运营期地铁隧道底板结构渗漏水治理技术

2022-11-24王承科左建敏

广东土木与建筑 2022年10期

黄素，王承科，左建敏，夏宇，许行，曾涛

（1、长沙市轨道交通集团有限公司长沙 410007；2、中国建筑第五工程局有限公司长沙 410004；3、中建五局土木工程有限公司长沙 410004）

0 前言

随着中国城市轨道交通建设的快速发展，运营过程中出现了各类质量缺陷问题，给运营安全和维保工作带来巨大压力。由于长期受地下水的侵蚀和渗透作用，地铁隧道和车站结构的底板渗漏水问题是地铁工程中常见的病害，在运营期危害大，处理时间短、工序多、沉降控制要求严及组织难度大，对行车及设备运行造成安全隐患。赵振江等人［1］对地铁隧道整体道床病害机理的研究显示，在行车动荷载长期作用下其对轨道和道床的危害大；李治国等人［2］研究了铺轨前工况下的车站底板变形缝渗漏水治理技术，难度之一是堵住高水压渗漏水的同时防止底板隆起，由于运营隧道对轨道精度要求更高，对道床结构的保护要求也更高，因此运营工况下的底板渗漏水处理难度更大，完全治理成功案例少。本文通过探索某城市地铁线路暗挖区间隧道运营工况下底板渗漏水控制性定点注浆渗漏水治理技术及成功应用，为类似营运期暗挖隧道底板结构渗漏水的治理提供借鉴。

1 工程概况

某城市地铁线路暗挖隧道区间工程位于富水地带。隧道长约900 m，埋深较大，最小埋深约17 m，最大埋深约33 m。本区间左线为单线马蹄形隧道，右线结合存车线分别设计为单洞单线、单洞双线及局部单洞三线隧道。隧道采用矿山法施工，结构为复合式衬砌，初期支护形式为C25 厚35 cm 钢拱锚喷混凝土，二次衬砌结构为C35 厚50 cm 的P12 抗渗混凝土，初期与二次衬砌之间全断面设置一道防水板，以衬砌结构自防水为主，双层无纺布+EVA 防水板全包式防水层为辅，施工缝、变形缝等薄弱位置采用中埋+背贴止水带防水加强，为保证安全，初支中隔壁工字钢在底板施工过程时不拆除，浇筑于底板混凝土内［3］。

2 工程地质及水文情况

根据施工过程中的地质揭露，隧道洞身主要处于强风化、中风化及微风化板岩，围岩岩体破碎，节理裂隙发育，局部存在破碎角砾岩和F20 破碎带。地下水为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水两种类型，本场地孔隙水分布于沥青路面及基层、素填土、杂填土、粉质粘土及圆砾土层中，主要赋存于素填土层中，孔隙水含量一般较少；基岩裂隙水在岩石破碎带和构造角砾岩段，岩层的富水性强和透水性好，具强透水性，涌水量较大。本隧道地下水稳定水位埋深为3.36～7.98 m，水位标高为49.6～57.51 m。地下水位变化主要受气候的控制，每年4～9 月为雨季，降雨丰沛，是地下水的补给期，其水位会明显上升，而10 月至次年3 月为地下水的消耗期，地下水位随之下降，年变化幅度4.00～6.00 m，同时在地表水道附近地下水亦会随湘江水位涨落而起伏变化。

3 隧道底板渗漏水成因分析

3.1 隧道底板结构渗漏水位置确定

通过对整个暗挖隧道全面进行调查和统计，经分析约有30 m长区段渗漏水较严重且最具有代表性，此段道床板返水位置集中出现靠近隧道底板结构环向施工缝和变形缝附近，主要表现为道床板表面湿渍和积水、道床板侧面裂缝处渗水、道床板侧边与水沟底面交接处渗水、侧边水沟填充层表面渗水；少部分出现在原初支中隔壁位置的中间水沟填充层，沿纵向随机分布的表面湿渍。隧道道床现场实际渗漏水情况如图1所示。

图1 隧道道床现场实际渗漏水情况Fig.1 Actual Seepage Situation of the Tunnel Bed

参考张学文等人［4-8］对过去大量矿山法隧道渗漏水部位所做的调查研究和分析，结合上述现场的调查结果，可以判断该隧道底板渗漏水的位置主要在变形缝和环向施工缝，少部分位于中间水沟填充层下的底板初支中隔壁处（类似于穿墙管件），渗漏水在道床板与底板间的接触面缝隙内流动，通过最近的道床板薄弱位置渗出。

