北京地铁昌平线砂卵石地层深孔注浆的施工

齐 威

(中铁十八局集团有限公司，天津市 300222)

砂卵石地层空隙较大，承载力、强度、硬度等指标都难以满足施工要求，需要进行注浆施工技术来填堵砂卵石地层空隙，提升地质条件的均匀性。常用的地基注浆施工技术有四种，包括渗透扩散注浆、劈裂扩散注浆、裂隙填充注浆、挤压填筑注浆。四种注浆方法相比，渗透扩散注浆应用比较广泛，优势明显，其能够在不改变地质条件和原地质结构的基础上，只通过浆液的扩散作用，就能提升基础的承载力，起到加固土体结构和止水的双重效果，而且施工过程比较简单，施工效果好，能够很好地适应不同地质条件，具有良好的应用前景。现以北京地铁昌平线砂卵石地层深孔注浆施工为例来分析深孔注浆施工过程与成效。

1 工程简介

工程轨道交通昌平线二期工程水库路站区间段地质条件复杂，属于典型的砂卵石地层，施工难度较大，因此为保证施工质量和施工的安全性，采用暗挖法进行施工，隧道拱部地质主要为砂卵石⑤层，现场揭露地层：区间隧道拱部卵石含量大部分占50%～60%，小部分含量占70%～80%；中粗砂大部分占40%～50%，小部分占20%～30%；卵石粒径5%～30%，卵石最大粒径约50 cm，中粗砂为无水干砂，开挖时无自稳能力，开挖时极易发生坍塌，超前小导管打设困难，影响超前注浆加固效果。为确保开挖时拱部及土体的稳定及拱顶上方管线安全，更好控制地表及管线沉降，防止出现土体坍塌等，砂卵石地层取消原设计超前小导管超前支护，采用无收缩后退式(WSS)工法深孔注浆加固地层，2#井右线大断面、左线向东标准断面注浆范围平面示意图(见图1)。

图1 2#井右线大断面、左线向东标准断面注浆范围平面示意图

2 砂卵石地层深孔注浆施工

砂层及卵石层摩擦阻力大，容易发生抱杆断杆现象，针对具有较大扭矩输出的钻机，需配套相应的抗扭矩钻杆，选用φ50 mm双重管钻杆，再通过生产厂家的经验和现场的实践的数据，确定合理的螺距、齿宽度、齿间距、齿深度和齿间距，增加和提高钻杆丝扣连接处的抗扭性能，最大限度地减少断杆现象。图2为WSS工法深孔注浆流程图。

图2 WSS工法深孔注浆工艺流程图

2.1 设计止浆墙和注浆布孔

设计止浆墙是砂卵石地层深孔注浆施工的第一步，也是比较重要的一步。在本工程施工中，主要是通过经验数值法来取得止浆墙的厚度数值，并在每个循环注浆的端部都设置规格为1 500 mm×350 mm的止浆墙，通过C20混凝土进行挂网喷射[1]，锚杆选择了三级钢直径为22 mm的锚杆，呈现梅花桩布置，各锚杆之间的距离控制在0.5 m×0.5 m左右，止浆墙内部配置上双层钢筋网φ6.5@150 mm×150 mm，且保证搭接长度不小于150 mm，待混凝土强度达到设计强度75%之后再进行钻孔注浆操作。注浆布孔采用绝对坐标法布孔(见图3)，即将钻机对准掌子面开孔位置(坐标)，按设计的钻孔偏角和立角进行钻孔固定，按设计长度进行钻孔。综合考虑了工期、安全、费用等几方面，最终确定最优圆心角为120°[2]。

图3 绝对坐标法布孔示意图

2.2 设置注浆段落的长度

设置注浆段落是分段深层注浆施工的关键，对注浆量、注浆速度等深层注浆参数的确定非常重要。在本工程施工中为保证注浆质量，满足地铁施工对基础的需求，采用了“注浆一端、开挖一端、余留一端、端端推进、稳扎稳打”的施工原则，取得了良好效果。当注浆加固完成之后，为保证撑子面的稳定性，达到下一循环对止浆的要求，先余留一定的段落，对下一循环起到止浆墙的作用，以最大降低钻杆上挑角度、减小止浆墙和钻杆上方倒三角盲区的注浆效果，确保注浆质量。本工程注浆段落的长度控制在8～10 m之间[3],开挖端段落长度为L开=(0.7～0.8)L注，控制在5.6～8 m之间。余留段落长度L余=(0.2～0.3)L注，控制在1.6～3 m，通常取2 m。在整个开挖过程中，需要对撑子面跟踪观测，发现注浆效果不达标，无需达到设计的开挖段落长度，需要及时封闭撑子面，以进行下一循环注浆。

2.3 确定扩散半径和终孔间距

2.4 确定注浆量

在砂卵石地层深孔注浆施工中，确定浆液的扩散半径和砂层孔隙是重点与难点，需要结合铁路工程地质条件、水文条件、注浆方式、注浆材料等对注浆量合理估算，估算公式如下：

Q=Anα(1+β)

(1)

式(1)中，Q—深层注浆总量,m3；A—注浆范围体积,m3；n—空隙率,%；α—浆液填充系数,取0.7～0.9；β—注浆材料损耗系数。在具体施工中将nα(1+β)统称为注入率，可按照表1进行合理选择。

