地铁岩溶地段超前预注浆技术分析

秦玉开

(中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 顺义 101320)

1 引言

我国人口众多，城市人口密度大，随着生活水平的不断提高，城市化进程逐年加快，因此，由城市人口大幅增加所造成的交通拥挤等一系列城市问题急需得到解决。自1863年伦敦市修建世界上第一条地下铁道以来，地铁便成为全球各大主要城市基础建设的重要内容，并逐渐演变成现代化大都市的标志。

在地铁隧道开挖过程中经常会遇到复杂的地质情况，如岩溶、断层、地下暗河等，这些不良地质情况对修建地铁隧道及保证后续地铁附属设施的安全稳定产生严重影响，所以在地铁选线过程中，应尽可能避开不良地质体，以减少其带来的不必要安全隐患。但在有些城市，由于其城市结构、地形地貌及人口分布的特殊性，在地铁修筑的过程中不可避免的要穿过岩溶区，此时就应对岩溶区修建地铁隧道提出安全合理的处治措施。

本文以某市地铁二号线穿越岩溶区段为工程背景，根据该段地铁隧道的拱顶沉降监测数据，结合注浆加固原理和浆液渗透理论，通过分析注浆材料和注浆参数，得到岩溶区段注浆后形成的复杂受力状态特征和位移变形分布规律，最终给出地铁隧道穿越岩溶区合理的处治方案。

2 注浆加固机理与技术

2.1 注浆材料选取

注浆所使用的浆液由主剂、溶剂及外加剂按一定比例混合配制而成。根据主剂分类，浆液可分为化学浆液与非化学浆液，主要有普通水泥浆液、水玻璃类浆液、水泥-水玻璃混合浆液、黏土-水泥混合浆液、丙烯酰胺类浆液、聚氨酯类浆液、尿醛树脂类浆液和铬木素类浆液等。对于地层间砂砾石颗粒较粗、层间间缝隙尺寸较大的区域，宜采用水泥浆液或黏土-水泥混合浆液作为灌注材料；而对于地下水丰富区域，宜采用胶凝时间较短的水泥浆液作为灌注材料。

2.2 注浆参数的确定

注浆过程涉及到注浆参数的确定，包括：注浆压力、注浆量、扩散半径和注浆段长度。

(1)注浆压力：注浆压力指浆液克服流动阻力，在地层间扩散、充填和压实所需力。注浆压力与注浆地点的水头压力、岩土体孔隙状态、土层与浆液之间的摩擦系数、注浆断面面积、浆液凝固时间等因素有关，并没有统一标准，通常根据现场注浆试验来确定，注浆压力的确定还需综合考虑如下因素：

①满足不同注浆方法的要求，如劈裂注浆法、渗透注浆法、压密注浆法等；②尽可能在最少注浆量的同时满足强度要求，从而实现注浆最优化；③当浆液黏度较大或胶凝时间较短时，可适当增大注浆压力，反之则应适当减少注浆压力；④考虑对周围管线与建筑物的影响，若管线复杂或地表构筑物易损坏，则采用低压注浆。

(2)注浆量：注浆量是指注入地层中浆液的使用量，可分为单孔注入量与注浆段总注入量，注浆量应根据工程地质概况、水文条件、注浆方案、所选浆材和预期注浆效果来确定。

(3)扩散半径：扩散半径是指在注浆压力下，浆液从注浆孔沿地层间孔隙向四周扩散，逐渐填满地层孔隙，最终凝结硬化岩土体的范围，可近似认为注浆范围呈球形分布。

(4)注浆段长度：根据注浆方式可分为全段一次注浆与分段注浆，分段长度不同，所取得的加固效果、消耗的经济成本、施工的难易程度不一样。所取段长越短，注浆压力作用越显著、浆液扩散越均匀、加固效果越好。

2.3 注浆复合地基受力变形特性

加固区等效桩体破坏包括以下三种破坏形态：

(1)屈曲破坏：当注浆浆液直达坚硬岩层上部，且天然土层性质软弱时，固结体由于缺乏侧向约束作用，在上部荷载作用下主要表现为纵向挠曲破坏，由于注浆并未配置纵向钢筋，故其强度主要取决于浆液本身黏结强度与浆液扩散半径。

(2)整体剪切破坏：当注浆浆液达到坚硬岩层，且注浆孔与注浆孔之间天然土体抗剪强度较高，同时注浆深度较浅时，认为此时固结体受到一定的侧向约束作用，固结体底部土体形成滑动面而出现整体剪切破坏，强度主要取决于注浆区底部坚硬岩层的承载能力。

