上软下硬地质条件中地铁施工的地层预加固方法

杨林

【摘 要】本文根据青岛地铁矿山法设计、施工中最常遇到的上软下硬地层，对几种地层注浆预加固方法的加固机理、适用条件进行分析，并给出相关工程实例，为设计、施工提供参考。

【关键词】地铁；矿山法；地层加固；注浆

0 前言

青岛市位于胶东丘陵地带，以岩石地层为主，受岩石风化、地层断裂的影响，为确保使用功能，地铁车站和区间隧道的埋深不能过大，因此青岛地铁多在“上软下硬”地层中施工，该地层隧道拱顶或上半断面多为强风化花岗岩、砂层等，隧道底部多为中风化、微风化花岗岩。隧道开挖中还会遇到岩石局部破碎、断裂带，并伴有裂隙水。

青岛的这种不均匀的地质条件在全国地铁工程中都是不多见的，对设计和施工都带来的相当大的挑战。如果针对拱顶不良地层选取支护参数，则对于隧道底部硬岩部分就会造成浪费，导致工程造价提高；如过按照底部较好的底层来进行支护，则又无法保证隧道拱顶的施工安全。面对这种情况，在隧道开挖前对上部不良地层进行预加固，提高其设计围岩等级，以便于选取合理的支护形式，对保证工程安全，节省投资都有着至关重要的意义。

1 地层预加固的常用方法

常用的地层加固方法由锚杆加固法、注浆加固法、机械预切槽法、预衬砌法、冻结法等[1]，根据青岛地铁工程特点，多采用超前小导管注浆、管棚加固、全（半）断面注浆等方法，并结合最新的新意法理论开展了水平旋喷桩加固的研究和试验。

1.1 超前小导管注浆加固

超前小导管注浆加固是沿隧道开挖方向在拱顶开挖轮廓线外一定范围内向前上方倾斜一定角度，密排打设侧壁钻孔的注浆钢管。达到一定深度后向管内注入浆液，是隧道拱部形成加固的壳体，在其保护下进行开挖和支护（见图1）。超前小导管注浆既能加固一定范围的围岩，又能支托围岩，其支护刚度、预支护效果均大于锚杆加固，适合于砂层、断裂破碎带以及局部裂隙水的封堵等[2]，具有以下特点：（1）比超前锚杆支护能力更强；（2）比管棚施工简便，经济性好，但支护能力较弱；（3）初期支护的喷射混凝土能将围岩与小导管紧密粘结，形成一个共同变形体，受力条件合理。具体设计中小导管直径一般采用40～60mm，长度一般为3～6m。

1.2 管棚注浆加固

管棚注浆加固是一种长距离超前支护方法，具有加固距离长，刚度较大，适用于开挖面不能自稳、含水的地层。能较好的控制地表沉降、防渗止水，但对施工工艺要求较高[3]。管棚支护的主要作用机理可以归纳如下：（1）梁拱效应：先行施设的管棚，以开挖面和后方支撑为支点，形成一个梁式结构，二者构成环绕隧洞轮廓的壳状结构，可有效抑制围岩松动和垮塌；（2）加固效应：注浆浆液经管壁孔压入围岩裂隙中，使松散岩体胶结、固结，从而改善了软弱围岩的物理力学性质，增强了围岩的自承能力，达到加固钢管周边软弱围岩的目的；（3）环槽效应：开挖面爆破产生的爆炸冲击波传播和爆生气体扩展遇管棚密集环形孔槽后被反射、吸收或绕射，大大降低了反向拉伸波所造成的围岩破坏程度及扰动范围；（4）确保施工安全：管棚支护刚度较大，施工时如发生塌方，塌碴也是落在管棚上部岩碴上，起到缓冲作用，即使管棚失稳，其破坏也较缓慢。此外，管棚施工过程中通过钻孔可较为准确的预知管棚范围内复杂围岩情况，为随后的注浆、开挖提供第一手地质资料，有利于施工方案的确定。

1.3 全（半）断面注浆加固

青岛地铁的部分区间的拱顶处在富水砂层中，这种地层容易产生涌水、流砂等现象，对施工构成极大风险，在这种地层中采用超前小导管、管棚等加固方式无法起到封堵涌水的效果，需对掌子面中的砂层部分进行全面的注浆加固，时掌子面部分的砂层形成不透水、有一定强度的整体，从而便于进行开挖施工[4]。

青岛地铁3号线万年泉路站至李村站区间拱部为富水砂层，下半断面为中风化花岗岩，地面为多层砖混结构住宅和框架结构商场，设计采用108mm管棚配合上半断面注浆加固，每3m设置一循环，在每一循环掌子面上按梅花状布置注浆管，对掌子面进行全断面注浆；注浆管的间距控制在0.5m（图2）。该方案对地面建筑沉降取得了良好的控制效果。

（a）注浆孔布置示意图

（b）区间隧道剖面图

（c）注浆加固范围示意图

1.4 全断面水平旋喷桩加固

水平旋喷桩法首先于20世纪70年代在日本进行应用，它是在一般的初期导管注浆的基础上发展起来的，以高压旋喷的方式压注水泥浆，从而在隧道开挖轮廓外形成拱形预衬砌的预支护工法。其加固原理包括成桩原理和成拱原理两个方面，具有加固距离长、刚度大，适用于开挖面不能自稳、含水丰富的地层。

近年来，随着岩土控制变形法（新意法）得到日益广泛的研究和应用，青岛地铁依据其.运用超前支护和加固措施减小或避免围岩变形、在离掌子面较短的距离支护封闭以减小隧道变形和全断面开挖的理念[5-6]，在3号线保儿站至地铁大厦站区间进行了全断面水平旋喷桩加固地层试验研究，通过在拱部和掌子面布设水平旋喷装（见图3），将隧道富水砂层进行整体加固，较大程度的提升其围岩等级，进行全断面开挖，在提升工效的同时很好的控制了地面沉降和围岩变形，取得了良好的试验效果。

2 不同地层加固方法的适用条件

以上地层预加固方法的选用，应结合水文地质条件、线路周边环境、工期安排、技术经济分析等具体情况综合确定，并可以选择其中一种或几种方法结合使用。表1列出了上述隧道预加固法的特点和使用条件。

表1 隧道地层预加固方法一览表

3 结语

在青岛“上软下硬、局部破碎”的特殊地层中进行地铁隧道矿山法施工，选择合适的地层加固方法至关重要，其不但能减小施工风险，节约工程投资，还能够有效的控制道路、管线、地面建筑物等的沉降变形，使对周边居民的影响减到最小，充分体现安全地铁、人文地铁的理念。

【参考文献】

[1]来弘鹏，康佐，谢永利，等.地铁区间隧道黄土地层注浆预加固技术研究[J].中国铁道科学；2014，01.

[2]程显涛.帷幕注浆技术在软弱围岩隧道施工中的应用[J].中国市政工程，2014，01.

[3]周捷，漆泰岳，旷文涛，等.大断面隧道地层超前预加固及开挖支护过程稳定性的数值模拟[J].隧道建设，2009，2.

[4]张成平，张顶立，叶英，等.高压富水岩溶隧道注浆机理及作用效果分析[J].地下空间与工程学报，2009，05.

[5]翟进营，杨会军，王莉莉.新意法隧道设计施工概述[J].隧道建设， 2008， 01.

[6]赵录学.关于新意法隧道设计的几点建议[J].现代隧道技术，2012，01.

[责任编辑：曹明明]