复杂地质水文条件下地铁隧道土体坍塌的控制措施

陈国联

（中铁二十三局集团第二工程有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161000）

一、工程概况及工程水文地质情况

1 工程概况

长春地铁一号线南繁区间线路整体呈南北走向，出南湖大路站后，向南沿人民大街方向敷设，直至繁荣路站。区间左右线均为矿山法施工，全长875.206m。因设有人防段、停车线段等，结构尺寸不一，根据结构尺寸由小至大分别采用台阶法、CRD法和双侧壁导洞法开挖支护。

2 场区工程地质及水文地质

2.1 工程地质

长春地铁1号线一期工程南湖大路站～繁荣路站区间位于松辽波状平原东缘与吉东山地接址带。本工程场地地层由道路结构层和人工堆积杂填土层、第四系冲积粘性土和冲洪积砂土、下伏白垩系泥岩组成。根据勘察报告，拟建区间场地地层为人工填土、第四系粘性土、砂土及白垩纪泥岩等。岩性变化不大，地层的均一性较好，但多在地下水以下，受地下水的影响较大。上部土层呈可塑状态，局部偏软，围岩易坍塌下陷及变形。由地表向下，填土性质较差，②1至②2层土质相对较软，向下各土层的性质随深度渐好。需根据不同围岩分级做好防护措施，确保隧道围岩稳定。

在区间1隧道土方开挖过程中，隧道上台阶基本位于勘察报告提供的②5粘土层中，拱部位于②4粉质粘土层与②5粘土层交界面处，实际开挖揭露的地层土体非常松散，颗粒感较强，土体遇水后极易崩解垮塌，自稳性和工程性质较差。如图 1所示。

2.2 水文地质

现场勘察过程中，发现三层地下水，第一层为表层孔隙性潜水（编号①），第二层为浅层承压水（编号②）、均属于第四系松散岩类孔隙水，第三层为岩石裂隙水（编号③），属于碎屑岩类裂隙水。

图1 南～繁区间隧道工程地质纵断面

图2 地表水向下渗水通道示意图

图3 超前探测不良地质汇总图

由于我施工标段距离南湖较近，虽然按设计要求进行了管井井点降水，并按设计和施工经验要求，提前三个月启动降水，但受南湖水系的影响，在区间暗挖过程中，始终做不到无水施工，施工掌子面始终存在渗水现象。

二、区间隧道常规施工措施

1 施工降水

1.1 降水设计

根据勘察报告、站点结构施工顺序、现场施工场地条件、地下管线情况、现场构筑物影响等多方面因素的分析，选择大口径管井群井降水：在区间两侧布置抽水井形成封闭降水，疏干第①层潜水、降低和疏干②层承压水及疏干裂隙水，控制基坑中央水位深度，达到降低地下水位的要求。

区间长875m，分为两段。区间北段井间距6m，井深34m；区间南段井间距8m，井深30m；降水井井径600mm、无砂水泥滤管，3mm～7mm碎石滤料，布置在离开挖线3m的位置。

1.2 降水施工方法

（1）施放井位

采用人工挖探孔的方法，探孔深度不小于3m，确认地下无各种管线后方可施工。

（2）降水井成孔

为确保降水效果，减小洗井难度，所有管井采用反循环钻机成孔。

（3）替浆及下管

下管前注入清水置换全井孔内泥浆，砂石泵抽出沉渣并测定孔深。井管采用无砂水泥管。

（4）填滤料

井管下入后立即填入滤料。

（5）洗井

成井后，借助空压机清除孔内泥浆，至井内完全出清水为止，再用污水泵反复进行恢复性抽洗。

（6）抽水

图4 注浆后掌子面土体效果图

为了保证降水期间抽水持续作业，防止长时间停电造成水位回升，影响地下结构施工，考虑配备用电源。

（7）维护降水期降水观测

维护降水期应对地下水位动态进行观测，并对地下水动态变化及时进行分析，采取相应的处理措施。

2 超前支护

区间标准断面土方开挖前沿拱部150°范围每两榀格栅打设一排φ32超前注浆小导管注浆加固掌子面前方土体，小导管从钢架腹部穿过，然后混凝土复喷至设计厚度，混凝土终凝后注浆加固地层。导管长度L=3.0m，打设角度10°～15°，超前导管环向间距0.3m。注浆浆液采用水泥浆。

2.1 导管制作

小导管前端做成尖锥形，尾部焊接φ8mm钢筋加劲箍，管壁上每隔15cm梅花型钻眼，眼孔直径为6mm～8mm，尾部长度不小于60cm作为不钻孔的止浆段。

2.2 导管安装

在安装好的格栅钢架上采用红油漆按照导管设计间距做好孔位标记，采用风枪钻孔，孔径较设计导管管径大10 mm，孔深2.5m，倾角10°～15°。成孔后将小导管按设计间距从格栅钢架腹部打入，外露20cm并牢固焊接在格栅钢架上，与格栅钢架共同组成预支护体系。

2.3 导管注浆

注浆浆液采用水泥浆，浆液水灰比1∶1，注浆压力0.2MPa～0.5MPa。注浆时由拱两边对称向拱顶进行，自下而上逐孔注浆。单孔注浆压力达到设计要求值，持续注浆10min且进浆速度为开始进浆速度的1/4或进浆量达到设计进浆量的80%及以上时注浆结束，进行一下导管的注浆。如有窜浆或跑浆时，采用间隔注浆，最后全部完成注浆。

