花岗岩残积土软弱地层在矿山法施工中存在的问题及解决措施分析

贾剑虹

摘要：在城市軌道交通施工中，考虑在线路短，地层较复杂，区间联络通道或受地面空间限制无法采用其他工法时仍采用矿山法施工。在遇到花岗岩残积土地层隧道开挖时，由于该地层具有遇水软化、崩解的特性，在矿山法施工遇到此类地层时，会给施工带来很大安全隐患，严重影响施工进度。工程中常常采取地表旋喷桩加固、洞内袖阀管注浆加固、WSS注浆加固技术或冷冻法对隧道开挖前方土体进行预加固，但是在富水花岗岩残积土地层施工，即使采用先进的注浆设备及配备施工经验丰富的工程队伍，也难以完全防止洞内花岗岩残积土地层遇水软化溜滩而导致基坑周边建（构）筑的沉降。随着城市隧道工程的增多，在既有的公路、铁路、桥梁、建筑物附近进行矿山法隧道开挖施工时，对施工过程中掌子面的稳定提出了更高的要求。本文依托东莞轨道交通2号线陈屋站～寮厦站矿山法隧道施工背景，通过开展注浆模型及注浆材料等方面的研究，采用超前注浆工艺技术及创新注浆配比技术，着重从注浆的机理分析和施工技术两个方面入手，确定注浆方案的各项参数并优化施工技术，确保了施工安全及工程进度，使得项目经济效益最大化，并为将来类似地层中的地下暗挖工程提供有益的借鉴。

Abstract： In the construction of urban rail transit， it is considered that the construction of the mining method is still carried out when the line is short and the stratum is complex， and the interval communication channel or the ground space limitation cannot adopt other construction methods. When encountering tunnel excavation in the granite residual soil layer， due to the characteristics of water softening and disintegration in the stratum， when the stratum is encountered in the construction of the mine method， it will bring great safety hazards to the construction and seriously affect the construction progress. . In the project， the surface jet grouting pile reinforcement， the sleeve valve tube grouting reinforcement in the hole， the WSS grouting reinforcement technology or the freezing method are used to pre-reinforce the soil in front of the tunnel excavation， but in the construction of the water-rich granite residual soil layer， even if Advanced grouting equipment and engineering teams with rich experience in construction are also difficult to completely prevent the settlement of the surrounding structure of the foundation pit due to the softening of the granite floor in the cave. With the increase of urban tunneling projects， the excavation of mining tunnels in the vicinity of existing highways， railways， bridges and buildings puts forward higher requirements for the stability of the face during construction. This paper relies on the construction background of the mining method tunnel of Chenwu Station-Xiaxia Station of Dongguan Rail Transit Line 2， and adopts the research of grouting model and grouting material， adopts advanced grouting technology and innovative grouting matching technology， focusing on Starting from the two aspects of grouting mechanism analysis and construction technology， determine the parameters of the grouting scheme and optimize the construction technology to ensure the construction safety and project progress， maximize the project economic benefits， and make underground for similar strata in the future. The undercut project provides a useful reference.

关键词：深孔预注浆;花岗岩残积土;地下水;沉降

Key words： deep hole pre-grouting;granite residual soil;groundwater;sedimentation

中图分类号：P588.12+1                                 文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）13-0076-05

1  项目概况

以东莞轨道交通R2线2310标【陈屋站～寮厦站区间】土建工程为例，工程地处东莞市厚街鎮，其中陈屋站至寮厦站矿山法区间线路总长2146m，隧道采用双洞单线矿山法施工，线路沿莞太路敷设，周边重要建（构）筑物较多且地质环境复杂，该区段隧道施工工程中受到地下水丰富、花岗岩残积地层遇水软化崩解的问题影响，施工进度异常缓慢，施工安全风险较大。

陈寮区间隧道平面见图1。该区段自正线施工以来，一直受到地下水丰富、花岗岩强风化残积地层遇水软化崩解的问题影响，施工进度异常缓慢，施工地质危害屡屡发生，存在开挖困难、地面沉降大、施工进度缓慢、涌水、涌砂、溜塌等安全风险情况。