3.2 隧道底板结构渗漏水原因分析

隧道底板结构产生渗漏水问题必须同时满足3个条件：①地层中存在地下水通过流水通道透过初期支护渗入混凝土结构面；②全包式防水板出现质量缺陷，存在渗流水通道；③隧道混凝土结构存在质量缺陷或渗流水通道。

3.2.1 隧道初期支护渗漏水原因分析

⑴暗挖隧道开挖过程中，多次揭露出局部破碎角砾岩和破碎带，其基岩裂隙发育极破碎且裂隙连通性强，与地层基岩裂隙水连通，常伴流水情况出现，说明基岩中存在较丰富裂隙水，且根据季节性变化。

⑵初期支护施工时，由于施工工期、施工环境、施工机械设备、施工方法及操作人员技术水平影响初支的质量，如喷射不饱满不密实、空隙空洞、裂缝、预留铁管件、接缝位置处理等质量缺陷未及时进行处理或未处理到位，存在渗水通道。

⑶隧道施工时按照规范规定要求，开挖、初期支护、二次衬砌同步推进施工，由于隧道未全部封闭，整个隧道外水压水位未上升，局部存在质量缺陷或流水通道很难被发现并处理。

3.2.2 隧道全包式防水渗漏水原因分析

⑴本暗挖隧道采用全包式防水设计，施作前应保证初期支护层表面没有滴漏现象，根据刘维宁等人［9］对公路隧道防排水技术进展的研究表明全包式防水在很多条件下在技术上并不可行，尤其是隧底部分，因此仰拱初期支护层表面渗漏水难以避免和处理，在仰拱防水板隔水层施工完成后，初期支护喷混层的渗漏水在防水板下汇聚，形成积水层和若干积水囊，仰拱衬砌完成的时间越长，汇集的水越多，使仰拱衬砌与初期支护层间无法密贴，导致底板下脱空或空洞，形成地下水串流通道。

⑵在施工防水层时，防水层一般采用焊接且焊缝多，难免出现漏焊、少焊、焊缝宽度不够及焊接不到位现象；同时基层尖锐物处理不到位或在其它工序时碰触，导致防水层破损、裂开、脱焊等质量缺陷；挂设防水板时预留伸缩量不足在浇注混凝土时被挤破或胀裂等现象，以上原因均会使防水层存在渗流水通道。

3.2.3 隧道混凝土结构渗漏水原因分析

⑴ 混凝土和易性差或施工工序质量控制不到位，混凝土浇注过程中出现振捣不密实、少振、漏振或过振现象，导致出现疏松层和蜂窝，形成各种不规则形状的透水缝隙。

⑵施工缝或变形缝处理不到位，浇注前施工缝未清理干净，内夹杂泥浆、矿渣、浮浆等；止水带或止水钢板位置安装不准确或焊接不密实，且固定不牢靠浇注时出现偏位等问题等。

⑶由于地质不均匀沉降产生混凝土结构缝裂或开裂；混凝土本身收缩产生的贯通性裂缝。

⑷在混凝土结构中预留预埋铁件管件，防水处理不到位，存在渗流水通道。

4 隧道底板渗漏水控制性定点注浆治理技术

4.1 隧道底板渗漏水注浆治理原理

注浆采用黏土水泥浆为主要注浆材料；封孔采用水泥水玻璃双液浆。通过控制性定点注浆治理技术能够有效防止道床板隆起、注浆压力损失和浆液流失，使浆液扩散至设计的范围并且有效地对底板结构下的串流水通道、积水囊及底板结构中的缝隙通道等进行充填、浸渗和封闭，形成强度较高、水稳定性较好的水泥结石体，阻断和减少水流通道，达到止水效果的同时提高基底强度和密实性，降低行车动荷载对轨道道床的不利影响，满足正常使用的要求。

