联络通道坍塌后地层加固方案探讨

魏玉省

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

盾构法隧道施工安全、经济、快速，已在城市地铁工程中得到了广泛应用，作为盾构法隧道重要的附属工程联络通道的施工也越来越引起人们的关注。由于地铁线路所面临的环境和地质条件等因素的影响，施工难度、施工风险也越来越大，在联络通道施工过程中塌方时有发生。目前在有关联络通道塌方处理的文献中:文献［1］阐述了在重复扰动的富含水地层进行加固处理的成功经验，详细地介绍了采用无收缩双液二重管注浆技术在重复扰动下富含水地层中的注浆加固方法;文献［2］对坍塌事故原因、施工风险源进行了分析;文献［3］阐述了塌方事件发生后的处理方法，如何及时、有效地降低损失、减小影响;文献［4］阐述了联络通道开挖过程中使用注浆技术达到超前支护的目的，克服了联络通道施工中的安全、质量、技术难题;文献［5］阐述了按照“盾构区间强支撑，通道三重管超前注浆，洞口真空降水，开挖上下断面”的施工原则，着重对盾构区间强支撑、三重管超前注浆加固地层进行介绍。以上文献主要叙述了在洞内采用注浆方法对地层加固、止水，而对联络通道地层加固方案的选择、施工过程中出现的问题及分析等方面论述较少。本文通过联络通道塌方后地层加固方案选择、各方案在实施过程中出现的问题、施工注意事项及分析，提出了联络通道设计施工过程中应该注意的问题。

1 工程概况

广州地铁某区间联络通道长18 m，直墙拱形断面，开挖断面宽 3．6 m，高3．7 m，埋深约 24 m，从地面到隧道底地层依次为回填土、淤泥、淤泥质土、中粗砂、软塑残积层、硬塑残积层、强风化-中风化-微风化泥质粉砂岩，联络通道靠近左线隧道一端穿越软、硬塑残积层，靠近右线隧道一端穿越中风化泥质粉砂岩。

根据工程筹划，联络通道从左线向右线开挖，当下台阶开挖到3 m，上台阶开挖到4．5 m，格栅钢架还没有及时安装，拱顶位置开始漏水、坍塌，进而引发地面坍陷，引起交通中断，随后进行混凝土和碴土回填，恢复了地面交通。

事故发生后，对坍方原因进行分析，并对以往类似工程［6-7］处理方案进行了讨论研究，最终采取尽快把左线盾构隧道联络通道开口处的地层进行固结、堵水，以阻止向左线盾构隧道内涌水，防止地面再次塌陷，确保地面交通安全。联络通道从坍塌到挖通，历时13个月，先后采用了3种地层加固方案和左线盾构隧道进行灌水两端封堵的措施，才得以挖通。

2 塌方原因分析

1)联络通道处于古河道区域内，河流的冲刷作用造成风化岩表面凹凸不平，导致沉积砂岩层底部标高不规则的急剧变化。

2)联络通道开挖后左线拱顶实际为软塑状残积层和砂砾夹层，交叉口地段应力集中，且初期支护不及时。

3)对地质突变的认知有误，导致拱顶采用超前小导管注浆未达到理想的加固与堵水效果。

4)临近广茂铁路频繁的列车震动荷载，超出砂砾层的承载力。

3 地面深孔袖阀管注浆

回填后的地层松软，采用大型设备易引起地面坍塌，确定采用小型钻机，对联络通道与左线盾构隧道节点处的地层进行深孔袖阀管注浆。地面袖阀管注浆设计见图1。

3．1 设计参数

1)加固范围。长8 m，宽9．5 m，盾构隧道顶部以上5m，联络通道底部以下1．5m，第1排注浆孔距离左线盾构隧道结构边缘0．5 m。

2)注浆材料。采用水泥-水玻璃双液浆，实际配合比由现场试验确定。

3)注浆压力。控制在0．2 ～0．5 MPa。

4)施工工艺。注浆孔必须下袖阀管，反复多次注浆。

5)注浆顺序。先对靠近左线盾构隧道开洞处的一排袖阀管进行注浆堵水，后对外围地层进行注浆加固。

3．2 施工及效果

方案确定后，对第1排第1注浆孔进行钻孔，钻到约14 m深时，遇到塌方区回填的素混凝土，继续下钻到21 m时，地面又开始沉降，整个回填区平均沉降约0．5 m。

现场分析认为:塌方区刚回填的地层不密实、特别是回填的素混凝土下方可能有空洞，上部地层透水性强;钻孔过程中可能把上层地下水引入隧道，导致地面下沉。由于对注浆方案的信心不足，袖阀管注浆加固方案没有得到实施。左线盾构隧道内地下水位继续上涨。

图1 地面袖阀管注浆设计图Fig．1 Design of Soletanche grouting executed from ground surface

4 地面三重管高压旋喷桩方案

塌方区地层沉降稳定后，决定采用地面三重管高压旋喷桩方案进行加固(见图2)。

4．1 设计参数

1)采用直径1 000间距700 mm的三重管旋喷桩，共布置17排、187根。

2)旋喷桩水泥掺入比不小于25%，压力15～20 MPa，旋转速度8 ～12 r/min，提升速度6 ～12 cm/min。

3)加固后的土体28 d无侧限抗压强度不小于1．5 MPa，渗透系数≤10-7cm/s。

图2 地面三重管高压旋喷桩加固设计图Fig．2 Design of ground consolidation by triple-fluid high-pressure jet grouting columns executed from ground surface