隧道洞身围岩如图2所示，主要为全风化、强风化、中风化、微风化花岗闪长岩，该类残疾土层施工开挖易发生掉块、塌方、涌水等现象;其中左线ZDK25+312.804～+810、ZDK25+880～+930;右线YDK25+311～+920隧道同一开挖断面存在上下、左右软硬不均的现场，且在残积土及强风化层中存在球状风化体。本区段范围内无地表水系。地下水主要有第四系孔隙水、基岩裂隙水，裂隙水发育具非均一性。陈屋站～寮厦站区间的地质断面图见图2所示。

2  原设计初支方案及施工过程中存在的问题

隧道原设计的初支衬砌形式主要为锚管、钢筋网、喷射混凝土和钢架为初期支护并辅以小导管注浆。陈屋站～寮厦站区间处于富水花岗岩残积土层，在施工过程中发现该区间的地质条件差，实际涌水量远超初期的勘察设计水文状况，由此引发了地面沉降及周边建（构）筑物等安全隐患。

2.1 涌水量过大的问题

根据现场实际统计，1#竖井往陈屋站方向隧道涌水量非常大，现场抽水量统计每天约为1600m3左右，远远超出了类似花岗岩地层含水量，与投标及施工策划时的预期相差甚远，这也是导致实际工期比策划工期滞后的根本原因。具体分析其原因，主要是在隧道开挖时，由于开挖掌子面呈临空状态，由于水头差的存在，掌子面成为水量汇集后涌水的薄弱面。在水的作用下，掌子面全、强风化花岗岩迅速软化崩解，强度急剧降低造成涌水、涌砂、溜塌险情。

2.2 地面沉降过大问题

根据竖井、横通道及正线小里程方向隧道的施工情况，此段地质非常差，地下水丰富，自稳性较差，开挖隧道揭露地层与勘查基本相符，主要为<6-5>可塑状砂质粘性土、<6-6>硬塑状砂质粘性土、<9-1>全风化花岗闪长岩、<9-2>强风化花岗闪长岩、<9-3>中风化花岗闪长岩;该类地层具有遇水迅速软化、崩解的特性，在含水量不大的情况下，该类地层具有相当的稳定性，但在地层含水较丰富时，其遇水软化崩解的特性明显，强度急剧降低。另外，同一开挖断面存在上下、左右软硬不均的现状，且在残积土及强风化层中存在球状风化体，施工开挖易发生涌水、涌砂、溜塌等现象，开挖效率低，特别是因此出现险情处理险情耽误的时间严重影响施工进度。

2.3 施工进度问题

由于该区间的地下水丰富，地质条件较差，1#竖井小里程方向的涌水量特别大，导致其掌子面核心土不易保留，在施工期间经常发生滑塌等险情，往陈屋站方向施工进度非常慢。1#竖井掌子面开挖后的核心土及支撑图如图3所示。

针对该区间工期严重滞后的情况，根据国内目前的矿山法施工经验，在富水花岗岩残积土地层施工，只有采用深孔注浆方式，在保持目前的开挖支护参数不变的情况下，每天的进尺最多为施工一个循环，即0.6m/天，远远达不到45m/月的原计划进度指标，如遇到地下水特别丰富、地质较差地层等将难以保证0.6m/天进度指标的实现。按照既有的进度和现状情况，1#竖井至陈屋站方向隧道的施工进度难以满足总工期要求。

3  问题分析及解决措施

3.1 确定深孔预注浆理论方案

1#竖井～陈屋站区间位于富水的花岗岩残积土层中，实际施工过程中发现的涌水量远超过勘察设计值，花岗岩残积土遇水易崩解的特性导致施工进度非常缓慢，多次出现险情。采用原有的初支方案无法满足工程需求，因此，对于涌水量过大的地层，地质围岩级别应当根据规范要求降低一个等级采取新的支护措施。经过专家开会研讨，初步确定该地层在原设计支护的基础上，需要采取深孔预注浆超前支护措施。