4.2 注浆材料选择及配比与设备

注浆材料选择黏土水泥浆为主要注浆材料，水泥选用早强型硅酸盐水泥（P.O.42.5R），黏土选用粘性和膨胀性较好的膨润土，浆液水灰比为（1～0.8）∶1，黏土掺比10%～15%，其兼具黏土浆和水泥浆的优点：成本低、流动性好、稳定性高、抗渗和抗冲刷力强，在水泥浆中加入黏土后，可显著降低析水现象，提高结石率，水泥石（注浆结石体）的不透水性也相应提高。封孔注浆材料选择以早强型硅酸盐水泥（P.O.42.5R）和40Be 水玻璃为主要制浆材料；因凝结时间短，便于快速封孔，水泥浆采用水灰比（1～0.5）∶1，水泥浆液和水玻璃液体体积比采用1∶（0.15～0.25），注浆时浆液由稀到浓进行配置。主要设备为ZKSY90-125 高压注浆机，MGJ-50钻孔机，2寸的注浆球阀，2寸（中心开孔1寸）的注浆头，精度1.0级量程6 MPa的耐震压力表，SP-Ⅱ型智能浆粉喷灌记录仪，定制特殊止浆塞注浆孔口管。

4.3 注浆压力与流量双控指标的设定

⑴注浆压力确定：注浆主要目的是对底板结构下的空洞、渗流水通道及施工缝缝隙进行置换填充封堵。注浆压力过大，将导致新的结构裂缝产生、现有裂缝的扩张及道床上浮等不利情况；注浆压力过小，由于承压水自身压力的存在，浆液无法灌入，导致注浆无法进行。本区间隧道衬砌设计考虑承受全部静水压力，抗浮设计水位按现状地面下3 m计算，其设计考虑地下水压力为0.27 MPa。根据设计情况，综合考虑一定安全系数，取注浆压力控制值为0.35 MPa，略高于设计地下水压力，既不会对衬砌结构造成损害，又能使浆液能顺利注入到底板结构空腔或渗流水通道内扩散、置换、填充及封堵。

⑵流量控制：能使注浆连续顺利进行，流量控制必不可少。结合本隧道底板工况，流量控制值不超过40 L/min且应缓慢进行，当注浆压力达0.35 MPa，稳压5～10 min，如流量不变，则持续注浆；当流量低于10 L/min或相邻连通孔返浓浆约2～3 min后，应暂停注浆。

4.4 道床及钢轨监控量测

⑴监测点布置及监测要求：以注浆区域中心往前后各25 m 范围内布设，在钢轨基座上按5 m 间距布置，共布设44个测点。监测点应在固定可靠无异物处布设，并做好明显标识。未注浆时监测频率为10 min/次；注浆过程中，注浆孔附近监测点为连续不间断监测。监测点布置及编号如图2所示。

图2 监测点布设示意图Fig.2 Schematic Diagram of Monitoring Point Layout

⑵监测总体控制标准：为防止注浆过程中可能造成道床和底板上浮，需对道床和轨道进行高程实时监测，根据采集现场轨道精调后的数值和设计要求确定控制值，本隧道注浆变化速率控制值为0.8 mm/次，累计沉降控制值为3 mm，采用两台高精度水准仪对注浆影响区域进行对角交叉测量，水准仪及后视点选在视野良好且远离注浆影响区域的位置，监测数据当次达到0.8 mm 或累计沉降达到2.1 mm 时预警，则立即暂停注浆并泄压，分析原因制定对策后再进行下一步工作。

4.5 隧道底板结构渗漏水注浆工艺

4.5.1 渗漏水注浆工艺流程（见图3）

图3 渗漏水注浆工艺流程Fig.3 Flow Chart of Grouting Process for Seepage Water

4.5.2 孔位布置

选择该区段做为试验段，其横向布置3孔，间距为4 m，2孔位于底板中心部位，1、3孔位于两边排水沟的侧边；纵向中心位置布设10孔，两侧对应布置2孔，纵向间距为3 m，如图4⒜按4个孔1、2、3、5顺序为一组。应注意孔位布置在轨道轨枕外，且未有通讯、设备位置，如有冲突点位可适当调整。