表1 注入率选用表

本工程单孔单段注浆的体积为：

A=π×R2×L注=3.14×0.6×0.6×10=11.304 m3

单孔单段总注浆量：

Q=11.304×50%=5.652 m3

2.5 注浆压力选择

为保证注浆施工质量，扩大注浆间距，减低注浆孔数，提升注浆速度，需要采用尽量大的注浆压力，以不能引起注浆压力过大。在本工程施工中，如果卵石含量在30%～40%之间，中粗砂的含量在60%～70%之间，则在开始注浆时，对初始压力严格控制，保证初始注浆压力不超过0.3 MPa，边注浆边增大注浆压力，终止注浆时，注浆压力达到最大，但最大也不应超过0.8 MPa。如果卵石的含量在60%～70%之间，中粗砂的含量在30%～40%之间，则初始注浆压力要控制在0.3 MPa以下，终止注浆时压力最大不应超过0.5 MPa。

2.6 控制注浆速度

在砂卵石地层深孔注浆施工中，注浆速度控制是否合理直接决定了注浆压力、注浆量等指标能否达到设计要求。注浆速度太快，必然会引起注浆压力增大，当达到注浆要求时，难以及时停止注浆，会造成终止注浆压力高于设计值，导致地表发生隆起问题[5]。但如果注浆速度太慢，则无法保证砂卵石地层深孔注浆施工的连续性。就本工程而言，在注浆过程中，为保证注浆效果，按照地质条件的不同，合理控制注浆速度，在粉质粘土地质结构注浆时，注浆速度控制在20～40 L/min之间，在砂砾石层注浆中，注浆速度宜控制在20～40 L/min内。

2.7 注浆结束标准

在砂卵石地层深孔注浆施工中，注浆结束标准有两个，其一单孔或者单孔单段注浆结束标准，如果在注浆中采取了定量注浆方法，达到设计注浆量时，就可以结束注浆。如果采取了定量联合定压注浆方法，则前序孔需要达到设计单孔单段注浆量的1.2～1.5倍时才能结束注浆[6]。其二是全端注浆结束标准，当所有的注浆孔都符合单孔或者单孔单段注浆时，才能结束注浆。此外，当注浆孔不存在漏注时也可以认为注浆结束。

3 砂卵石地层深孔注浆成效果

在砂卵石地层深孔注浆施工中遇到的问题包括堵管、跑浆、串浆等问题，为保证施工质量需要尽量避免这些问题的出现。如果无法避免，可从材料选择、操作、工艺、地质条件等方面同时入手，找到问题发生的原因，选择相应的对策。(1)钻孔和成孔难。本工程施工地层主要是卵石层，会影响钻孔速度，加大钻杆磨损速率，而且容易发生卡管、别管、断管等问题，从而增加成本，延误施工工期。为解决这一问题，需要合理调整钻孔孔位，拔出钻头重新钻孔，或者采用强度比较高的钻头和钻杆进行操作，以提升钻孔的成功率。(2)发生注浆管堵塞等堵管问题，解决对策是及时调整浆液配比，并清理发生堵塞管路[7]。(3)在砂卵石地层深孔注浆施工中浆液从撑子面冒出的跑浆问题，解决对策是提升止浆墙施工质量，调整浆液凝胶时间，采用AC或者AB浆液进行间歇式注浆。(4)浆液从周围注浆孔中流出的串浆问题，解决对策是降低注浆压力和注浆速度，保证注入的浆液能够稳定扩散。

本标段采用浆液注浆率反算法检查注浆加固效果，根据注浆记录及统计注浆量情况，注浆过程中利用浆液注浆率反算法验证注浆效果，均满足α>80%。其次，施工实践证明，双重管无收缩WSS注浆工法在大断面和区间标准断面开挖支护中作用显著，开挖揭示拱部及掌子面地层加固效果良好。特别是在隧道拱部位于无水砂卵石⑤层中，卵石含量高、拱部地层自稳性差，采用WSS双重管深孔注浆，对砂卵石地层进行了有效固结，确保土体稳定，减少了拱部坍塌，降低了施工风险，给类似工程提供了宝贵的数据经验[8]。双重管无收缩WSS注浆施工确保了施工安全、地面道路安全和管线安全，减小了地层沉降和管线沉降，对地面交通及建(构)筑物无影响，对地下环境及周边环境无污染，具有良好的社会效益。深孔注浆相比超前小导管加固地层，稳定性更好，安全性更高，对工人的安全有保障，WSS注浆工法经济效益表(见表2)。

表2 WSS注浆工法经济效益表

虽然在同地质、同条件下隧洞开挖100 m，深孔注浆相比超前小导管造价要高，但在实际开挖过程中，超前小导管加固地层稳定性较差，开挖过程中伴随各种不定性因素，小范围坍塌频繁，偶尔还会遭遇大塌方，对暗挖施工作业人员生命安全造成极大威胁。双重管无收缩WSS注浆工法综合效益显著，可以降低上述各种施工风险，实施性强，保证施工效率与安全性。

4 结 语

综上所述，本文结合理论实践，分析了北京地铁昌平线砂卵石地层深孔注浆施工，砂卵石地层结构复杂，难以满足地铁工程施工要求，采用双重管无收缩WSS注浆工艺，加固效果显著，而且还能大幅提升施工效率，缩短施工工期，减少地基发生沉降量，减低了施工风险和环境风险。拱部深孔注浆加固，具有一定压力，注浆前，掌子面需双层挂网喷锚形成止浆墙，并达到强度后方可布孔钻孔注浆；止浆墙喷锚面厚度最小不小于250 mm。卵石层钻孔过程中很容易发生因摩擦阻力加大而抱杆现象，此时可适当灌注WSS无收缩AB浆进行护壁处理，同时AB浆对砂卵石围岩具有很好的渗透固结效果，实践证明，值得大范围推广应用。