上软下硬地层富水浅埋隧洞初支沉降及注浆止水防控技术

2021-08-03杜学才龚振宇冯志耀王树英

科学技术与工程 2021年19期

杜学才, 龚振宇, 肖钢, 冯志耀, 王树英

(1.云南省滇中引水工程有限公司，昆明 650051；2.中铁五局集团电务城通工程有限责任公司，长沙 410205；3.中南大学土木工程学院，长沙 410075)

随着地下轨道交通、引水隧洞的迅猛发展，新建隧道所遇到的水文地质环境较以往更加复杂，在其施工过程中难免会遇到富水地层。在该类型地层中修建隧道时，将改变原有的水文地质条件，隧道成为地下水的新通道，施工过程中时常发生涌水灾害，轻则影响施工进度，重则会造成严重的水土流失，加大地表沉降，甚至造成隧道坍塌[1-4]。对于上软下硬地层隧道而言，上台阶拱脚往往坐落于全-强风化岩层或土层，当拱脚遇水浸泡时，其承载力会发生极大程度地降低，从而导致初支结构发生整体下沉，进而诱发严重的地表沉降。对于该类型隧道施工而言，堵水是一项重要的安全控制措施，而采用水泥-水玻璃(cement-silicate, C-S)双液浆进行地表注浆是目前应用最广泛的一种隧道堵水措施[5-8]，因此研究上软下硬地层富水浅埋隧洞的地表注浆具有重要的工程意义。

上软下硬地层因其特殊的地质条件，隧道开挖工程中，往往会产生较大的地表沉降[9-11]。赵宗智等[12]以贵阳地铁一号线为工程背景，针对城市地铁上软下硬地层V级围岩超前埋暗挖隧道的工程特点，提出了十字支撑加强三台阶分步开挖法，有效地控制了拱顶和地表沉降；武科等[13]依托深圳地铁7号线下穿深圳北环大道工程，分析了上软下硬地层中隧道开挖引起的地层沉降规律，并论述了超前支护措施对控制地表沉降的作用；刁志刚等[14]对上软下硬地层中大断面隧道施工方法做了深层次的分析，根据实际量测结果对比分析了多种工法的优劣；苏立华[15]针对江门隧道下穿玉龙湖泄洪道段存在的超浅埋、上软下硬地层、大断面等特点，采用水平旋喷桩和管棚注浆加固围岩，有效地控制了地表沉降；甘鹏路[16]以杭州紫之隧道北口浅埋暗挖段和深圳地铁5、7号线重叠段为工程背景，通过现场监测数据定量分析了地下渗流水作用下的地表沉降规律；王晓伟等[17]以南京地铁2号线为工程背景，采用数值方法模拟不同注浆方式的加固效果，结合实际开挖过程，分析不同加固效果下地表沉降的差异，并对控制沉降的手段进行对比分析；杨磊等[18]以青岛地铁区间下穿商业建筑为工程依托，深入分析暗挖段“上软下硬”地层的地质特点，提出了“复合锚杆桩+超前深孔注浆+强化补偿注浆”的联合注浆加固技术，并通过精细化数值模拟与现场监测验证；孔超等[19]通过室内模型试验对上软下硬地层初支拱盖法施工力学特性进行研究，指出隧道整体极限承载力主要由拱脚处围岩承载能力以及隧道下部支护的承载力决定。综上所述，目前针对上软下硬地层隧道的沉降控制研究，主要集中在施工方法和洞内预加固措施，注重掌子面前方拱部地层的预加固/预支护，或者采用洞内帷幕注浆对掌子面进行止水。然而，由于上软下硬地层隧洞(道)上台阶拱脚往往未落在基岩上，如何防治隧洞周围地下水从周边入渗泡软上台阶拱脚是现场关注的问题，关于此类条件下隧洞地表注浆工艺的研究相对较少，其具体止水效果如何，通过地表注浆能否有效减小地表沉降还有待于探究。

为此以滇中引水龙泉隧洞出口段为工程背景，首先分析地下渗流水对隧洞上方地表沉降及拱顶沉降的影响，然后测量不同配比下双液浆的胶凝时间，在得到胶凝时间规律及控制要求的基础上，结合现场具体的注浆设备和工艺进行地表注浆，并分析其止水效果，以及地表注浆止水后的地表沉降、拱顶沉降规律，供今后类似工程参考。

1 工程概况

1.1 地质概况

图1 龙泉隧洞出口段地质剖面图

1.2 隧洞设计施工概况

龙泉隧洞出口段设计流量为80 m3/s，断面型式为马蹄形洞型，净空尺寸：6.68 m×7.22 m，开挖断面如图2所示。龙泉隧洞出口段由大里程向小里程方向开挖，隧洞开挖严格执行“短进尺、强支护”原则，具体开挖方式采用三台阶法开挖，上台阶的高度约为4.1 m，并预留3 m长的核心土，中台阶高度约为2.5 m，下台阶高度约为2.2 m。洞内采用水平旋喷桩+大管棚+超前小导管进行超前预加固，初支采用I20工字钢和C20网喷混凝土，工字钢间距0.5 m，初支厚度0.2 m，二衬混凝土采用C30，二衬厚度为0.6 m。洞外采用水泥-水玻璃双液浆进行地表注浆止水及加固。