3.2 提出理论方案并建立实验模型对三种理论方案进行分析

通过对深孔预注浆施工技术的研究，并结合花岗岩残积土层的特殊性质，提出了以下三种有效的深孔预注浆实施方案：

3.2.1 深孔预注浆建议方案一

WSS无收缩化学浆液深孔注浆，注浆范围：下台阶存在<9-2-1>碎块状强风化花岗岩、<9-2>强风化花岗岩、<9-1>全风化花岗岩、<6-6>砂质粘性土地层进行全断面WSS无收缩注浆;上台阶存在<9-2-1>碎块状强风化花岗岩、<9-2>强风化花岗岩、<9-1>全风化花岗岩、<6-6>砂质粘性土地层，而下台阶为<9-3>或<9-4>地层，仅进行上半断面WSS无收缩注浆。经测算，注浆量约37196m3，增加投资约4240万元。

3.2.2 深孔预注浆建议方案二

<9-1>全断面、<9-2>局部半断面采用水泥-水玻璃双液浆深孔注浆，注浆范围：下台阶存在<9-2-1>碎块状强风化花岗岩、<9-2>强风化花岗岩、<9-1>全风化花岗岩、<6-6>砂质粘性土地层进行前进式水泥-水玻璃双液浆深孔注浆;上台阶存在<9-2-1>碎块状强风化花岗岩、<9-2>强风化花岗岩、<9-1>全风化花岗岩、<6-6>砂质粘性土地层，而下台阶为<9-3>或<9-4>地层，仅进行上半断面前进式水泥-水玻璃双液浆深孔注浆。经测算，注浆量约37196m3，增加投资约1548.04万元。

3.2.3 深孔预注浆建议方案三

<9-1>局部全断面、<9-2>上半断面后退式深孔注浆，注浆范围：下台阶存在<9-1>全风化花岗岩、<6-6>砂质粘性土地层进行全断面后退式深孔注浆;上台阶存在<9-2-1>碎块状强风化花岗岩、<9-2>强风化花岗岩、<9-1>全风化花岗岩、<6-6>砂质粘性土地层，而下台阶为<9-2-1>碎块状强风化花岗岩、<9-2>强风化花岗岩、<9-3>或<9-4>地层，仅进行上断面后退式深孔注浆。注浆量约25893m3，增加投资约991.01万元。

3.3 选定理论方案并在试验段应用

通过对上述三种方案的比较可以发现，方案一注浆效果好，可有效解决开挖过程中的溜坍问题，但造价过高，不予采用;方案二注浆效果次之，基本能够解决开挖过程中的溜坍问题，造价适中，但注浆量偏高，需进一步优化;方案三注浆效果难以保证，需承担一定的施工风险，但注浆范围小，可在一定程度上控制涌砂和溜坍的发生，造价较低，不予采用。综上所述，采用方案二作为该工程的加固措施，加固的主要目的是为隧道掌子面开挖施工和拱顶初支稳定性创造条件，保证岩层交界面和裂隙承压水的加固止水效果及拱顶安全，因此需对强、中风化岩层进行止水，对土层及全风化岩进行加固。加固范围建议包括隧道全、半断面开挖轮廓线外3m，注浆段按照注3m间隔10-15m筒形设计，各注浆段加固单元形成“筒箍筒底”节段空间封闭体。

经过对该区间工程地质的勘察分析，确定1#竖井往左线小里程、0#竖井往右线小里程作为注浆加固试验段。本次隧道注浆加固试验段主要有两个目的，一个是进行隧道注浆加固试验段施工，为下步隧道施工提供借鉴，第二个是通过隧道注浆加固试验段确定隧道注浆加固的相关参数。

3.4 通过试验段取得试验参数并对研究目的进行确认

通过设计并完成了试验段的深孔预注浆方案研究工作，取得了以下的成果：

①试验段对本区间隧道在<6-6>砂质粘性土、<9-1>全风化花岗岩、<9-2>强风化花岗岩地层中采用前进式注浆加固可行。通过试验段施工并结合现场实际地质情况，在<9-2>强风化花岗岩地层进行全断面注浆是有必要的。