3 土方开挖

区间隧道标准段采用上下台阶法施工，上台阶土方采用短台阶环形预留核心土人工小步距开挖，下台阶土方采用挖掘机开挖。一般情况下，上下台阶长度控制在5m～6m，上台阶的外侧按照至少1∶1放出坡面，留出核心土，以很好的支撑掌子面土体，确保掌子面的稳定。开挖步距0.75m。

三、特殊地质施工控制措施

由于洞内大里程作业面拱部经常性土体剥落、塌方，给施工进度带来很大难度，并且存在重大安全风险和隐患，已经造成进度滞后、文明施工差，施工掌子面坍方、片土伤人等实际问题。针对上述实际问题，在现有地质、水文条件下，我项目部认为在原设计的基础上结合实际进一步优化设计参数、调整施工工艺，采取适当加强超前支护、超前探测、深孔注浆等措施，以保证本工程安全、质量、进度及地下管线和操作人员安全。

1 拱脚板垫块

开挖土体为粉质粘土，含水量大时土质较软，为控制已支护完成但未成环格栅的沉降量，采用在拱脚板处加15cm×15cm厚5cm的木板，以减少未成环格栅的沉降量。以减少沉降引发坍塌的机率。

2 加强锁脚锚管

为加强对拱脚的处理，根据施工步序，设计在每榀格栅钢架拱（墙）脚节点处各设一根锁脚锚管。我部认为锁脚锚管刚度不足，数量偏少，在软弱富水粘土、粉质粘土地层中不能够有效的控制初期支护沉降，需要进行加强。采用φ42×3.5mm普通水煤气管，L=3m，每榀格栅钢架拱（墙）脚节点处各设两根锁脚锚管，锁脚锚管水平夹角按45°打设并注浆，注浆材料选用单液水泥浆。浆液水灰比1∶1，注浆压力0.5MPa～1.2MPa。

3 超前探测

根据掌子面拱部土体中含水量突然增大，存在明显的渗水现象，且多次发生拱部土体剥落伤人和塌方事故，现场开挖支护施工存在较大安全隐患。经分析掌子面前方存在不明水囊和渗水通道。我项目部进行掌子面前方超前探测，探明掌子面前方是否存在水囊和渗水通道，依据探测结果对水囊进行引流和渗水通道进行注浆止水处理。

委托长春国地探测仪器工程技术股份有限公司对区间隧道1号工区左右线隧道开挖作业面前方进行了超前地质探测，探测发现地表土体含水量丰富，且存在多处地表水向下的渗水通道，渗水通道范围内土体含水量亦较大，且该范围内土体空隙度很大，水体流动性较好，如图2和图3所示。

4 深孔预注浆

在现有地质、水文条件下，降水是有效果的，并发挥了一定的作用。但是由于粘土层、粉质粘土层中渗透性相对较弱，依靠单一的地表管井降水无法完全疏干两排降水井中间的多处地表水向下渗水通道内土体中的地下水。渗水通道范围内土体孔隙和含水量较大，松散、节理裂隙发育，因设计的小导管注浆压力和范围有限，不能形成相互咬合的加固壳体，仅采用原设计的超前小导管注浆加固的方式满足不了现场施工需要。因此根据地质情况及施工经验采用在掌子面深孔注浆加固土体。

因此，我单位借鉴类似工程深孔预注浆加固止水的经验，通过在掌子面钻注浆孔，再向孔内压注双液浆，浆液挤出开挖断面及其周围一定范围内的土体中的水，保证土体中的渗水通道被具有一定强度的浆体充填密实，并与土体固结成一体，形成止水深孔周边帷幕，有效的加固了土体，控制了土体剥落伤人和塌方，取得了良好的效果。具体施工工艺参数如下：

（1）在区间1工区大里程方向隧道上台阶掌子面喷射400mm厚C20网喷混凝土止浆墙；

（2）在隧道拱部放出上台阶超前深孔预注浆钻孔孔位，根据拱部渗水范围大小，每循环布设超前深孔预注浆钻孔5～ 10根；

（3）钻孔，采用地质钻机成孔，每循环钻孔注浆深度14m，开挖12m，预留2m长度作为下一注浆循环的搭接长度。注浆孔直径108mm，环向布设间距0.5m；

（4）注浆，钻孔内打入89mm钢花管，压住水泥水玻璃双液浆。注浆压力1.5～2.5MPa，水灰比=1∶1，水泥水玻璃比=1∶1，水玻璃浓度35Be’。

通过几次注浆试验段，均对土体进行了有效的加固，保证了开挖的安全。注浆施工取得了预期效果。因此，对南繁区间后续渗水通道范围内隧道拱部进行超前深孔预注浆加固，以保证本工程安全、质量、进度及地下管线和操作人员安全。如图4所示。

结语

本文列举了地铁施工技术方法的控制，通过对隧道掌子面进行超前支护，采取小导管注浆、超前地质探测以及复杂地层采用深孔预注浆等措施，增加了岩层的自稳能力，有效的控制了隧道开挖过程中的坍塌、突泥、突水情况，避免了地表沉降以及对周边建筑物的变形危害。同时本文案例对复杂地质地层进行了要点分析，采用的技术措施有效的控制了复杂地层的风险及病害，对以后的地铁隧道土体坍塌的控制措施研究课题中总结了丰富的经验。

[1]GB 50299-1999，地下铁道工程施工及验收规范[S].