图2 隧洞开挖断面示意图

1.3 地表沉降监测方案

为及时了解地表注浆是否能达到预期效果，进一步确定和调整下阶段的注浆参数，使注浆参数更合理、经济，以便更好地指导后续施工，进而确保施工安全，施工过程中的监测量控是一项重要的内容。龙泉隧洞的监测内容主要包括：地表沉降、拱顶沉降、水平收敛及洞内外巡视。龙泉隧洞地表沉降监测点布置如图3所示，拱顶及水平收敛监测点布置如图4所示，洞内监测点包含水平收敛点B、C和拱顶沉降A，洞内监测断面间距为5 m。监测仪器采用TS09全站仪和Dini03电子水准仪，监测频率为1次/d。

2 龙泉隧洞的工程问题

2.1 地下渗流水问题

龙泉隧洞出口段所处地区地下水丰富，如图5所示，作业环境差，严重影响施工进度，可能存在涌水、突泥等潜在危险。出口段的地质条件复杂，隧洞围岩以IV类和V类围岩为主，围岩稳定性差，洞身处于上软下硬地层，其中上台阶拱脚坐落于砾质土上，在初支背后地下水入渗的影响下，拱脚极易被泡软，从而导致拱脚承载力不足，初支结构发生整体下沉，进而引发较大的拱顶沉降和地表沉降。

2.2 洞内外沉降过大

龙泉隧洞前期施工未采取地表注浆止水措施，测点DB3-4和DB3-5均位于该区域内，二者对应的地表沉降时程曲线如图6所示。重点对拱顶上方的地表沉降监测点DB3-5进行分析，从图中可以较为直观地看出在4月17号上台阶开挖前地表就有了一定的先期沉降，该阶段的沉降量为10.88 mm，约占总沉降的9.03%，这是由于地下水不断流失，带走了部分土体，导致了较大沉降；从4月17号上台阶开挖到6月5号中台阶开挖到该位置，该阶段引起的地表沉降量为81.96 mm，约占总沉降量的68.01%，该阶段沉降量大的原因是由于隧洞掌子面范围内的围岩情况为上软下硬地层，上台阶拱脚坐落在土层上，由于地下水丰富，上台阶掌子面不断渗水，导致初支的拱脚处被流水泡软，拱脚承载力不足，从而导致上台阶的初支结构发生了整体沉降，进一步诱发地表产生了较大沉降；从6月5号中台阶开挖到6月23号下台阶开挖到该位置，此阶段引起的地表沉降量为21.5 mm，约占总沉降量的17.84%，该阶段沉降量相比上阶段较小，是因为中台阶的拱脚已经坐落在基岩上，拱脚承载力相对较好；在6月23号下台阶开挖初支结构封闭成环后，地表几乎不再沉降。

图6 未进行地表注浆时的地表沉降时程曲线

地表沉降测点DB3-5所对应洞内监测断面为KM53+480，该断面的拱顶沉降及水平收敛如图7所示。从图中可较为直观地看出，拱顶沉降值要远大大于水平收敛值，从而验证了上述分析，即隧洞的沉降主要是由于上台阶初支结构发生了整体下沉而造成的。从4月27号布置完监测点到6月5号中台阶开挖至此断面，该阶段拱顶沉降量为80.16 mm，约占总沉降量的76.28%，水平收敛值为18.6 mm，约占总变形量的83.79%；从6月5号中台阶开挖到6月23号下台阶开挖到该位置，此阶段拱顶沉降了22.24 mm，约占总沉降的21.16%，水平收敛的变形量为2.6 mm，约占总收敛值的11.71%；6月23号下台阶开挖封闭成环后，拱顶沉降和水平收敛基本保持不变；拱顶沉降的最终值为105.08 mm，水平收敛的最终值为22.2 mm。

图7 未进行地表注浆时的水平收敛及拱顶沉降时程曲线

3 双液浆胶凝试验

针对上述工程问题，采用C-S双液浆进行地表注浆加固、止水，但其工程应用随意性较大，效果参差不齐，其中一个关键是如何控制双液浆的胶凝时间。双液浆胶凝固时间太长，浆液会被流水冲蚀，反之，浆液扩散的范围有限，甚至有可能就发生堵管，上述两种情况下的地表注浆均达不到较好的止水效果。根据龙泉隧洞具体的施工情况，为确定合理的胶凝时间，需进行双液浆的胶凝试验。试验重点分析当两种单液浆体积比为1∶1时，水-水玻璃体积比W∶S和水灰质量比W∶C对胶凝时间的影响，得出双液浆的胶凝时间规律。并根据龙泉隧洞地表注浆的实际施工情况，给出地表注浆的建议值。