②试验段所采用的布孔方式可满足设计要求的断面注浆加固范圍（设计在横断面上的注浆加固范围为：上半断面开挖轮廓线外3m，下半断面开挖轮廓线外2m），同时可达到“筒箍式”注浆效果，基本满足开挖要求。

③试验段所确定的相关参数合理有效：配合比为水灰比=1：1，水泥浆液：水玻璃浆液=1：0.7;注浆压力：上半断面在0.5～1.71MPa之间，下半断面在0.5～1.45MPa之间;每循环注浆长度10m，有效开挖长度为7m，留3m作为止浆墙，封堵墙采用15cm厚挂网喷射混凝土。每循环注浆加固时间：上半断面注浆加固时间为4天，下半断面注浆加固时间为3天。

④通过试验段注浆量的统计分析，<9-2>地层上半断面注浆加固注浆总量为176.7m3，平均隧道单延米注浆量为25.24m3;下半断面注浆总量为118.44m3，平均每米注浆量为16.92m3。全断面平均每米注浆量为42.16m3。<9-1>、<6-6>地层上半断面注浆加固注浆总量为194.08m3，平均隧道单延米注浆量为27.73m3;下半断面注浆总量为129.57m3，平均每米注浆量为18.51m3。全断面平均每米注浆量为46.24m3。

⑤监测情况，隧道注浆加固后地面沉降基本趋于稳定。

⑥开挖情况：注浆加固后进行开挖，掌子面土体稳定，下台阶开挖后存在小量的渗水，已不影响开挖，开挖进尺为每天二个半循环，即1.5m/d，折合综合指标为0.75m/d。

4  深孔预注浆方案的实施及应用

施工工艺流程如图4所示。

4.1 止浆墙的设置

由于开挖断面为富水残积土地层，无法抵抗较大的注浆压力，容易造成跑浆现象，为更好地达到施工效果，保证施工安全。因此，在开挖工作面设止浆墙，有效地防止注浆时掌子面后移和漏浆。

4.2 埋设孔口管

固结牢固密实，保证不漏浆、不窜浆的孔口管是决定注浆效果好坏的重要因素，其埋设方法：先用钻机（钻头直径110mm）钻1.5m深，再将？准108孔口管插入，外露10～15cm，管壁与孔口接触处用麻丝填塞，再向孔口管内注水泥浆固结。孔口管起着导向作用，钻孔安装时要控制好外插角度。

4.3 钻孔

钻孔机械采用TXU-150坑道钻机，活动钻杆每节长2m，钻头采用直径42mm合金钻头，钻孔按设计要求准确在止浆墙上用红色油漆点上钻孔位置，误差在5cm以内，测量人员每钻进2m测一次孔斜，如有倾斜，超过设计角度应及时纠正。钻进时跟管钻机直接将钻杆钻至最长设计深度，开始第一段注浆，第一段注浆结束后将注浆管后退进行第二段注浆，直至完成整个注浆段，分段长度一般取50cm。注浆顺序由外侧向内侧注浆，分为一序注浆孔和二序注浆孔。这样可以防止浆液溢到岩层之外;同时由于在钻各注浆孔时涌水被赶压，可知注浆后止水效果的变化。

孔位布置根据注浆范围和隧道开挖形式，注浆孔布设满足注浆加固范围为标准，在花岗岩残积土地层中全断面布设。注浆段每循环长度为10m，其中留3m做下一循环止浆墙;注浆孔采用伞形辐射状，采用长管加短管多层次加以补充注浆，避免出现注浆盲区，以达到要求的加固范围，见图5、6所示。

不同地层中注浆扩散半径不同，在花岗岩残积土地层中，根据多次试验，浆液扩散半径约为R=1m，注浆按照长短结合的方式布置，避免出现注浆盲区。孔底间距按（1～1.5）R控制。

