将全断面布孔改为半断面布孔，加固断面由圆形改为马蹄形，在保证注浆区域的情况下，不需要调节注浆平台高度，提高钻孔和注浆效率，每循环节省调整注浆平台时间3 d。

4.1.3 加固长度

优化期间尝试加固长度为30 m，增加循环进尺，但加固长度过长使得钻孔过深，钻孔效率降低，塌孔现象增加；最终设计加固长度为25 m，其综合施工(钻孔+注浆+开挖)速度最快。

4.1.4 止浆墙设计

在过海隧道施工中，为防止围岩地下水和注浆浆液泄露，需设计止浆墙，其强度应能够承受注浆压力和地下水压。根据施工情况，原设计喷射混凝土止浆墙厚1.5 m，存在开裂漏浆现象，后改为模筑混凝土，厚2 m，既保证了止浆墙的强度，又没有因为厚度过大而降低钻孔效率。

根据NB/T 51030—2015《煤矿井巷工作面注浆工程施工与验收规范》[16]第6.5.3条，单级平面型混凝土止浆墙厚度计算公式如式(1)所示。原设计计算厚度为2 m，但由于地质条件的不均匀性，现场存在开裂现象，为保证设计质量和安全，提高计算安全系数，更改后计算厚度为3 m。

(1)

式中：B为混凝土止浆墙厚度，m；K为安全系数，一般取1.0～2.0；ω为作用在墙上的荷载，N；b为止浆墙厚度，m；h为巷道高度，m； [σ]为混凝土允许抗压强度，MPa。

由于止浆墙台阶局部存在轻微开裂现象，按照止浆墙厚度更改思路，相应增加了嵌固深度。

4.1.5 注浆工艺补充

采用分段前进式注浆，孔前段注浆质量易保证，但扫孔工作量大，塌孔后质量不易控制，因此，在各孔均使用PVC套管辅助孔底注浆，在富水段采用钢管，且提高注浆浆液中双液浆的比例至50%。

4.1.6 配套机械

施工期间，1台钻机24 h连续作业，2台注浆机24 h连续平行作业，快速扫孔注浆；设立专职人员，制定专项设备保养方案，防止海水腐蚀，保证设备正常运转；在全斜井112 d作业时间内，仅中断50 h。

4.2 注浆效果

4.2.1p-q-t曲线分析

注浆p-q-t曲线区域(见图8)中设计终压即为最终设计注浆压力，由于现场注浆过程中注浆压力p和注浆速度q均存在一定范围的变化，图中曲线实际为变化范围的最小值和最大值，为“区域”边界线。具有分析意义的，是由实测数据得到2条虚线构成的q-t区域及2条实线构成的p-t区域，其发展趋势分别代表了注浆过程中注浆压力p和注浆速度q的发展。图中注浆压力p达到设计终压，且总注浆量达到设计注浆量，才可认为一次注浆作业保质保量完成。

由此来看，开始时注浆压力在1～2 MPa，注浆速度在35～65 L/min；随着施工进行，注浆压力呈曲线上升，逐渐达到设计终压2.5 MPa，克服地层初始应力和抗拉强度，发生劈裂后进行注浆，同时注浆速度亦成曲线,明显下降至15～25 L/min。

图8 实测注浆p-q-t区域图

4.2.2 涌水量对比法

通过对比注浆前后涌水量(见图9)，简单直观地对注浆堵水效果进行评价。由图可知： 注浆堵水效果明显，涌水量降低85%以上；自第5循环注浆方案稳定后，涌水量降低90%以上，说明优化效果明显，既能保证注浆质量，又能提高施工效率。

图9 每循环注浆前后涌水量对比

Fig. 9 Comparison of water inflow per cycle before and after grouting

4.2.3 浆液填充率反算法

通过统计单个循环的注浆量，可根据式(2)反算出浆液填充率，见表4；进一步，可通过浆液填充率大小评定注浆效果。

Q=V·n·α·(1+β)。

(2)

式中：Q为注浆量，m3；V为加固围岩体积，m3；n为地层孔隙率或裂隙度(注浆段岩性不均，存在弱风化岩层，地层实际孔隙率及裂隙度难以把握，且水源充足，故此处取含水率)，%；α为浆液填充率；β为浆液损失率。

表4 各循环浆液填充率

根据计算结果得到浆液填充率均高于80%，满足要求；尤其在含水率较高区域(第3到第6循环)，浆液填充率达到90%左右，有效保证了工程质量及安全。注浆效果如图10所示。

(a)

(b)

4.3 施工效率

通过一系列优化工艺措施，施工效率明显提升。如图11所示，随着注浆方案的不断优化，从第1到第5循环，扫孔效率和注浆效率总体上不断提高，扫孔效率提升至200 m/d以上，注浆效率提高3倍以上；第8、9循环地质情况相对良好，扫孔量和注浆量大大减少。与此同时，综合施工速度不断提高，如图12和13所示。第6循环因为金砖会议，开挖进尺有限，除去第6循环，平均达到1.72 m/d，是原设计方案施工速度的2倍。

图11 优化过程施工效率变化

Fig. 11 Variation of construction efficiency in process of optimization

图12 各循环作业时间和开挖进尺

图13 各循环综合施工速度

5 结论与建议

1)厦门地铁3号线过海隧道注浆项目围岩为全、强风化花岗闪长岩，含水率高且有丰富水源，采用分段前进式超前预注浆进行加固堵水，加固范围为工作面及开挖轮廓线外5 m。

2)针对现场施工存在的问题，在原有“99孔-25 m”注浆方案基础上进行优化，使用模筑混凝土止浆墙，钻孔数量由99孔减至56孔，加固长度设计为25 m，一次性施作注浆平台，使用钢管辅助孔底注浆，配合机械化无间断施工，大大提升了钻孔和注浆效率，扫孔效率提升至200 m/d以上，注浆效率提高3倍以上，综合施工速度平均达到1.72 m/d，是原设计方案施工速度的2倍。

3)应用优化后注浆方案，涌水量降低90%以上，浆液填充率均高于80%，满足要求；尤其在含水率较高区域，浆液填充率达到90%左右。

4)超前帷幕注浆方案的设计关系着工程质量，同时与工程经济也紧紧联系；方案优化应在保证工程质量安全的基础上，节约施工成本。其中，“减少钻孔、配套优化”是一个主要优化方向，但应因地制宜，根据不同地质情况和施工条件，选择相应的优化措施，最终可以进一步通过数据统计分析，量化研究典型地层中各个优化措施的应用效果。

5)过海隧道环境特殊，需要注意设备的日常保养，同时针对海水对注浆材料、注浆效果的影响进行更深入的研究。