3.1 双液浆胶凝试验方案

试验中采用的水玻璃原液模数为3.12，波美度为40°Be′，密度是1.394 g/mL，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其密度为3.07 g/cm3，28 d后的抗折强度为6.5 MPa。根据上述试验目的，首先依次将3 000、2 000、1 000 mL的水与1 000 mL水玻璃原液配制成水玻璃溶液，稀释后的水玻璃溶液其波美度分别为17°Be′、20°Be′、26°Be′；然后依次将700、900、1 000、1 100 mg的水与1 000 mg的水泥配制成水泥浆液；最后采用倒杯法测定各工况下双液浆的凝胶时间[20]，试验过程中水泥浆液和水玻璃溶液的体积均为200 mL，具体如图8所示。本试验采用单因素控制变量法，共设置12种试验工况，如表1所示。

图8 倒杯法试验过程

表1 试验配比工况

3.2 双液浆胶凝试验结果

通过测量上述不同水-水玻璃体积比和水灰质量比下的胶凝时间，得到双液浆胶凝的时间规律如图9所示。可以较为直观地看出，在两种单液浆体积比为1∶1的情况下，当W∶S一定时，在一定范围内，随着W∶C的增大，即单位体积的双液浆中水泥用量越少，双液浆的胶凝时间越长；当W∶C一定时，在一定范围内，随着W∶S的减小，即单位体积的双液浆中水玻璃的量越小，双液浆的胶凝时间越长。

图9 双液浆的胶凝时间规律

由上述胶凝时间规律可知，通过上述浆液配比工况得到的最短胶凝时间为12 s，最长胶凝时间为36 s。根据龙泉隧洞的地质特点、隧洞的埋深以及地下水的流量，基于上述胶凝时间规律，进行多次现场地表注浆试验。以单孔吃浆量、注浆压力的变化以及地表和隧洞掌子面的冒浆情况作为胶凝时间的选择依据，认为胶凝时间控制在25 s左右，能够达到较好的地表注浆止水效果。但该建议值应根据后续施工段的具体情况以及前一步地表注浆的反馈而进行动态调整。

4 工程应用及效果

基于上述C-S双液浆胶凝试验的规律和现场地表注浆试验的反馈，综合考虑龙泉隧洞的地质条件和钻孔深度，并结合现场的具体注浆设备条件。现场采用W∶S=2∶1、W∶C=1∶1、C∶S=1∶1的双液浆。注浆压力控制在0.7～1 MPa，采用分段后退式进行地表注浆，注浆孔的排距和间距均为3 m，具体布孔位置如图10所示。

图10 地表注浆钻孔布置示意图

4.1 注浆止水效果

采用上述注浆参数，注浆后隧洞基本无渗水情况，掌子面稳定性有较为明显的改善。掌子面开挖揭露的围岩中，可以清晰看到砾质土层中裂隙被浆液充填，呈现浆脉状，洞内作业环境有较为明显地改善，如图11所示。

图11 地表注浆后掌子面的围岩

4.2 沉降控制效果

测点DB-4-5和DB-4-9均位于地表注浆范围内，其对应的地表沉降曲线如图12所示。重点对拱顶上方的地表沉降测点DB-4-9进行分析，可以较为直观地看出，从5月22号开始上台阶开挖到6月14号中台阶开挖到该位置，该阶段所引起的地表沉降约为12.18 mm，约占总沉降的47.59%，该阶段的沉降量有显著减小，说明在进行地表注浆止水后，上台阶拱脚的承载力有显著提高，较好地承担了上覆土层压力；从6月14号中台阶开挖到7月5号下台阶开挖到该位置，该阶段的沉降量约为8.3 mm，约占总沉降量的32.43%，该阶段的沉降量变化较小，这是由于中台阶的拱脚坐落在基岩上，地下水对其影响较小；在7月5号下台阶开挖初支封闭成环后，地表几乎不再沉降。

图12 进行地表注浆后的地表沉降时程曲线

地表沉降测点DB4-9所对应洞内监测断面为KM53+465，该断面的拱顶沉降及水平收敛如图13所示。可较为直观地看出，相比于前期未进行地表注浆的区段，拱顶沉降量有较为显著地减小，而水平收敛值基本相等，说明通过地表注浆止水，增加了上台阶拱脚承载力，从而有效地减小了上台阶初支结构的整体下沉。从5月26号布置完监测点到6月14号中台阶开挖至此断面，该阶段拱顶沉降量为18.93 mm，约占总沉降量的77.84%，水平收敛值为13.22 mm，约占总变形量的67.49%；从6月14号中台阶开挖到7月5号下台阶开挖到该位置，此阶段拱顶沉降了3.43 mm，约占总沉降的14.09%，水平收敛的变形量为4.12 mm，约占总收敛值的21.02%；7月5号下台阶开挖封闭成环后，拱顶沉降和水平收敛基本保持不变；拱顶沉降的最终值为24.32 mm，水平收敛的最终值为19.59 mm。