注浆加固地层技术在兰州地铁区间的应用与研究

李延贵

(中铁一院集团兰州铁道设计院有限公司,甘肃 兰州 730000)

随着我国城市轨道交通建设的快速发展,地铁隧道的总里程也在不断增长。在隧道施工中往往面临着较为复杂的工程地质条件,例如在含水量较高的地层中修建地铁隧道,围岩经地下水长时间浸泡导致性质改变的情况时有发生,极大的降低了施工的安全性[1]。因此有必要对渗水后隧道围岩的综合处理措施技术展开研究。

有关围岩长时间浸水引起软化的处置技术主要有围岩冻结、增加排水井以及地层注浆等措施,但冻结加固围岩的方法往往存在冻胀和融沉的问题,过量的冻胀或融沉会对地表建筑、地下结构和管线产生极大的影响[2-3]。增加排水井是通过抽排地下水,使区域地下水降至基底以下来保证隧道安全施工的措施,该方法的缺点是地下水降深大,可能引起隧道周围一定范围的地表沉降[4-5]。地层注浆则是通过向隧道上方一定范围的土层内注入高压浆液,将土体中的孔隙水排出且通过浆液与地层中的土颗粒发生物化反应,从而达到加固地层的目的。从地表沉降的控制角度来说,注浆加固较为理想。

目前,注浆加固在理论层面主要有渗透注浆、劈裂注浆、压密注浆以及加固注浆等理论,这些理论主要研究了注浆前后被注入介质的渗透性和物理力学特性的变化[6]。邹金锋等[7]在扩孔理论的基础上,研究了劈裂注浆的的扩孔半径;张淼等[8]研究了不同初始地应力条件下劈裂注浆压力以及塑性区大小的变化;周伟军[9]采用迂回导坑、注浆和管棚加固等综合措施针对白云隧道突水、突泥情况进行了处理;钱庄等[10]提出了采用袖阀管地面注浆技术对溶洞进行预加固处理;来弘鹏等[11]采用二重管无收缩注浆技术对西安地铁浅埋暗挖区间黄土隧道进行了预加固;刘俊成[12]采用水平旋喷桩技术对地铁区间富水砂层进行了预加固处理;陈剑等[13]通过技术创新改进传统袖阀管双液注浆技术有效解决了堵管现象,降低了地层渗透性;许有俊等[14]采用数值模拟的方法对地铁上穿工程中的既有隧道结构周围土体合理注浆加固范围进行了研究;张长生等[15]依托原位注浆试验并结合场地土层注浆前后的室内土样物理试验与原位试验对注浆加固处理软土地基的施工技术进行了研究,以上工程实例所采用的注浆加固措施均保证了隧道施工的安全性。

从上述文献中不难看出,地表注浆加固技术在应对隧道软弱围岩施工中有着举足轻重的作用。所以面对本工程所出现的围岩渗水软化问题,将主要采用地表注浆加固的方式进行处理。

1 工程概况

兰州市地铁1号线东岗站后配线区间(ZGK0+164～ZGK0+043.013)为单洞双线隧道,原设计中洞内采用双侧壁导坑法进行暗挖施工,初期支护体系采用0.5 m榀格栅钢架+超前小导管注浆+Φ89大管棚支护体系。2014年9月在东岗车站东侧后配线方向,当基坑开挖至地面以下9 m位置时,基坑侧壁发生涌水、涌泥。之后车站内该位置长期有渗流水,但经现场排查未找到水源。之后东岗站后配线区间隧道在2015年7月、8月2次开挖过程中,洞内出现了2次较大渗水现象,经勘察同样未找到水源来向。前期地质勘探所得的土层分布范围及特性见表1。

表1 土层分布范围及特性

该地区地下水水位高程在1 502.81～1 503.38 m,层厚在12.3～15.0 m之间,最大季节冻土深度103 cm。

隧道渗水发生后,为明确现阶段土层物理力学特性,对该区间地层进行了补充勘测。此次施工勘察在折返线北侧隧道东西两端布置完成钻孔2个,编号为BZ1、BZ2,深度分别为12.7 m、13.2 m。该钻孔位置分别与前期东岗车站及折返线勘探点X4S-34、X4Z-276毗邻,然后将上述相邻钻孔土体的物理力学参数进行了对比,分别见表2～表4。

