地铁区间隧道穿越人工回填卵石地层施工技术

万飞，张旭昌，滕海渤

地铁区间隧道穿越人工回填卵石地层施工技术

万飞1，张旭昌2，滕海渤3

(1.交通运输部公路科学研究所，北京100088;2.新疆北新路桥集团股份有限公司，乌鲁木齐830011; 3.上海市基础工程集团有限公司，上海200002)

针对乌鲁木齐地铁1号线三工站至宣仁墩站区间隧道，在穿越以卵石为主的人工填土区时的多次失稳现象，对原施工方案进行优化，提出地表袖阀管注浆暗挖法施工方案，确定注浆顺序、浆液配比、注浆过程控制、开挖方法、支护方案和专项措施。实际应用表明，地表袖阀管注浆暗挖法施工方案加固土体效果良好，在注浆预加固作用下进行开挖和支护，极大地降低了隧道失稳的风险。

地铁区间隧道;人工填土;卵石;袖阀管注浆

修建地铁隧道要面临城市错综复杂的地质条件，亦会遇到人为造成的填土地层。人工填土的组成成分复杂，分布不均，压缩性高、自稳性差。在此类地层中施工，地表沉降变形难以控制，隧道易发生冒顶、坍塌等危险［12］。深圳地铁1号线延长线3A标段在通过砂、软土及素填土构成的土层时，曾出现了2次地表塌陷事故。

乌鲁木齐地铁1号线三工站至宣仁墩站区间隧道，有270m段落上覆4～16.3m厚以无胶结卵石为主的人工填土层，局部填土层侵入隧道断面。此类地层条件的施工，目前没有直接的工程经验可以参考，但可以借鉴砂卵石地层和人工填土地层的相关研究成果。北京地铁和成都地铁在工程实践中进行了砂卵石地层现场量测和计算分析，解决了施工中遇到的技术难题，并形成了相应的施工关键技术［39］;重庆市主城区排水工程3#隧道实践表明［10］，注浆会导致回填土层遇水软化，需要重点控制注浆导致的地表沉降。

笔者以乌鲁木齐地铁1号线三工站至宣仁墩站区间隧道为背景，通过总结其在人工填土层施工时发生的工程问题，分析隧道失稳的发生原因，优化比选施工方案，确定施工措施、施工工艺及施工支护方案，保障了区间隧道施工的安全与质量。

1 工程概况

乌鲁木齐地铁1号线工程三工站至宣仁墩站区间沿线地貌单元为山前倾斜冲、洪积砾质平原区，卵石层厚度大于40 m，地形平坦，地势南高北低。区间隧道拱顶埋深为8.8～15.5 m，区间结构均位于V级围岩砂卵石地层中，区间除下穿出入段及与6号线接轨段采用明挖法施工外，其余均采用暗挖法施工。其中，在YCK21+660～YCK21+750段和ZCK21+480～ZCK21+ 660段存在4～16.3 m厚的人工填土，隧道局部段落拱顶处于填土层中(见图1)。该段人工填土为取土坑经回填而成，地勘资料显示回填土中有25%的建筑垃圾及生活垃圾，其余为砂卵石，卵石呈浑圆状，母岩成分为灰岩、砂岩等，颗粒不均，粒径2～20 mm的约占10%，20～60 mm的约占40%，60～90 mm的约占10%，90 mm以上的约占5%，其余为杂砂砾及粉黏粒充填，岩芯呈散状，中密，稍湿。

图1 人工填土区纵剖面Fig.1 Profile of artificial filled soil area

隧道在该区段施工时先后出现了2次工作面滑塌现象:

1)2015年4月16日17:45，三—宣区间左线横通道上台阶开挖至28.25 m，准备安装钢格栅时，拱顶出现局部滑落，滑落料主要为卵石，颜色呈黄色，卵石表面较为洁净，粒径在50～150 mm之间，级配极为单一，滑落方量约2～3 m3，其滑落位置在拱顶中心偏右。横通道滑落区顶部地表发生轻微沉降，距滑落区3 m左右地表最大沉降速率为21.2 mm/d，累计最大沉降值为22 mm，距滑落区6 m左右地表沉降值未发生显著变化。

2)2015年7月2日11:05，三宣区间暗挖隧道左线开挖至ZK0+946.058(进尺9.75 m)，上台阶进行喷射混凝土施工时，拱顶突然坍塌。塌落体主要为卵石，表面洁净，没有任何胶结物，卵石粒径为50～200 mm，级配单一，中间夹杂砖块、蛇皮袋等垃圾，塌落量约18 m3(见图2)。坍塌范围内地表沥青路面出现沉陷，呈锅底型，面积约为20 m2，最大沉陷深度约为60 cm (见图3)。