(3)刺入破坏：当注浆浆液未达到坚硬岩层，且固结区周围土体性质均匀，强度均较低时，在上部荷载作用下将出现刺入破坏。

3 地铁隧道岩溶段地面预注浆处理技术研究

3.1 注浆设计

(1)注浆范围：本文岩溶形状近似为长方体，考虑到堵水加固的目的，为避免勘察的不完全性，注浆的范围大于溶洞本身范围。在岩溶两端沿隧道轴向各延伸3 m，注浆注浆段起讫里程为AK3+217～AK3+253；在垂直于隧道轴向方向，考虑到地铁隧道的安全稳定性，以隧道轴线为中心线，向两边各延伸隧道直径的1倍，即两边各延伸12 m；在岩溶高度方向，其最大高度为21 m，由于隧道顶部土层厚1.05 m，隧道底部土层厚13.95 m，隧道直径6 m，因此高度方向注浆23 m，其中隧道顶部以上注浆2.0 m，隧道底部以下注浆15.0 m。也即注浆最大范围为36 m×24 m×23 m。在钻孔注浆过程中，沿竖向打到岩层内部2 m深度范围内即可。

(2)注浆材料：由于岩溶内部充填物主要为红黏土，且夹有少量石灰石碎屑，浆液很难通过渗透注浆方式注入，故选择悬浊型浆液，采用劈裂注浆方式进行注浆。选用水泥-水玻璃(CS)浆液，可方便调节胶凝时间，水泥采用425号新鲜普通硅酸盐水泥，无受潮结块现象，注浆用水可选择自来水厂饮用淡水，但要严格控制注浆用水的酸碱度，水灰比选用1∶1，水玻璃要求符合国家标准。

(3)注浆孔布置：全孔采用Φ110套管，Φ108钻头钻进，护壁套漏出地面0.5 m。注浆管间距1.5 m，多排注浆孔布置，注浆孔采取梅花形排列，由岩溶外围逐渐向里推进，共钻孔400个。

(4)注浆方式与注浆分段长：采用地面预注浆方式，由于岩溶上部有6 m厚的岩层，考虑采用分段上行式注浆。注浆分段长为4 m，当岩溶高度不足4 m时，采用全段一次注浆。

(5)胶凝时间与注浆压力：岩溶内含水，但并未发现涌水现象，因此胶凝时间取3 min。由于岩溶区域地层大部分为红黏土层，注浆压力考虑取为0.6 MPa，并根据施工过程中出现的情况随时调整浆液压力。

(6)注浆量：浆液注入量应该保证充填率在50%左右，浆液注入量预设为4 m3/m。

根据以上各预设参数进行注浆，然后根据现场注浆实际情况调整相应参数，以期达到最优注浆效果。

3.2 注浆施工工艺

(1)施工准备：施工前对该岩溶段进行土层地质调查，详细了解该岩溶的大小与分布情况，以确定注浆孔布置以及浆液制备；对土层成分进行成分分析，确保浆液与土层中某些成分之间的化学反应对于注浆效果不会产生影响，如若出现不利影响，应及时调整浆液成分，避免与预期效果相差较大；调查对地下水分布情况，测定自然水位，求出土层渗透系数，避免出现泡浆情况。通过试验研究，分析地下水酸碱性对注浆效果、浆液胶凝时间、水泥硬度及耐久性的影响；对周边环境进行调查，详细掌握周边建筑物的基础类型，防止注浆施工期间对周围构筑物产生不利影响。调查地下水井分布情况，对饮用水源采取保护措施，防止浆液流入井中，做到不污染地下水。完成上述调查之后，组织施工人员清理施工现场，进行设备调试，孔位测设，制备注浆材料。

(2)注浆孔施工：搭建施工平台，采用多台MG-50高压旋喷钻机同时钻进，各钻机对准已测设好的孔位进行钻孔，要求孔位偏差不超过2 cm，钻孔一次性完成，钻孔深度应超过设计深度0.3 m以上。做好钻探详细记录，记录各钻孔钻进尺寸，岩土层变化区段，出现涌水位置等，根据钻进速度判断各岩土层强度。根据实际钻孔情况，整个钻孔过程中无涌水现象发生。

(3)安装注浆设备进行压水试验：安装完注浆设备之后，进行压水试验，注水量逐渐增大，注浆压力比设计终压大0.5 MPa，检查注浆是否有窜水、漏水现象出现，测定压水流量，测定钻孔吸水率，检查止浆塞止浆效果。根据现场实际检测结果发现注浆孔段吸水量Q为25 L/(min·m)，进水量不大。

(4)确定浆液配合比：根据压水试验所采集的试验数据，选取水泥-水玻璃浆液，采用42.5号普通硅酸盐水泥，水灰比为1∶1。在配方中加入所需添加剂，先将少量组分与中等量稀释剂混合，进行搅拌，再与大剂量浆液搅拌均匀，并在浆液中加入了适量惰性染色剂，为后续确定浆液渗透范围分析所用。

(5)注浆：注浆顺序先疏后密，先周边后中间，浆液密度由稀到浓交替进行。先开水泥浆泵将孔中的水压入裂隙，后开水玻璃浆液泵进行注入，实现双液注浆。注浆全过程观察并记录注浆量与注浆压力。当注浆压力达到设计的0.6 MPa时，若注浆流量稳定在100 L/min时，即可停止注浆。