图4 注浆孔位置布置示意图Fig.4 Schematic Diagram of Grouting Hole Location Layout

4.5.3 注浆孔口管安装

注浆孔采用水磨钻钻孔，孔径φ50，深度以刚好钻穿透防水板进入初支层3～5 cm时为宜，成孔后先释放水压一段时间，待水头稳定后进行清孔，再安装注浆管。特制的注浆管孔口管由带倒锯齿状φ42～48变径止浆管（长度40 cm，内置φ25 注浆孔）、φ25 无缝钢管及球阀、四通等配件组成。止浆管与隧道底板（仰拱结构段）通过缠绕亚麻固定，上部无缝钢管通过丝扣连接，孔口管实物图如图5所示，注浆管示意图如图6所示。注浆管安装时，其孔口管仅须固定在仰拱结构段，防止浆液倒流至道床与仰拱之间缝隙，避免道床上浮。安装完成后关闭球阀，检查孔口管固定牢固情况与止浆塞处密封效果，如有松动或漏水则需检查原因重新下管或采用加固封堵措施，防止注浆时漏浆泄压。

图5 孔口管实物Fig.5 Physical of Grouting Pipe

图6 注浆管构造示意图Fig.6 Schematic Diagram of the Structure of the Grouting Pipe

4.5.4 注浆孔压水连通性检验

注浆孔布置完成后应先进行压水检验，主要检验注浆孔的可注性和连通性，确定相临或相近的孔具有连通性后，方可对此孔进行注浆，否则此孔不应注浆。如孔不具备连通性，注浆时，短时间内压力会聚增，可能会引起道床上浮。操作方法：

⑴把所有注浆孔进行编号分组，关闭所有球阀。

⑵按分组进行压水，压水压力小于0.35 MPa，打开相临两孔，如2号孔和1号孔，从2号孔进行压水，观察1 号孔水头变化情况；关闭1 号口，打开3 号孔，从2 号孔进行压水，观察3 号孔水头变化情况，依此类推，过程做好详细记录。

⑶连通性判断：相临两孔压水时，另一孔水流变大，则判断为连通；水流明显变大，则判断连通性较好，可注性好；如另一孔无明显变化或变化较少时，则连通性差，把所有孔连通性进行详细记录在布孔图上，为下一步注浆提供依据。

4.5.5 注浆

按照各孔压水连通性情况进行注浆，注浆孔应优先选择中间位置孔位，因注浆扩散范围大，可注性相对侧边孔较好。对连通性差的孔位，不进行注浆，在注浆完成后直接进行单孔封孔处理。注浆总体原则：

⑴注浆顺序应从隧道低处向高处缓慢连续注浆；

⑵注浆压力控制值应不超过0.35 MPa，流量不超过40 L/min；除特殊情况外，同孔注浆应连续不间断注浆。操作方法：

⑴打开相临两组孔所有球阀，浆液由稀到浓进行灌注，压力由小变大；

⑵ 当压力未达到控制值时，流量最大控制在40 L/min，连续灌注，至周边孔冒浓浆1～2 min 关闭此孔球阀，仅2孔时，暂停注浆待浆液沉置3～5 min，再重复2～3次则停止注浆；

⑶当压力达到控制值时，流量未变小的情况下，则稳压连续灌注，同时观察周边孔冒浆情况，如冒浆则按步骤⑵处理；如不冒浆，则连续灌注直至步骤⑵的情况出现。

⑷当压力达到控制值时，流量逐渐变小情况下，则稳压连续灌注直到流量低于10 L/min 时，稳压灌注3～5 min，暂停注浆待浆液沉置3～5 min，再重复2～3次，流量仍低于10 L/min时，则停止注浆。

⑸注浆完成4 h 后，采用液压顶升装置，把注浆管缓慢匀速拔出，再采用HPG-A 无收缩自流密实水泥基高强灌浆料进行封堵注浆孔，封堵密实。

5 结语

由于运营期对轨道的精度变化极敏感，因此对隧道底板结构直接进行注浆治理难度大、风险高，实际操作的案例少，但底板渗漏水问题长期不处理，运营线路将存在严重的安全隐患和大幅增加维护成本等问题。通过对区间隧道底板结构渗漏水注浆治理技术的探究及应用，底板渗漏水情况已大大减少，取得了良好的效果（效果对比见图7）；同时注浆时对轨道监测数据显示最大累计沉降量为1.8 mm，当次最大变化速率为0.7 mm/10 min，均在控制范围内，有效防止了道床和轨道的上浮，证明了该治理技术在地铁已运营工况下保护了道床的同时，成功解决了隧道底板渗漏水问题。本文探索仅隧道渗漏水治理问题的冰山一角，可能存在疏漏及不全面的方面，敬请谅解，但该项技术对其他地铁运营期类似渗漏水问题治理具有一定的借鉴意义。