地下水渗流情况下花岗岩残积土层暗挖隧道施工技术研究

文_杨国浪（广西建设职业技术学院，专任教师，高级工程师）

隧道工程在开挖施工时，会严重影响原本稳定的地下水环境，导致原地下水环境出现失衡和地下水资源严重流失，破坏地表和地下生态环境平衡，而地下水渗流的出现将会对隧道施工质量与安全造成严重影响。暗挖是隧道开挖施工最常用的一种方法，但在施工时容易对隧道的围岩产生较大的破坏和扰动，导致开挖损伤区形成，阻碍暗挖隧道施工的进度，再加上地下水渗流情况的形成，无疑会对暗挖隧道施工造成严重的影响。目前，我国有很多学者已经对地下水环境与隧道工程建设相互之间产生的影响关系进行研究。例如，顾建炉研究了山地隧道施工与地下水环境之间的相互影响机理；庞炳涛主要对热力隧道暗挖施工时受地下水环境的影响进行了研究。这些研究包含了公路隧道、热力隧道，但由于隧道用途不同，暗挖隧道的施工方法也就不同，导致地下水及围岩受到扰乱的程度也不同。因此，本文主要结合实际地铁隧道施工案例，对花岗岩残积土层暗挖隧道施工中受地下水渗透影响的相关机理进行研究，一方面弥补当前研究存在的缺失与不足，另一方面为相关或相似工程施工提供理论支持。同时，对花岗岩残积土层暗挖隧道施工的具体施工技术进行研究，还可提升此类暗挖隧道的施工质量和安全性。

一、工程概况

某市21号线地铁工程采用暗挖施工，施工区间3号盾构井的暗挖区间地质构造比较复杂，必须从花岗岩残积土层区段穿越，该区段的长度为160m。花岗岩残积土是在特定地理、气候和地质环境下的产物，其成分及结构特征比较特殊，一旦遇到地下水渗流情况，会导致土层呈现流塑状，并丧失自稳性，非常容易出现软化和崩解的现象。基于该暗挖隧道区段出现的地下水渗流情况，可以推断出该隧道在开挖时非常容易出现地面沉降问题，甚至会导致隧道坍塌，严重威胁该隧道施工的安全和质量。因此，需要在该区段地下水渗流情况下，对花岗岩残积土层暗挖隧道施工采取必要的技术措施。结合既往施工经验，经技术可行性研究后，本项目决定采取超前支护技术联合超前加固注浆技术开展施工，以减轻地下水渗流对花岗岩残积土暗挖隧道施工产生的影响，保障该工程项目施工的质量和安全。

二、地下水渗流所致花岗岩残积土层变形的机理

从上述内容可知，地下水渗流会对暗挖隧道产生一定的影响，具体来讲，这种影响是间接的，主要是因地下水渗流对土层或岩层产生影响，而一旦土层或岩层受到影响，则隧道施工也必然会受到影响。为了确保隧道暗挖施工的质量与安全，必须高度重视地下水渗流对土层产生的影响，了解其具体的机理所在。结合本项目花岗岩残积土层条件，可对地下水渗流所致花岗岩残积土层变形影响的机理做出如下分析。

（一）渗流场形成及其造成的影响

当项目施工遇到降雨天气时，地表水加速下渗，地下水位升高，造成围岩内部与掌子面外部之间形成水头差，地下水出现渗流情况，进而导致基坑周边形成渗流场。渗流场的复杂性比较高，其内部并不是稳定不变的，而是随着时间的推移而不断发生变化，且渗流场会与应力场之间形成相互作用，造成一系列的物理力学以及化学变化，在此复杂作用条件下导致花岗岩残积土层中的土体出现强烈的抗剪强度变化。

（二）地下水渗流对残积土层土体产生的物理力学作用

地下水渗流发生后，会对土体形成物理力学作用，具体体现为对土体空隙产生的压力作用位置发生变化，造成土体有效应力受到影响。同时，地下水渗流同岩土之间发生的物理和化学作用，会导致土体微观结构和组成结构发生变化，使土体的抗剪强度和抗压强度均受到影响。地下水渗流还会产生土体颗粒迁移、土体化学成分改变和水体状态变化等方面的影响，进而影响土体强度。

当地下水产生的渗透压力逐渐增加或是地下水渗流发生的时间逐渐变长时，土体颗粒会出现分离状态，原本微小的颗粒孔隙也会因此而扩大。本研究为了确定各种程度的渗透压力条件下土颗粒孔隙比及变形量产生的变化，特从项目现场取样开展试验研究，研究结果见表1。