表2 各钻孔含水率及对比情况

由表2可知,含水率前后对比普遍增加,垂直深度3～6 m范围变化较大,增加值4.4%～12.3%,6 m以下变化量较小,差值-1.7%～4.4%,6 m以上地层含水率增加明显;BZ1钻孔附近含水率增加了1.5%～12.3%,BZ2钻孔附近增加了-1.7%～7.4%,BZ1钻孔附近比BZ2钻孔附近含水率增高较多。

表3 各钻孔液性指数及对比情况

由表3可见,液性指数在水平和垂直方向均有大幅增加,BZ1钻孔增加值在0.26～1.03,BZ2钻孔增加值在0.11～0.81,对比可见,土体变软明显。

表4 各钻孔标准贯入击数及对比情况

由表4可知,标准贯入击数在孔深范围内均有所减少,减少幅度5～7击,因此,浸水后土体变软。

同时根据试验资料,BZ1、BZ2钻孔湿陷系数在0.002～0.006之间,属非湿陷性土层,X4S-34湿陷深度9.0 m,湿陷系数0.004～0.049,为湿陷性土层,前后对比可见,土体湿陷性减弱。

从数据资料看,含水率、液性指数增加,湿陷性减小,标准贯入击数减小,土体变软,暗挖折返线段垂直方向上,比较明显的地段主要集中在3～8 m,8 m以下含水率、液性指数、湿陷性及标准贯入击数变化相对较小,但土体性质仍有小幅减弱。

现场补充勘探证明:地层土含水率,液性指数等物理力学参数均已发生改变,后期施工存在着较大的安全隐患。

2 后配线区间地层加固方案

为确保后配线区间隧道开挖时围岩的稳定性,经后配线专题专家会决定采用水泥-水玻璃双液浆进行地表注浆加固,同时采用增加交通疏解、增加排水井、给水管管箍等辅助措施进行综合治理。

2.1 地表注浆加固方案

(1) 浆液类型 水泥-水玻璃双液浆。

(2) 注浆范围及间距 根据专题专家会,首先对东岗站后配线区间试验段(ZGK0+164～ZGK0+144)地层土体采用水泥-水玻璃双液浆进行加固,以验证注浆效果。加固范围为东岗站后配线区间隧道中线以北至隧道外轮廓线2 m的区间左上方土体,注浆深度为自来水管线管底以下0.5 m至隧道开挖轮廓线以内1.5 m。注浆孔间距1.5 m×1.5 m,孔径10 cm,采用梅花型布置,孔深9.87～11.75 m。地表注浆剖面如图1所示,地表注浆孔平面布置如图2所示。

图1 注浆加固范围剖面图(单位:mm)

图2 注浆孔平面布置图

(3) 注浆压力 根据现场试验注浆压力应控制在1.5～1.8 MPa,单位时间注浆量应控制在15～30 L/min。

(4) 浆液材料 水泥浆水灰比(按质量)为1∶1,水玻璃的浓度为15～20 Be,水泥浆与水玻璃设计的综合配比(按体积)为1∶0.5。

(5) 注浆量 由于浆液的扩散半径与围岩孔隙很难精密确定,只能按以往施工经验及工程地质、水文条件、注浆压力进行注浆量的计算及浆液注入量的控制,注浆总量计算公式为

Q=Anα(1+β),

其中:Q为总注浆量(m3);A为注浆范围体积(m3);n为孔隙率(%)(按地质报告加权平均后取43%);α为浆液填充系数(取0.8);β为注浆材料损耗系数(取1.1)。经计算得,单孔注浆总量约在0.45 m3。

(6) 注浆钢管 注浆管采用外径42 mm,壁厚3.5 mm的热轧无缝钢管,注浆钢管构造如图3所示。

图3 注浆钢管构造(单位:mm)

2.2 现场注浆试验

(1) 注浆前准备 注浆前应将所需钻孔机械、注浆泵、浆液搅拌桶、无缝钢管等注浆机具准备完毕,然后进行施工放样,施工放样应放出隧道中线和注浆区边线的位置,并将注浆区外边线撒白灰线做标记。最后进行注浆孔布设,注浆孔采用梅花形布置,孔间距1.5 m×1.5 m,每个钻孔点撒白灰进行标记。上述工作完成后在注浆孔上布置钻机进行钻孔作业(孔位偏差不超过±10 cm),钻机应固定平稳,在开钻前需确保钻杆垂直度(垂直度偏差不大于1%)。

