地铁隧道富水区回填土地层超前加固措施

陈小科

中铁二十一局集团第五工程有限公司 重庆 402160

1 、概述

富水区回填土成洞条件较差，隧道开挖后，洞顶围岩难以形成有效压力拱，隧道挖掘推进、衬砌施工难以进行，必须配合相应的辅助措施方能实施。同时，因填土自身的不均匀性，结构松散、架空明显，隧道掘进及衬砌施工中，顶部填土将发生二次应力调整，继而产生形变，地下水渗流路径改变，将带走新通道范围填土中的细颗粒，从而加剧填土变形，严重者可导致地面沉降，甚至发生坍塌，长久以来见诸报端的多个地面塌陷均发生在填土地层中。掌子面超前帷幕注浆配合自进管棚及小导管超前注浆可以有效填充填土层中的空隙、固结土体、封堵地下水渗流路径，从而提升填土层的自稳能力，改善回填土层中的成洞条件，减小隧道的沉降与收敛变形以及对周边环境的负面影响，并且提升了隧道施工的安全性。

2 、工程概况

重庆轨道交通10号线兰南区间深填土段隧道位于城市市政道路大石路下方，隧道埋深约为24m～33m，区段内少部分位于岩层内，其余大部分洞身位于回填土层中，隧道拱顶填土厚度约为24.1m～32.6m，隧道底板以下填土厚度约为0m～18.5m，区间采用暗挖法施工。回填土颜色为褐灰色，主要由粘性土夹砂岩、砂质泥岩碎块石组成，碎块石等骨架颗粒含量20～40%粒径一般20～400mm，分布于整个场地，堆填时间约5-10年不等，该段回填土的设计回填密实度为95%，经过长期的车辆荷载作用以及自然沉降，不受扰动的情况下基本处于稳定状态，但是土体颗粒之间没有胶结，强度较低，开挖后会发生较大的变形。

场地原为丘陵斜坡地貌，由于后期施工回填，局部地段上覆土层厚度增大，地下水主要赋存于原始地形低洼地段，属潜水，局部含有上层滞水。动态幅度大，无统一地下水位，主要由大气降水及周边市政管网渗漏补给，水量大小与降水因素关系密切，地下水通过岩土界面在有条件的切割区排往长江，局部可能会发生突泥突水。

本隧道采用全断面帷幕注浆，注浆范围为隧道轮廓线外3m，每一循环注浆长度为20m，开挖15m，预留5m作为止浆盘。采用帷幕注浆可以将回填土层颗粒间赋存的地下水强迫挤压出来，颗粒间空隙以及架空部分充满浆液，并使其固结，增加了回填土层颗粒之间的内摩擦角，并且使地层粘结强度及密实度增加，隧道开挖后可以形成有效的压力拱，从而提高围岩的自稳能力；另外回填土层颗粒间隙中填充了固结并且不流动的浆液后，大大降低了回填土的透水性，从而在隧道轮廓外侧形成隔水层，起到防止突泥突水、防坍塌的作用。

3 、富水区填土段隧道超前加固措施

3.1 地下水观测

土体中的地下水可以大大减小颗粒间的摩擦力，地下水的流失又改变了填土层本来的平衡状态，因此地下水是影响回填土稳定的关键因素。施工前在隧道左右侧各设置一个水位观测井，施工过程中每天定时使用测绳观测地下水位，根据地下水位的变化情况以及与暗挖隧道的高程关系及时调整双液浆配合比。

3.2 帷幕注浆

3.2.1 钻孔

钻机就位：帷幕注浆采用HM90ACY型潜孔钻机钻孔和清孔。测量员根据提前计算好的孔口坐标，使用全站仪在掌子面上进行孔口放样，同时用油漆做好标记，并注明孔号；潜孔钻机就位后，根据掌子面标出的孔口位置精确定位钻头位置，调整钻尾位置，利用电子水平尺精确控制钻杆竖直角度，根据钻杆长度以及钻孔的水平角度提前计算钻杆尾部与隧道中线之间的距离关系，使用钢卷尺进行水平角度定位，该方法方便快捷，可完成钻杆的精确定向。