从表1中可以看出，初始孔隙比与孔隙变形量之间成正比，当孔隙比逐渐变大时，空隙变形量形成的差异也越来越大。

表1 各种程度的渗透压力下土颗粒孔隙比及变形量变化统计表

（三）地下水渗流对花岗岩残积土层产生的变形影响

从上述内容可知，当地下水渗流发生后会形成渗流场，当渗流情况刚刚发生时，所产生的渗流场并不会过强，渗流情况也不易被施工人员发现，随着时间不断推移，渗流情况会越发严重，渗流场也会不断增强，从而导致土体颗粒孔隙增加，土体颗粒之间的摩擦阻力以及结合力降低。因此，在地下水渗流形成渗流场之后，受到外界应力场的作用，会导致围岩容易出现松动变形，从而使隧道施工的安全性和质量受到严重影响。

三、暗挖隧道技术措施

从上述内容中可知，地下水渗流的发生会对花岗岩残积土层产生一定影响，为了有效避免暗挖隧道过程中出现的坍塌和沉降问题，需要实施超前支护及超前加固注浆技术，在开挖前先对花岗岩残积土层进行预先加固处理。前者主要是使用超前小导管来完成支护作业，在本项目中所使用的小导管采用无缝钢管，规格为Φ42.0mm×3.5m，布置于拱部120°范围之内。对从该地铁21号线下部穿过的3号线隧道断面则使用二重管施工，施工的技术方法为超前加固注浆技术，所注浆液类型为无收缩性双液。具体的施工技术措施如下。

（一）超前支护技术的应用

1.工艺流程

在隧道施工穿越的岩层比较软弱的情况下，施工会造成围岩出现较大程度的变形。若未能事先做好支护措施或者是在初期支护时采取的施工措施不及时，将会导致围岩出现大幅度变形，若变形超出规定的范围，会出现诸多问题，在严重的情况下还会使掌子面失去稳定性，甚至发生坍塌事故。一旦隧道出现塌方事故，将直接影响整个隧道工程的质量和施工进度，甚至损害施工人员的生命财产安全，进而导致工程出现严重损失。因此，施工单位在开展隧道施工时，应结合地下水渗流的实际情况，在必要时采取超前支护技术来对围岩出现的变形问题进行控制，提升隧道施工的安全性。超前支护技术的施工工艺流程见图1。

图1 超前支护施工工艺流程图

2.小导管布设

本项目的超前支护导管采用无缝钢管，为方便导管安装施工，导管的前端部位加工成圆锥形，可避免泥浆在注浆时喷出，造成施工材料浪费。超前支护导管的长度为3.5m，在导管中间位置布设注浆孔，注浆孔采用梅花形布置，直径为15mm，注浆孔间距为25cm。在小导管末端预留1.0m的止浆段，止浆段范围内不设注浆孔，目的是为了避免浆液的溢出，以及保证注浆的压力。同时，小导管需要配合钢拱架设置，小导管的末端设置在钢筋格栅钢拱架中，提升导管的稳定性，可以有效预防小导管插入过程中出现端部开裂问题，从而避免注浆管连接失效问题发生。小导管应用于超前施工时，需要先使用钻机对其进行钻孔处理，小导管在正式插入后，还需要使用风镐配合将其振入，超前支护施工导管部分施工见图2。

图2 超前支护施工导管施工示意图

3.超前支护施工技术要点

（1）小导管安装之后，需要使用喷射混凝土对周围出现的裂缝及钻孔进行密封处理。在必要的情况下，还要使用挂钢筋网片加喷射混凝土对小导管及工作面周围进行封闭，从而预防工作面塌陷问题发生。在开展注浆施工前，必须实施压水试验，对注浆压力进行检测，同时检查机械设备是否处于正常运转状态，还要检查注浆管路的通畅性和连接严密性。若工期比较紧张，并且对机械设备的运转效率有较高的要求时，可实施群管注浆，注浆使用的泵可以选用双液压泵，水泥浆的水灰比应该达1∶1。在正式开展注浆施工之前，需要先使用高压风进行清孔，将管内中积存的砂石和积水等吹出。注浆时要保证单孔注浆的压力达0.3MPa～1.0MPa，并随时对注浆压力及注浆量进行检测和调整，直至达到相关设计要求。

（2）注浆施工时，应该对注浆压力进行严格控制，注浆最终压力一定要与设计要求相符，并将压力稳定保持1min～2min，以保证泥浆的全面渗透。注浆压力不要超出预设压力的最大值，避免结构出现拉丝、变形和地面结构异常等问题。

