地铁暗挖隧道水平超前深孔注浆预加固方案应用探讨

束方洁 韩曼莉

摘 要：现今在城市地铁暗挖隧道施工中所面临的主要难题之一就是开挖中渗水的治理，渗水不仅危及掌子面开挖安全，同样也威胁到邻近构筑物、管线安全。对有渗水现象的暗挖隧道，保障施工安全和质量的关键就是提前做好地层加固和止水工作。哈尔滨地铁项目某区间暗挖隧道通过采用深孔注浆预加固的方案成功地完成了穿越老旧渗漏管道的施工，充分表明在穿越不良地质地段落时采用深孔注浆预加固方案是行之有效的。文章针对此工程实例，阐述了深孔注浆技术的机理和工作方法。

关键词：地铁暗挖隧道;渗漏水;深孔注浆;预加固

0 前言

随着近年来城市轨道交通建设快速发展，暗挖隧道遇到渗漏水等复杂地质条件的情况也越来越多。而在暗挖隧道施工中渗水治理一直贯穿始终，渗水不仅危及人员、设备安全，还影响邻近构筑物、管线安全。常见地铁事故的发生都和渗水有关，比如开挖中出现涌水、拱顶沉降、周边建筑物开裂、管线断裂等，因此渗水治理对保障暗挖隧道施工安全尤为重要。本文以哈尔滨地铁某区间暗挖隧道施工为背景，分析了某隧道采用深孔注浆预加固成功穿越废弃老旧管线渗水段落，可为类此施工情况提供参考。

1 深孔注浆技术机理

1.1 注浆技术应用

注浆工程应用范围较为广泛，主要包括注浆堵水，回填防沉，竖井下沉控制，房屋沉降控制，基坑截水帷幕，渗漏水治理等。

1.2 注浆扩散机理

注浆施工中浆液在地层中作用方式主要表现包括：渗透扩散、劈裂扩散、裂隙填充及挤压填充。

（1）渗透扩散：注浆浆液在压力的作用下，在不改变土体结构和颗粒排列的前提下，挤走颗粒间游离水、空气，从而填充土体孔隙，使得浆液凝结后起到加固土体和堵水的作用。

（2）劈裂扩散：对于弱透水性地层，当注浆压力超过劈裂临界压力时土体会产生水力劈裂，使土体内出现裂缝，实际注浆量会突然大量增加，浆液呈脉状进行渗透。

（3）裂隙填充：对于在残积层、断层破碎带等地层进行注浆施工时，一般当注浆材料的粒径小于裂隙宽度的1/3～1/5时，均产生裂隙填充。

（4）挤压填充：指当注浆浆液在地层中难以进注入地层空隙时，其只是在注浆压力作用下被浆液挤密。挤压注浆只适用于基础处理，是一种为提高地基承载力而采取的注浆方式，其实际加固止水效果较差。

2 复杂地质条件下深孔注浆方案

2.1 概况

本文以哈尔滨地铁项目某一正线暗挖区间工程项目为例进行探究，该区间位于冲洪积平原地区，隧道埋设深度大约为13 m～15 m，隧道结构整体位于粉质粘土层之中，整体走向沿既有道路下敷设，道路两侧建筑较多，所以该区段地下管线较复杂。隧道区间采用正台阶开挖法，开挖至某一段处掌子面发现明显渗水，渗水部位位于拱顶及掌子面，土层饱水湿润，自稳能力极差，直接威脅开挖安全。该情况与地勘报告明显不符，经排查，此渗水段落上方有一根工厂的废弃排水管道，隧道内渗漏水应为该管线年久失修所致。

2.2 深孔注浆预加固

为保障隧道掌子面开挖施工人员、设备安全，需对此段隧道未开挖前方土层进行水平超前深孔注浆预加固，计划通过外界机械注浆压力将化学浆液压入前方待加固土体内，保证开挖期间拱顶及掌子面不坍塌、不渗水。根据地质特性，注浆方式选用劈裂注浆，注材料选用水泥水玻璃双液浆。穿越旧管线的渗水段落开挖遵循注浆预加固一段，开挖支护一段，再注浆预加固一段，然后再开挖支护一段，以此类推，循环前进的原则进行。

2.2.1 深孔注浆布孔设计

暗挖区间隧道标准断面开挖尺寸为6.2 m*6.51 m，深孔注浆孔位布设于全部开挖面，按照先上后下，先外后内的顺序进行钻孔作业。钻孔采用直径42 mm钻杆成孔，每次循环进尺12 m，每次开挖循环进尺10 m。注浆孔间距为500 mm～1 000 mm，共计27个孔。单个注浆孔的扩散半径达到0.5 m～1.0 m，从而保证注浆后掌子面前方预加固土体能形成一个整体。外圈注浆孔钻孔打设角度向外5°～15°。注浆钻孔布置如下图1所示。