(6)注浆效果检验：通过检验岩溶地层的渗透系数K值，发现除极个别钻孔注浆外，大多数注浆体渗透系数下降明显，说明注浆达到预期效果。标准灌入度试验测得N值明显增大，由刚开始灌入30 cm锤击9次增加到16次，也说明注浆达到了预期效果。

4 温克尔弹性地基模型求解沉降量

4.1 确定复合地基复合模量

由于采用地面预注浆，钻孔方位为垂直向下，所以可将注浆孔及周围浆液固结体看作具有一定强度的桩体，通过对岩溶范围内孔径周围土体取土分析，发现浆液中染色剂的扩散范围为0.8 m左右，最终取浆液有效扩散半径为0.6 m，取固结体弹性模量Ep为10 000 MPa，溶洞区域红黏土在地面预注浆施工之前弹性模量Es为5.33 MPa，取固结体密度为2 600 kg/m3。溶洞水平面面积为Ac=20×40=800 m2，固结区域面积Ap=400×0.6×0.6×π=452 m2。因此，复合地基面积置换率m为：

(1)

等效均质土层的复合模量Esp为：

Esp=mEp+(1-m)Es

=0.5655×10 000+0.4345×5.33

=5 657 (MPa)

(2)

等效均匀土层的复合密度表示为：

ρsp=0.5655×2 600+0.4345×1 700

=2 209 (kg/m3)

(3)

4.2 基于温克尔弹性地基模型隧道沉降计算

石灰岩层重度γ1为27.0 kN/m3，岩溶复合地基重度γ2为22.1 kN/m3，隧道自重约为50 kN/m，由此得到线性荷载集度为：

q=γ1h1b+γ2h2b+50

=27×6×6+22.1×1×6+50

=1 154.6 (kN/m)

(4)

式中：b为地基梁横截面宽度，m；h1为石灰岩层厚度，m；h2为岩溶复合地基厚度，m。

文中地铁隧道下卧层复合地基厚度H为14 m，再往下就是坚硬石灰岩层，地基基床系数可近似按下式求解：

K=bEsp/H

=6×5657÷14=2424×103(kN/m)

(5)

(6)

式中：L为基础梁的特征长度，m；λ为基础梁的柔度指标，无量纲。将EI=7.657×108kPa及所求得的地基基床系数K值代入式(6)，得到L=5.97 m，λ=0.168 m-1，由此可得：λl=0.168×30=5.04，l为地基梁的横截面长度。

查克雷洛夫函数表，可得到：φ1(λl)=-0.0041，φ2(λl)=-0.0062，φ3(λl)=0.0082，φ4(λl)=0.0021，同时l/2<3L，且梁整体受均布荷载作用，故可作短梁计算。因此，计算得到初始地基弯矩和剪力为：

(7)

将初始M0、Q0代入挠度方程中得到沉降计算公式为：

=-48.6φ3(x)-37.2φ4(x)+0.5(1-φ1(x))

(8)

查克雷洛夫函数表得到：φ1(λl/2)=-0.0184，φ2(λl/2)=0.0470，φ3(λl/2)=-0.1120，φ4(λl/2)=-0.0654。

将M0、Q0及所求的梁中点克雷洛夫函数代入下式求得梁中点沉降值为：

ω=-48.6φ3(x)-37.2φ4(x)+0.5(1-φ1(x))

=8.4 (mm)

(9)

查克雷洛夫函数表得到：φ1(λl/4)=0.3573，φ2(λl/4)=0.2698，φ3(λl/4)=-0.1825，φ4(λl/4)=0.0874。同理，结合初始弯矩与剪力M0、Q0，可求出梁四分之一节点的沉降值为ωx=7.5 m=5.9 mm。上面在假设隧道结构为两端固结在岩体中的矩形弹性地基梁条件下，求出了隧道结构纵向中点与四分之一节点沉降值，采用同样方法可求出隧道任意点的竖向位移值；对岩溶区段进行地面预注浆处理后，根据弹性地基梁理论计算得到隧道结构沉降曲线如图1所示，将注浆之前与注浆之后的隧道结构物沉降对比分析如图2所示。

图1 注浆后沉降解析解

图2 注浆前后沉降解析解对比图

图1和图2结果，经过地面预注浆处理之后，采用温克尔弹性地基梁模型分析结果为：注浆后沉降相对于注浆前沉降减小一半左右，说明了注浆提升了岩溶段地层的整体稳定性，且经过地面预注浆处理后，红黏土层物理力学性质得到了充分改善。

5 结论

(1)针对岩溶区段不能满足地铁隧道结构沉降要求的实际问题，对岩溶地段地面预注浆设计与施工进行了介绍。

(2)对于岩溶区段地铁隧道工程进行地面预注浆处理后，隧道结构的沉降在弹性模型与塑性模型下的计算值均表明隧道最大沉降量减少到可控范围内，几乎没有沉降差，注浆达到了预期效果。

(3)经过地面预注浆处理后，采用温克尔弹性地基梁模型可知，注浆后沉降值相对于注浆前沉降值减小一半左右，说明注浆起到了一定效果，同时也对地铁隧道起到加固作用。