地铁隧道穿越断层破碎带预注浆加固技术研究

闫成伟 张浩然

(济南力稳岩土工程有限公司，山东 济南 250000)

1 概述

近年来，我国城镇化和城市规模快速发展，城市地铁进入大规模建设阶段。城市地铁建设过程中，经常会穿越断层破碎带等不良地质体，由于地质条件的复杂性，在施工扰动等因素下，极易发生溃砂、塌方、地表塌陷等灾害，造成人员伤亡以及经济财产损失[1-3]，如杭州地铁风情大道塌方事故、佛山地铁盾构区间塌方事故等。

注浆具有堵水、提高岩体强度以及增强岩体抗变形的作用[4-7]。目前，针对地铁穿越断层破碎带等不良地质体的治理通常采用超前预注浆的方式，而如何合理的设计注浆参数和选择注浆材料，关系到断层破碎带等不良地质体治理的成败[8]。通过超前预注浆，充填破碎岩体，形成完整的注浆加固圈，可有效保证地铁隧道开挖过程中的安全性和稳定性[9]。

通过青岛地铁4号线人民会堂站F1断层破碎带超前预注浆工程实践，开展浅埋大断面地铁隧道穿越断层破碎带预注浆加固治理技术研究，探索治理浅埋大断面地铁隧道穿越断层破碎带的有效手段，包括注浆钻孔设计、注浆材料选择等关键参数，以期为类似工程提供参考。

2 工程概况

青岛地铁4号线人民会堂站位于市南区太平路正下方，为浅埋暗挖车站(埋深15 m)，处于青岛核心旅游风景区，临近海边，交通较繁忙，车流密集，临近人民会堂等重要建筑物；同时车站位于人流密集老城区，老旧房屋密集，在隧道开挖影响区域上方分布有500 m×500 m给水管线、污水管、雨水管、路灯管线、电力管线，局部分布有热力管线。

该区域以第四系不发育填土为主，厚度小于2 m，局部基岩呈半裸露状，以中风化花岗岩及块状碎裂岩为主，节理较发育，多呈碎裂状、散体状，围岩自稳性较差，拱顶处理不当容易发生较大垮塌，侧壁常发生小坍塌，在爆破震动过大时容易发生坍塌。暗挖车站在施工中会受到F1断层破碎带影响。

3 治理难点分析

1)开挖断面大(20 m)，覆岩厚度小(2.6 m)，覆岩以上地层为富水砂层，开挖存在拱顶溃沙塌方风险。

2)隧道穿越砂层，断层破碎带围岩性质复杂，自稳能力差，注浆加固效果要求高。

3)洞内溃砂造成车站上方地层损失，严重时可发展成地表塌陷，管线断裂破坏。

4)管线埋深浅(1 m～3 m)，且路面交通繁忙，注浆与地表交通相互影响。注浆过程中需在保证通道开挖安全的前提下，严格控制地表隆起及管线变形。

5)断层导通海水，Cl-等海水离子不断侵蚀断层破碎带及车站结构，对治理材料具有特殊的抗腐蚀要求。

4 注浆设计

针对青岛地铁4号线人民会堂站工程水文地质条件、周边建筑物及管线情况以及F1断层破碎带地质特点分析，提出先探测后注浆、地表与洞内联合注浆的综合治理方案。

治理前期采用地质雷达、瞬变电磁等多种物探手段，对地表注浆治理区域进行大范围的探查，确定管线走向及方位；治理后期采用探沟挖探方法对风险性较高的区域进行准确探查，尤其是分布于管线周边的钻孔位置，防止钻孔误打到管线的危险。

地表采用垂直注浆孔，加固隧道开挖面正上方开挖影响区域，洞内通过超前注浆加固拱顶侧边部位及常规区域，其中地表注浆应优先于洞内注浆，其目的是最大限度降低拱顶钻孔溃砂风险。另外，在洞内布置地表注浆加固区域的检查及补充注浆孔，保证注浆加固无盲区。

通过全断面帷幕注浆对隧道开挖影响区域进行超前加固，重点加固隧道拱顶影响区域，综合分析水文地质资料、监测资料等多元信息，动态确定注浆加固区域范围及关键注浆参数，最终在隧道拱顶和两侧形成以劈裂浆脉为主的注浆加固圈，确保隧道围岩稳定性，保证隧道安全开挖。

4.1 钻孔设计

4.1.1地表注浆钻孔设计

地表注浆加固区域宽度15 m(路面宽度)，高度6 m，注浆分段长度3 m，钻孔间距1.2 m，每排13个注浆孔，共计97排；采用袖阀管注浆工艺，分为两序孔，一序孔采用套管+膜袋+袖阀管的联合注浆方法，通过向膜袋内注入速凝固结材料使模袋涨开并压密地层，以形成人工止浆岩盘；考虑一序孔膜袋的压密作用，二序孔仅采用袖阀管注浆，内插于一序孔。具体如图1,图2所示。

4.1.2洞内注浆钻孔设计

洞内通过超前注浆加固拱顶侧边部位及常规区域，加固段每循环加固长度为15 m，开挖长度为12 m，留设3 m注浆段为下一循环的止浆岩盘。

为避免注浆盲区，将每循环注浆段长度分为三段，分别加固0 m～7 m，7 m～11 m，11 m～15 m范围。第一环钻孔加固范围为0 m～7 m，第二钻孔加固范围为7 m～11 m，第三环钻孔及断面内注浆孔加固11 m～15 m范围。

采用梅花形布孔方式，孔底间距拱顶部分遇砂层为2.5 m，其余部分为4 m。具体如图2，图3所示。

4.2 注浆材料

选用水泥—水玻璃、硫铝酸盐水泥、普通水泥三种注浆材料。

考虑到断层导通海水，为防止海水离子对断层破碎带及车站结构的不断侵蚀作用，在车站两侧采用水泥—水玻璃和硫铝酸盐水泥材料，中间区域采用普通水泥和硫铝酸盐水泥材料，在保证车站开挖安全和稳定性的前提下，尽可能的降低施工成本。

水泥—水玻璃浆液配比为W∶C=1∶1，C∶S=3∶1～4∶1，用于控制浆液扩散范围，形成人工止浆墙，防止浆液向加固区域外围扩散；硫铝酸盐水泥浆液配比为W∶C=1∶1，抗海水侵蚀，加固断层破碎带；普通水泥浆液配比为W∶C=1∶1，价格低，补充加固断层破碎带。

5 注浆加固效果

目前帷幕注浆已实施完成部分循环，从注浆段开挖情况来看，帷幕注浆方案能够有效加固断层破碎带，注浆加固后围岩较稳定，能够保证地铁隧道开挖安全。

6 结语

1)对于浅埋大断面地铁隧道，采用先探测后注浆、地表与洞内联合注浆的综合治理方法是治理断层破碎带塌方的有效手段。

2)对于临海断层破碎带，为防止海水离子对断层破碎带及车站结构的不断侵蚀作用，可考虑在车站两侧采用水泥—水玻璃和硫铝酸盐水泥材料，中间区域采用普通水泥和硫铝酸盐水泥材料，在保证车站开挖安全和稳定性的前提下，尽可能的降低施工成本。