(2) 施工顺序 为防止邻近孔位在注浆过程中发生浆液串流,注浆孔应间隔施工,具体的工艺流程如下:

钻孔:根据先前测量放线确定的钻孔位置,固定钻机,钻孔时应一次钻至设计孔深;

清孔:注浆孔钻至设计孔深后,采用高压空气进行清孔作业;

下注浆管:将注浆管放入孔内,应保证钢管外漏20 cm,然后将钢管与注浆孔之间的缝隙用灌注填料(水泥砂浆)封闭;

待凝:为防止注浆时浆液溢出,填缝料需养生至足够的强度;

注浆:将注浆管与钢管端部的对丝连接,检查二者连接牢固后即可开始注浆。

(3) 注浆结束标准 注浆压力稳定后,保持注浆压力3～5 min,方可结束注浆。如若发生跑浆,不能达到预定的注浆压力,应暂停该孔的注浆作业,待浆液稍微凝固后继续开始注浆,完成注浆后需封闭注浆孔。

(4) 注浆效果检查 第一,要求加固后的土体无侧限抗压强度不小于0.5 MPa,渗透系数不大于1.0×10-6cm/s。第二,注浆完毕后,使用洛阳铲进行超前探测,孔深大于2 m,检测止水效果,效果良好的情况下,按照设计图纸开挖,架设临时支撑,否则,进行补浆。

2.3 其他加固措施

(1) 交通疏解 为减少行车荷载对暗挖区间隧道的影响以及为地面注浆加固提供施工场地,将现东岗站南侧疏解道路东段跨越车站后改移至北侧。疏解道路长91 m,宽8.5 m,具体情况如图4所示。

图4 交通疏解图

(2) 增设排水井 为降低地层含水量,在区间北侧设14个排水井,以5 m的间距依次排开。排水井深27 m,内壁为混凝土实心管,井底至地下水水位线用砾石填料填充,结构剖面如图5所示。

(3) 设置水管管箍 暗挖隧道上方Φ600自来水管为铸铁承插式接头,开挖过程中必会产生沉降,为了确保施工安全,对每个自来水管接头进行重新加抱箍加强,每6 m增加一个供水管箍。供水管管箍加固剖面如图6所示。

3 注浆效果的评价与检验

注浆效果是指地层中注入浆液的实际状态与设计状态的吻合程度,以及注浆后被加固地层的物理力学特性(土体密度、渗透系数、空隙率)的变化情况。注浆工程是一个非常复杂的隐蔽工程,实际工程中经常出现未加固的区域。所以注浆效果的评价与检验是整个注浆工程中必不可少的重要环节。注浆结束后,在使用洛阳铲完成超前探测的基础上,通过研究注浆过程中注浆压力、拱顶及地表沉降量随时间的变化趋势,对注浆加固效果进行综合评定。

3.1 P-t曲线法

施工过程中应当每隔一定时间认真记录注浆时的压力值,挑选试验段部分注浆孔的压力数值,绘制注浆压力随着时间的变化曲线,如图7所示。

图5 排水井结构剖面图

图6 供水管管箍加固剖面图(单位:mm)

由图7可知,整个注浆过程中P-t曲线的变化趋势大致可分为3种,即渗透-挤密、渗透-劈裂-挤密、渗透-劈裂-挤密-再劈裂-再挤密。图7(a)中,在注浆前20 min,注浆压力近乎线性增长,浆液先完成了对地下水的挤出和自身的入渗过程。随后注浆压力开始相对缓慢的增加,说明浆液在地层孔隙中正进行连续的扩散运动,被注入的介质得到了充分的压密,最后注浆压力达到设计终压。

由图7(b)可知,在注浆的开始阶段,压力数值仍然呈线性增长,处于对地下水的挤出和自身的入渗阶段。然而当注浆压力达到某一水平时,均出现一次注浆压力减小的过程,这说明地层中相对软弱土体的既有结构遭到破坏,出现注浆劈裂现象,并在地层中产生了新的浆液流通通道。随着注浆压力的进一步增大,在新产生的浆液通道中又开始一个新的被注入介质的挤密过程,直至达到设计终压。