4.4 注浆

①注浆材料的选择。

1）水泥采用超细水泥，其最大粒径小于20μm，平均粒径为5μm。比表面积大于10000cm2/g。

2）水玻璃采用模数为2.6～2.8，出厂浓度为30Be，比重在1.42～1.45的水玻璃溶液。

②浆液配制。

从试验段中，我们得出合适本工程地质条件的，水泥浆最佳凝结时间的浆液配比为：水泥浆/水玻璃=1：0.7。其中水泥浆液的配合比采用1：1;水玻璃的出厂浓度45Be，用水稀释至所需的浓度30Be，浆液配置如图7所示。

③注浆施工。

注浆采用双液注浆系统，通过双液注浆泵对两种浆液的体积比进行控制，并在孔口混合器混合之后，注入预先打好的注浆孔内，并通过岩层裂隙逐步扩散至整个开挖断面。

注浆过程要控制好注浆压力，注浆压力区间控制在（0.5MPa，1.5MPa），同时注意观察注浆压力和泵量之间的关系，当压力小，泵量大时，可以将浆液浓度适当调高，并加大泵量;当压力大，泵量小时，则逐步加大注浆压力至终压1.5MPa，并保持终压1.5MPa大于30分钟，则该注浆孔达到控制标准，停止注浆。同时在注浆过程中，要加强对地面及周围土体的监测，如发现过量隆起，则立即停止注浆施工，并重新在周边打孔，再次开始注浆施工，达到终压30分钟保压施工为止。

④注浆量的确定。

1）根据注浆量计算公式进行理论计算：

Q=πR2lnαβ

式中：R—浆液扩散半径，取1m;L—注浆段长度，平均取6m;n—地层孔隙率，花岗岩残积土层取0.3;α—孔隙填充系数，取0.8;Β—浆液损耗系数，取1.1。

经过计算，花岗岩残积土地层注浆量为Q=4.97m3。

2）根据现场施工经验，每循环注浆段注浆量为109.8m3。

⑤检察注浆效果。

所有的注浆孔注完后，需打孔检查注漿效果。对于注浆扩散范围小于设计要求，土体无侧限抗压强度及渗透系数没达到要求的需要加孔补灌，直到满足要求为止。掌子面注浆效果检查现场图如图8所示。

通过施工工艺控制，并循环以上施工流程，取得了以下成果：原方案采用常规WSS注浆方法施工，总预算费用为21956000元，在成功使用深孔预注浆技术后，施工成本大大节省，完成富水花岗岩残积土地层注浆施工所需成本累计为18028000元，比原方法共节省成本21956000-18028000=3928000元，经济效果明显。同时高质优效地完成了在富水花岗岩残积土地层矿山法隧道开挖施工，解决了该地层遇水软化崩解，强度急剧降低，开挖过程中极易发生涌水、涌砂、溜塌，开挖效率低等困难。也消除了由于隧道长期大量失水，造成隧道上方的较大的路面沉降及周边建构筑物的不同程度开裂的安全风险。提高了施工效率，加快了施工进度，隧道贯通时间比预计原方案时间提前了3个月，保证了东莞轨道交通R2号线的顺利通车，得到了东莞轨道交通有限公司和地方相关政府部门的充分肯定，取得了良好社会效益。

5  本文小结

本文依托东莞轨道交通2号线陈屋站～寮厦站矿山法隧道施工背景，先是对花岗岩残积土软弱地层施工中存在的风险进行了分析鉴别，并将施工中存在的核心问题逐一指出。接着我们进一步提出解决方案和措施，并对方案进行分析论证，确定出最优方案。同时通过试验段对花岗岩残积土地区隧道暗挖施工的深孔预注浆加固工艺进行了试验研究，着重从注浆的机理分析和施工技术两个方面入手，收集试验段数据，确定注浆方案的各项参数并优化施工技术，确保在保证工程安全的前提下达到经济效益最大化。可以为类似地层中的地下暗挖工程提供有益的借鉴。

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