图2 隧道拱顶坍塌Fig.2 Picture of the collapse of tunnel vault

图3 地表沉陷Fig.3 Picture of the surface subsidence

2 滑塌原因分析

2.1 岩性分析

2015年7月2日的事故发生后，对坍塌料进行室内筛分实验，得到实验结果:大于60 mm的粒料占26.1%，20～60 mm的粒料占72.2%，而小于20 mm的粒料仅占0.7%，不均匀系数为1.9，曲率系数为1.2，砂砾级配不良好。粒径较为单一，没有胶结材料，稳定性极差，坍塌时具有一定的流动性。对地表塌陷处揭露发现，塌陷区土体整体下沉，可视地层为垃圾土(含腐殖土、砖块、塑料制品等)，如图4所示。

图4 地表塌陷区地层揭露情况Fig.4 Exposing situation of the surface subsidence area

2.2 无胶结堆石料区围岩破坏模式

2015年4月16日滑塌事件主要影响地表监测点如图5所示，监测数据见表1、2。

图5 地表监测点平面布置Fig.5 Plane layout of surfacemonitoring points

表1 塌陷区及周边地表监测点沉降值Tab.1 Monitoring points settlement of surface subsidence and the surrounding mm

表2 塌陷工作面相邻断面水平收敛Tab.2 Horizontal convergence of ad jacent section of collapse area mm

由表1、表2得出:

1)滑塌发生前，地表沉降速率较小，没有增大趋势;滑塌发生后，地表沉降值突然增大，并造成DB 01 38点破坏无法测量，周边点DB 01 41当天受影响最大，沉降值增量达－21.2 mm;

2)滑塌发生后，洞内水平收敛值无明显变化，受影响程度极小，说明已支护洞周段围岩状态未受到影响。

由以上分析可以得到，三—宣区间隧道穿越人工填土区的地层破坏模式为超前掌子面的不良地质体失稳后涌入隧道(见图6)，滑塌体为地质突变体，与原地层有明显的分界面，破坏具有突变性。地质突变导致原施工工艺不适用是造成此次事件的原因，应该对施工工艺进行改进。

图6 人工填土区失稳模式Fig.6 Instabilitymode of artificial filled soil area

3 施工方案比选

由开挖揭露和地勘结果来看，区间左线隧道自坍塌点(ZJDK0+946.058)～ZJDK1+064.480近119 m范围、右线隧道自掌子面临时封闭处(YJDK1+032.230)～YJDK1+070.000近38 m范围均为人工填土影响区。对这种隧道拱顶为粒径单一，没有胶结材料的卵石层，如采用原设计的双排小导管超前支护措施，其注浆定向效果差，注浆范围及注浆效果很难控制，再次发生类似坍塌事件的可能性极大。因此，提出了2种施工方案:1)在人工填土影响区采用明挖法施工;2)采取袖阀管地表注浆方式对人工填土进行改良，将拱顶一定厚度范围内的填土固结，形成具有一定强度的拱壳结构，在拱壳结构保护下进行施工。2种方案的优缺点见表3。

表3 施工方案优缺点Tab.3 Advantages and disadvantages of construction scheme

综合比较后，确定后续人工填土影响范围的左右线隧道采取地表袖阀管注浆暗挖法施工。袖阀管注浆平面范围为右线里程YJDK1+032.000～YJDK1+ 070.000、左线里程ZJDK0+936.308(马头门位置)～ZJDK1+064.480，沿开挖线外各3 m，深度范围为拱腰至拱顶以上5 m范围，如图7所示。

图7 注浆加固剖面Fig.7 Profile of grouting reinforcement

4 袖阀管注浆试验段设计方案

4.1 注浆范围

在实施大面积注浆前，首先进行了小范围注浆试验。选取在ZK0+956.78～ZK0+966.78范围内进行地表注浆试验段施工，并先进行塌陷区的地表注浆，通过塌陷区地表注浆总结优化施工参数，而后在试验段进行地表注浆验证。注浆范围见表4。

表4 塌陷区及试验段地表注浆范围Tab.4 Surface grouting range of subsidence area and the test section

4.2 注浆顺序

注浆按分区分块、先四周后中间的顺序，注浆采取跳孔施工，自下而上分段注浆，注浆孔布置如图8所示(红色点为帷幕注浆孔，黑色点为中间注浆孔)。

4.3 浆液配比方案

4.3.1 配比原则

1)在注浆设备可注能力范围内，浆液水灰比取小值，最大限度地提高浆液浓度，一方面减小浆液的扩散范围，另一方面提高早期强度。

AVO是在叠前道集上分析振幅随偏移距的变化特征来识别岩性及预测油气。Zoeppritz方程是AVO技术的理论基础，该方程给出了地震纵波非零角度入射的纵、横波反射系数及透射系数间的关系。在实际应用中，常常广泛采用该方程的近似表达式，当入射角较小（θ＜30°）时，纵波反射系数近似与入射角正弦值的平方成线性关系，即Shuey近似公式