图7 试验段注浆孔P-t曲线

由图7(c)可知,与图7(a)和图7(b)中注浆开始时注浆压力随时间的变化趋势类似,在注浆前20 min,注浆压力有一个快速增长的过程,然后注浆压力开始出现下降,产生了第1次注浆劈裂现象。之后随着注入浆液的增加,注浆压力开始进一步增大,第1次注浆劈裂后形成的新的孔隙结构不能抵抗注浆压力再次发生破坏,地层相对软弱的土体被再次压缩,软弱土层结构得到再次压密。

通过对P-t曲线变化趋势的分析得出,地层结构中存在部分较为坚硬的孔隙结构,注浆过程中很难将其破坏,浆液只能在既有的孔隙通道中挤压、填充。同时对于地层中所存在的软弱部分,注浆浆液完成了1次甚至2次劈裂注浆加固,该过程完全破坏了软弱地层中既有的孔隙结构,使得浆液与地层土体得到了充分的混合。

3.2 掌子面揭露围岩分析

在分析P-t曲线初步判断围岩加固效果良好的基础上,重新开始试验段隧道开挖。开挖后掌子面的土体情况如图8所示,在图8中可以看到围岩中的软弱夹层和孔隙被浆液填充并形成了清晰可见的浆脉,掌子面湿润无流动水,地下水得到了有效封堵,浆液存留在了目标加固区。

图8 掌子面开挖后的浆脉表观

3.3 地表及拱顶沉降

对地层进行注浆加固,一方面是为了确保区间隧道开挖及运营的安全,另一方面是为了减少开挖引起过大的地表沉降。为了进一步检验注浆加固效果,在隧道拱顶和地表布置了沉降监测点,目的是对开挖过程中各个测点的位移变化进行实时监控。

(1) 拱顶位移 试验段区间隧道开挖过程中的拱顶竖向位移随开挖时间的变化趋势如图9所示。试段长20 m,并且每隔4 m在拱顶布置一个沉降标点。

由图9可知,隧道开挖初期,拱顶位移下沉速率较快,最快达到2 mm/d,随着时间的推移,各个测点的累计沉降量很快达到最大值,拱顶各个测点总沉降量在8～11 mm之间,满足隧道安全施工的要求。

(2) 地表及管线沉降 试验段地表及管线沉降测点布置如图10所示,图10中GS01-1～GS05-1为设置在供水管线上方的沉降标点;DB01-1～DB05-1为隧道中线上的沉降标点;DB01-2～DB05-2为未加固地层区域的沉降标点。考虑到管线对于沉降的要求较高以及地表沉降量最大值一般处于隧道中线上方,因此将供水管线和区间隧道中线上方的沉降值作为研究重点。

图9 拱顶沉降

图10 试验段地表及管线沉降测点布置

DB0X-1和GS0X-1的沉降值随时间的变化趋势分别如图11和图12所示。由图11、图12可知,在注浆阶段试验段地表产生了轻微的隆起现象,在隧道中线上方最大隆起量约3 mm;在管线上方最大隆起量约2.5 mm,地表隆起量很小。在隧道开挖阶段,地表隆起量消失,开挖前期地表累计沉降量增长迅速,在第30天后总沉降量开始趋于稳定,最大值不超过6 mm,小于管线变形控制标准(有压管线最大允许沉降值不超过10 mm)。

4 创新点

(1) 一般来说对隧道软弱围岩进行注浆加固,多数工程采取隧道全断面注浆加固的方法,但在此工程中,将管线和隧道中线上方的地表沉降作为控制重点,仅对隧道中线以北的地层土体进行了注浆加固。研究中试验段及剩余隧道的开挖实践证明,该方法同样满足隧道施工的安全性要求且节约了建设成本。

图11 地表测点(DB0X-1)累计沉降量随时间变化曲线

图12 管线测点(GS0X-1)累计沉降量随时间变化曲线

(2) 通过研究注浆压力随时间的变化曲线(P-t曲线)实现了对注浆效果的定性预判。

5 结语

实例工程通过采用地表注浆加固、增加排水井、增加交通疏解以及加强给水管管箍等一系列措施,对地下水入渗引起的围岩软化进行了综合治理。并通过研究P-t曲线、地表及拱顶沉降监测数据以及掌子面围岩等,证明了该注浆加固方案的可行性和有效性。在试验段及剩余隧道的开挖过程中取得了良好的经济技术效果,工程中所采取的技术措施可为类似工程提供一定的参考。