（3）初始配合比确定之后，可以利用凝胶时间来对后续配合比进行调节，同时还要对注浆的固结强度进行检测，使配合比达到最佳程度。

（二）超前加固注浆技术的应用

本项目的超前加固注浆技术采用二重管无收缩双液注浆。根据设计的位置、角度钻孔到位后，回抽钻杆，实施注浆操作。注浆使用的浆液分为A、B、C三种，其中A液与B液混合后属于溶液型浆液，而A液与C液之间混合后形成的是悬浊型浆液（浆液配合比参照表2）。因浆液会对花岗岩残积土层产生一定的渗透性，所以应该事先对浆液的配合比进行调节，同时还要对注浆的压力进行调控，通过人为的方式控制注浆的具体范围。使用混合浆液的过程中，必然会存在凝结硬化的情况，需要对凝结硬化的时间进行合理调控，调控的目的是为了使岩层孔隙之间能够完全充满配制的浆液，使浆液能够在孔隙中完全凝结，从而改善土体软弱、易渗透的状态。

表2 注浆液配合比标准

1.超前加固注浆工艺流程

超前加固注浆工艺流程主要包含两个关键步骤，即钻孔和注浆。对于钻孔而言，第一，需要对注浆孔进行布置，注浆孔具体的分布需要严格参照设计图纸，并进行反复校核。第二，需要对钻机进行定位，钻头的点位允许误差在30mm之内（含30mm），钻杆垂直度误差一般控制在2°之内。第三，进行钻孔，对钻进的深度和溢水情况进行严密监测，当溢水发生时，应该马上停止钻孔，然后进行注浆止水，并对溢水的原因进行分析，止水达成后方可继续进行钻孔施工。

注浆施工是在钻孔后将事先制备的浆液进行压力灌注。注浆时要先灌注AB液，注浆压力应维持在1.5MPa～2.0MPa之间，注浆需要持续进行10min，当钻机钻杆的外壁未见溢水时可停止注浆，然后再向钻孔中注入AC液，当压力达到2.0MPa以上时，可以将钻杆上提25cm左右，之后重复上述步骤直至钻杆上提至钻孔并完成注浆为止，再开展下一个钻孔注浆施工。注浆操作的顺序应该从外沿边界钻孔向内部钻孔聚集，对于同圈钻孔应该有间隔地开展注浆施工。

同时，还需要确定加固圈的注浆加固范围，一般需要达到开挖线外3m处。在开展注浆之前，需要进行注浆试验，全面掌握注浆的基本参数要求，如浆液的注浆量、填充率、凝结进程、配合比、渗透半径以及终压等指标。在开展施工时，还需要依照实际地质条件和现有机械设备对注浆孔数、钻孔布设及浆液类型等参数进行调整。在对安全岩盘进行注浆时，应该保证厚度在2.5m以上，若该厚度无法满足，则需要先开展止浆墙施工，然后才能实施注浆操作。本项目中使用C20混凝土对止浆墙进行建造，其墙体厚度为1.5m。本项目循环注浆的长度达到10m，包含开挖部分8m及止浆岩盘厚度2m。当注浆量逐渐减少，且注浆终压突然上升时，可结束注浆施工。完成注浆施工之后，还需要设置检查孔，检查孔数量应该达到注浆孔总体数量的7%左右，检查孔出水量必须在0.2L/（m·min）之内，或者是开展压水试验，当压力达到0.75MPa的情况下，应该确保吸水量控制在1L/（m·min）之内，当上述要求达到之后，才能够开展后续施工作业。

2.浆液性质满足的要求和标准

注浆所使用的A、B、C三种浆液必须达到一定的标准和要求，具体指标主要包含比重、黏度及pH值。本项目配制浆液时，以20℃作为参照温度，得出注浆使用的各类浆液必须达到以下标准，具体见表3。

表3 注浆使用各类浆液的性质要求和标准

3.确定使用的注浆量

对注浆量进行估算，可利用如下公式：

Q=Rna（1+β）

其中，Q代表总注浆量；R代表注浆范围所占体积；n代表孔隙率；a代表注浆填充系数，通常取0.7～0.9；β代表注浆折损系数。na（1+β）一般在设计中代表填充率，本项目所在地区的花岗岩残积土属于粉质黏性土，因此注浆填充率应该取30%～45%。

4.确定注浆压力

注浆压力的形成通常与注水压力、砂层间隙、注浆材料黏度和胶凝时间存在密切关系，通常根据当地实际情况选择适当标准：第一，将地下水的静水压力作为标准，在施工中，注浆终压一般是静压的2～4倍，而最大压力一般是静压的3～5倍；第二，可以依照注浆处深度以及对应的压力系数对注浆压力进行计算。

四、结语

在地下水渗流发生的情况下，花岗岩残积土层容易出现崩解和软化等一系列问题，本项目采用超前支护技术联合超前加固注浆技术，对花岗岩残积土层发挥有效的稳定作用，可提升土层自稳能力，使隧道暗挖施工得以安全、保质、保量进行。超前加固注浆技术具有良好的止水效果，且在抗收缩能力、自稳性等方面发挥突出优势，不容易出现沉降和形变，从而保障隧道施工的进度，为后续施工提供支持。