2)注浆以填充固结提高土层自稳能力为目的，不需要较高强度。在注浆过程中，浆液会下渗至暗挖掌子面区域，如强度过高会严重增大掌子面人工开挖难度。同时，从经济角度出发，可适当减少水泥用量，掺加部分相对经济的胶凝材料。

3)周边帷幕注浆浆液应尽量缩短初凝时间，以便快速形成有效封堵，防止浆液向加固区外大范围扩散。

4.3.2 内部注浆孔浆液配比

按照配比原则，参照类似工程经验，注浆采取单液混合浆，其中胶凝材料由水泥、粉煤灰、生石灰组成。在塌陷区地表注浆施工过程中，浆液观感较浓，可注性较好。单液混合浆配比见表5。

图8 地表注浆顺序Fig.8 Surface grouting order

表5 单液混合浆配比Tab.5 Ratio of single fluid m ixture

4.3.3 帷幕注浆孔浆液配比

对于四周封堵帷幕孔必须加快初凝时间，减少浆液向加固范围外扩散。因此，在上述单液混合浆配比基础上，现场掺加水玻璃以缩短初凝时间，用于四周封堵帷幕孔的注浆施工，封堵帷幕孔浆液配合比见表6。4.4注浆过程控制

表6 帷幕注浆孔浆液配比Tab.6__ Ratio of curtain grouting slurry

4.4.1 分段注浆

注浆试验之初，现场设计以注浆压力发生显著变化作为分段提管或终止注浆指标。如初始注浆压力为1.0 MPa，当注浆压力提升至1.2～1.5 MPa后，再持续注10min，则提管或终止注浆。塌陷区地表注浆前期部分注浆孔采取了压力显著提升作为分段提升或终止注浆指标，但在施工过程中，各孔初始压力在0.2～1.0 MPa之间不等，差异较大，单孔压注持续近一个作业班次的时间未见注浆压力显著提升，并且出现加固孔位5 m以外的地表裂缝冒浆的情况。

坍塌段地表注浆初步试验表明，因土层空隙率大，以注浆压力显著提升作为控制指标会使浆液在松散地层中大范围扩散而造成浪费。鉴于此，现场注浆泵随即采取大流量低压力的档位进行，对单孔注浆以理论注浆量为控制依据，并采取间歇性注浆。

1)四周封堵帷幕孔。封堵帷幕孔间距为1 m，各孔注浆体必须形成有效搭接方能起到封堵作用，按搭接15 cm计，单孔理论扩散半径为0.65 m，则单孔每延米耗浆量为

式中，r为注浆扩散半径，0.65 m;n为土层孔隙率，取0.42(取自坍塌料室内土工试验报告);β为浆液填充系数，砂卵石取0.8;α为浆液损耗系数(浆液会流失至加固区域平面、深度范围以外)，《隧道施工规范》规定其取值在1.1～1.4之间，本工程试验段因孔隙率大，取大值1.4。

2)中部注浆孔。中部注浆孔间距为1 m，不考虑搭接，理论影响半径为0.5 m，则单孔每延米耗浆量为

3)间歇注浆过程控制。先进行四周封堵帷幕孔的间歇性注浆，再进行中间孔的间歇性注浆。

为方便现场计量控制，在操作过程中注浆量尽量以每桶实际拌浆量的倍数控制。四周封堵帷幕孔第1次注浆以理论注浆量的80%进行控制，中间孔注浆孔第1次注浆以理论注浆量的70%进行控制。单孔注浆完成后，采用清水进行洗孔，将袖阀管内的浆液冲出，防止管内积浆凝固而影响第2次注浆。

在四周封堵帷幕孔或中间孔的第1次注浆全部完成后，重新在袖阀管内下放注浆器进行第2次注浆，四周封堵帷幕孔第2次注浆以理论注浆量的20%进行控制，中间孔注浆第2次注浆以理论注浆量的30%进行控制。

4.5 注浆工艺

钻孔采用ф157 mm钢制护管跟管干式钻进，成孔直径为150 mm。成孔后，在套管内下入袖阀管，袖阀管露出地面30 cm左右，注入套壳料，套壳料采用膨润土现场配置，配比(重量比)为水泥∶粉性黏土∶水=1∶1.5∶2。套壳料注满后，快速拔出套管，然后连接注浆设备注浆。注浆结束后采用1∶2水泥砂浆封口，封口的长度应保证在1.5 m以上。

袖阀管施工工艺流程如图9所示。

图9 袖阀管施工工艺流程Fig.9 Procedure of sleeve valve pipe construction technology

5 注浆效果检验

上述两组配比的浆液在塌陷区及试验段进行了应用。经跟管引孔和开挖情况验证，2组浆液均能满足加固要求。

5.1 跟管引孔检验加固效果

对塌陷区地表注浆区域进行了跟管引孔检验加固，效果如下:

1)对比加固前后的引孔施工可知，加固前单节1.5 m长钻杆钻进仅需10 s，期间存在掉钻情况;加固后成孔难度加大，单节钻杆需60～80 s，同时在引孔过程中存在抬钻情况。

2)对比加固前后出渣情况可知，加固前引孔基本不出渣或出渣较少;加固后引孔出渣较多，渣样表面黏附有水泥等黏结料，土层密实度有了显著提高。

3)引孔后拔出护管前，对引孔深度进行了实测，而后对加固深度范围内的护管进行了拔除，间隔30 min后，再次实测孔深，孔深未变化，说明孔壁土体自立性较好。

4)孔内拍摄图像显示(见图10)，加固区孔壁较为光滑，可见明显加固浆脉。

图10 钻孔壁Fig.10 Drill hole wall

5.2 塌陷区隧道开挖过程加固效果检验

掌子面开挖进入原状土后，拱顶以上袖阀管周边可见明显的注浆固结体，卵石全部被固结成块(见图11)，拱顶以下掌子面1～2 m范围内亦可见明显注浆固结体，部分固结体仍有一定的可塑性，但已将周边土体固结成整体，可满足暗挖施工要求。

6 开挖支护方案及专项措施

6.1开挖支护方案

塌陷区暗挖采用正台阶预留核心土法，初支参数见表7。

表7 塌陷区初支参数Tab.7__ Primary support param eters of collapse area

6.2 专项措施

1)为加快初支封闭速度，减少围岩暴露时间，同时减小打设小导管对拱顶土体的扰动，格栅架设完成后，在超前小导管打设部位预留PVC导向管，而后对除核心土之外的工作面和掌子面喷砼封闭。在喷砼形成强度后，再进行超前小导管的打设及注浆施工。

2)加固范围内注浆体的均匀性不甚理想，有些部位注浆体强度较高，而局部注浆体强度尚未完全形成。为此，采取如下针对性措施:

在开挖前，沿拱顶倾斜向上进行人工开挖探孔，一方面掌握掌子面及拱顶一定范围的加固情况;另一方面，局部暴露加固体，通过隧道内的通风系统改善养护条件，提高塑性注浆体强度。

掌子面开挖后，根据加固效果，动态调整小导管的布置。对拱顶注浆体已形成强度的区域，可适当减少小导管。对拱顶局部加固不均匀或尚未形成一定强度的区域应加密小导管布置。

7 结论

针对乌鲁木齐地铁1号线三工站—宣仁墩站区间隧道施工难题，提出了一套适用于浅埋隧道穿越无胶结卵石区段的施工技术，其中袖阀管地表注浆措施是穿越工程的关键技术。经跟管引孔和围岩揭露情况检验结果证明，袖阀管注浆方案可控制注浆范围并保证注浆质量，大大增强了土体的稳定性。

目前，区间隧道已顺利通过该人工填土区段，说明研究提出的袖阀管注浆方案、正台阶预留核心土法、支护方案和专项措施等适用于该地层隧道施工，达到了安全施工的目的，为隧道穿越以无胶结卵石为主的人工填土区施工积累了经验、提供了技术保障。

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(编辑:郝京红)

Construction Technology of Metro Tunnel Crossing Artificially Filled Pebble Stratum

WAN Fei1，ZHANG Xuchang2，TENG Haibo3
(1.Research Institute of Highway，Ministry of Transport，Beijing 100088; 2.Xinjiang Beixin Road＆Bridge Group Co.，Ltd.，Urumqi830011; 3.Shanghai Foundation Engineering Group Co.，Ltd.，Shanghai200002)

Instability has occurred formany times when the tunnel from Sangong Station to Xuanrendun Station in Line 1 of UrumqiMetro passed through the areaw ith artificially filled pebble soil.The original construction schemewasmodified to solve the instability.It is proposed that the surface sleeve valve pipe groutingmethod of underground construction should be adopted，and the grouting order，ratio of grouting material，grouting process control，excavation method，support scheme and special measure were determ ined.It proved that the surface sleeve valve pipe groutingmethod of underground construction can significantly reinforce soil，and the risk of tunnel instability，appearing in the stage of excavation and supporting，was greatly reduced w ith grouting pre-reinforcement.

metro tunnel;artificial filled soil;pebble;sleeve valve pipe grouting

U231.3

A

1672- 6073(2017)02- 0063- 07

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.013

2016- 11 02

2016 11 21

万飞，男，博士，助理研究员，主要从事隧道及地下工程方面研究，dyw f5167@163.com

中央级公益性科研所基本科研业务费专项资金项目(2016- 9014)