4)加固范围。长9．8 m，宽8 m，左线盾构隧道顶部以上5 m，开始至进入中风化岩0．5 m结束。

5)施工顺序。先施工第3排联络通道范围内的桩，然后向外围施工。

4．2 第1次旋喷桩施工

按施工安排，先从第3排开始。当第3排旋喷桩旋喷至回填的素混凝土层以下时，地面又发生沉降，沉降平均值0．8 m，旋喷桩地层加固又被迫停止。

现场对旋喷施工沉降原因分析认为，旋喷压力大(10 MPa)，对土体有扰动。

4．3 左线盾构隧道灌水、封堵

塌方回填区地层松散、富水，和左线盾构隧道内的水位有约0．2 MPa的水压差，对地层稍有扰动，松散的回填土层和水就会涌入左线盾构隧道，为减小水压差，确定从左线盾构隧道两端灌水，并封堵盾构隧道两端(见图3)。

图3 左线盾构隧道封堵墙Fig．3 Sealing wall installed in left tube

4．4 第2次旋喷桩施工

左线盾构隧道两端灌水、封堵后，再次进行三重管高压旋喷桩地层加固，在施工过程中，地面再没有发生沉降。

4．5 效果检查

旋喷结束后，在地表进行钻孔取芯检查，旋喷桩第2—6排取芯有一定强度，第1—2和7—10排加固后土体还是较为松散，强度较低，自稳性差。

在联络通道内进行水平孔检查，从右线盾构隧道向左线钻孔，钻杆拔出时有较大的承压水从孔口喷出，射程约4 m，3 min后水量减小，但关上阀门再打开时孔口水压仍很大。

检查结果表明旋喷桩地层加固效果不理想，主要是旋喷桩深度太大，底部旋喷桩直径达不到设计要求;在回填的素混凝土层中不宜旋喷，形不成连续水泥土桩;中风化岩石中亦不宜旋喷，不能满足联络通道开挖的条件。

5 洞内WSS工法注浆方案

地面深孔袖阀管注浆、地面旋喷桩加固及其对地层加固效果检测结果显示，地层加固堵水未达到预期目的，必须采用新的加固方案。通过研究，确定在洞内采用WSS(无收缩注浆)注浆方案(见图4)。

5．1 设计参数

1)加固范围。联络通道开挖范围内及轮廓线外厚度不小于4 m。

2)注浆孔布置。分内外共3层、30个注浆孔，注浆孔最大长度为16．716 m，终孔位于联络通道开挖轮廓线外2．75 m。

3)注浆材料。采用安全性高、渗透性高的AB和AC 2种双液浆(A液为水玻璃，B液为一种化学浆液，C液为水泥浆)。

4)注浆压力。控制在0．3～1．0 MPa，实际注浆压力由现场试验确定。

5)浆液扩散半径。按照1．5 m设计。

6)浆液凝结时间。20～1 800 s。

7)注浆结束标准。当单孔注浆终压达到1．0 MPa，持续20 min，进浆量很少或不进浆时或注浆量为0．4 m3/m，可结束本孔注浆。

8)施工顺序。首先施工联络通道内的8个水平注浆孔，注浆孔孔底距离左线隧道管片的距离至少1 m;再施工联络通道周边注浆孔。

9)检查标准。加固后的土体28 d无侧限抗压强度不小于1．5 MPa，其渗透性系数≤10-7cm/s。

10)注浆方式采用前进式注浆方式。

5．2 施工及效果

1)从右线盾构隧道向左线盾构隧道开挖联络通道，开挖长度为2 m，该空间作为WSS注浆加固的施工空间。

2)根据设计方案，每个注浆孔先钻孔1 m，设置孔口管，再钻孔注浆。

3)效果检查。对加固后的地层水平取芯，取出的芯样浆脉清晰，强度基本满足设计要求;分别设置在拱顶位置及两侧的3个水平探水孔均无地下水流出，渗透系数基本达到了设计要求。

6 结论与建议

该塌方段先后采用地面深孔袖阀管注浆、地面三重管高压旋喷桩、洞内WSS工法注浆3种方案和左线盾构隧道灌水、封堵措施，对联络通道塌方区进行了加固，最终地层强度和渗透系数满足了设计要求，联络通道继续开挖。此次塌方处理过程也是探索、实践、认知的过程。

图4 WSS注浆设计图Fig．4 Design of WSS grouting

结合此次联络通道塌方处理，对城市地铁联络通道设计与施工提出以下几点建议:

1)联络通道开挖前要进行超前地质预报，并对地质预测预报准确性风险与对策进行分析［8-9］，如地层发生较大变化，应及时通知设计单位，对支护参数做相应变更。

2)联络通道的开挖方向一般宜从地层较好端向地层差的一端进行。

3)软弱地层、富水砂层中的联络通道开挖后，初期支护应及时封闭，掌子面要喷射厚度不小于5 cm的早强喷射混凝土。

4)应充分比较联络通道地层加固方案，选择实施性强、加固效果好、对环境影响小的方案作为最佳方案实施。

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