2.2.2 扩散半径

扩散半径指浆液注入凝结后达到设计要求的扩散距离，所以在选取扩散半径时，应当选择大多数条件下可以达到的数值，而不是平均值。注浆扩散半径用R表示。

（1）扩散半径采用Maag公式进行计算：

+r

式中：—地层的渗透系数，单位—cm/s;g—重力加速度，单位—cm/s2;h—注浆压力的高度，单位—cm;r—注浆孔直径，单位—cm;t—注浆时间，单位—s;—浆液粘度与水的黏度的比值;n—地层孔隙率。

（2）扩散半径取值：对于扩散半径，现场施工往往根据施工经验取值并结合实际效果调整，一般对中细砂、粉质粘土取0.5 m～0.8 m，对中粗砂、砂卵石层取0.8 m～1.2 m;对断层破碎带取1.5 m～2.0 m。

2.2.3 终孔间距

采用单排孔设计时，注浆孔间距按照a=1.5R确定;而采用多排孔注浆设计时，注浆孔间距按照确定。

2.2.4 注浆分段长度

当地层越复杂时，注浆分段长度应越短，否则将影响注浆效果。对于砂层、粉质粘土层可采取后退式分段注浆，分段长度宜为0.4 m～0.6 m。

2.2.5 单孔单段注浆量

按地层空隙率、地层空隙填充率、浆液损失率可进行注浆量计算：

Q=πR2Hn（1+）

式中：Q—单孔单段的注浆量，单位—m3;R—扩散半径，单位—m;H—注浆分段长度，单位—m;n—地层孔隙率（裂隙带取2%～5%、断层破碎带取10%～20%、砂层取30%～40%）;—地层空隙或裂隙填充率，取70%～80%;—浆液损失率（裂隙带、断层破碎带取5%～20%、砂层取10%～20%）。

2.2.6 注浆终压

注浆终压应按照下式计算：

P终=P水+2～4

P终—注浆终压，单位—MPa;P水—现场实测静水压力，单位—MPa。另以加固为主要目的的注浆，注浆终压应为2 MPa～4 MPa。

2.2.7 注浆速度

对在粉质粘土中注浆时，注浆速度宜控制在20 L/min～

40 L/min;对在砾土层等空隙较大的地层中注浆时，注浆速度宜控制在40 L/min～60 L/min。

2.2.8 单孔单段注浆结束标准

对单孔单段注浆的结束标准：（1）当采用定量注浆量方式时，以实际注浆量达到设计注浆量，或者当达到设计终压且实际注浆速度小于5 L/min～10 L/min时为准;（2）当采用定量和定压相结合来控制注浆结束时，以前个孔达到设计量的1.2～1.5倍，后个孔达到设计终压且实际注浆速度小于5 L/min～10 L/min时为准。

2.3 注浆效果分析

隧道超前深孔注浆最主要的目的就是为了保证隧道和地层的稳定，确保施工安全，因此隧道相关监测数据以及掌子面是否存在渗水现象最能直接体现注浆效果的好坏。一般隧道监测评价项目采取以地表沉降、隧道拱顶沉降、净空收敛为主的测量方法。

2.3.1 洞内变形分析

深孔注浆加固完成后，在开挖面前方形成具有一定厚度的加固圈，能保证掌子面无明显渗漏水，有利于保障施工作业安全，同时开挖方式仍采用原设计的正台阶开挖方法，上台阶开挖至初支封闭期间，拱顶沉降的累计变化最大值为-20 mm，对控制洞内整体稳定效果明显。

2.3.2 地表沉降分析

地表沉降监测累计变化的最大值为-13 mm，相比拱顶沉降变化较小，隧道上方道路无明显开裂、周边房屋主体无明显裂纹及沉降，说明深孔注浆在地层加固方面发挥了良好作用。

3 结语

目前，地铁暗挖区间隧道注浆方法较多，但其选型合理与否直接影响到施工安全、工期、成本乃至工程质量。尤其城市地铁暗挖隧道可能不光面临着地质变化区段多、渗漏水等不利因素，还要注重控制地表沉降、地下水保护、穿越管线保护等严苛要求，因此对暗挖隧道的安全快速施工提出了更高要求，深孔注浆预加固方法对渗水地层加固效果好、适应性强、止水性能好，具有较好的应用前景。

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