钻进成孔：开孔时按照轻加压、速度慢、给水要多的操作要点施工。钻进过程中，钻机手要密切灌注钻孔渗水情况，当渗水量显著增大时，必须立即停钻观察，若渗水量在短时间内显著减小，可继续钻进，否则应立即加注双液浆进行堵水；钻进过程中因岩层破碎造成卡钻时，严禁强行钻进，应立即退出钻杆，进行注浆，浆液固结后再行钻进。每钻进一段，使用电子水平尺复核钻杆角度，做到及时发现及时纠偏。施工过程中，钻机手应做好钻孔记录，内容包括孔号、孔深、岩性、起讫时间、出现渗水位置、渗水压力、渗水量。因回填土内空隙较大，钻孔以及注浆顺序均由外向内，这样外环注浆孔浆液固结之后能够将浆液扩散范围锁定，从而减少注浆量节约成本，同一环注浆孔间隔施工，避免窜浆。

图1 钻机定向

3.2.2 埋设孔口管

孔口管采用外径108mm、壁厚5mm的热轧无缝钢管，单根长度3.0m。安装前先钻孔，孔径不小于110mm，孔深3.0m，扫孔后，孔口管两端以及中间位置预先使用土工布进行缠绕并采用铁丝固定，然后使用钻机将孔口管顶入，外露30cm左右，然后使用锚固剂再次封堵管壁与孔壁之间的空隙。孔口管主要起连接注浆管和导向作用，因此钻孔安装时必须严格控制外插角度，并且孔口管外露端头应焊接法兰盘、安装阀门与注浆管连接。

3.2.3 注浆

（1）注浆材料及配比

隧道内作业空间狭小，并且渗水情况比较严重，无法存放袋装水泥，因此本隧道使用散装水泥，存放在隧道洞口水泥罐内，使用改装的运输车运往洞内。注浆优先采用普通水泥浆液，为加强注浆效果和浆液控制，注浆加固圈范围内外围1m采用水泥-水玻璃浆液。浆液中水泥强度等级不低于R32.5，水泥浆水灰比1:1，双液浆水泥浆：水玻璃浆液（出厂浓度42，稀释浓度30～35）1:1。施工前进行双液浆试配，掌握每种配合比浆液的胶凝时间，选择适合现场施工的浆液配合比。注浆施工时，外环注浆孔宜选用凝胶时间短的配比限制扩散范围；内环注浆孔宜选用凝胶时间长些的配比避免堵管。

现场通过实验室标定好的水桶按照配合比在浆液搅拌桶内制作两个刻度标志，浆液制作时首先加水至第一个刻度线，然后加水泥至第二个刻度线，如此可快速制作浆液，并能有效减小施工配合比与理论配合比之间的误差。

（2）注浆参数控制

①注浆压力：注浆压力一般为静水压力的2-3倍，根据隧道埋深以及地下水位本隧道控制在1.0-1.2MPa之间，注浆终压为1.5MPa，达到注浆终压后需稳压10分钟，根据试验段浆液填充效果以及隧道上方原地面的观察后期将注浆终压调整为2.0MPa。

②扩散半径：注浆范围为隧道开挖轮廓线3m，第一、二、三环单孔有效扩散半径为1m，第四、五环单孔有效扩散半径以1.5m。

③注浆设备：WYB80/80全液压双液注浆泵，流量为0～160L/min。

④注浆方式：本隧道采用一次成孔注浆和分段前进式注浆两种方式。钻孔过程中单孔渗水量＜0.5L/s并且未出现卡钻现象，就按设计孔深一钻到底，全孔一次压入注浆；否则应采用分段前进式注浆，钻一段注一段，直至终孔。

⑤注浆速度：管路接通之后，注浆应连续作业，并且安装标定后的流量计实时监控注浆速度。注浆过程中密切灌注渗水量，当钻孔渗水量≥0.5L/s时，注入速度控制在100-150L/min；当渗水量＜0.5L/s，注入速度控制在50-80L/min。

管路接通后注浆前，先进行压水试验，压水2～5分钟，检查掌子面以及孔口管有无渗漏现象；检查注浆机、管路系统、压力表工作是否正常。

⑥胶凝时间的控制

水泥浆和水玻璃分别存放在两个容器内，各连接一个吸浆头及注浆管，两支注浆管在孔口汇合。胶凝时间通过调节双缸注浆机每个出浆口的流量，改变水泥浆和水玻璃的注入比例来控制。施工过程中，为保证胶凝时间准确，每新进一批水玻璃或每变换一次配比，需取样试配，掌握每种配合比的胶凝时间，根据设计给定的浆液扩散半径以及实际的地下水情况，本隧道双液浆胶凝时间控制在45-50秒之间。施工过程中应在施工部位接取浆液，测定双液浆的实际胶凝时间，如不能满足要求，应及时检查管路或调整注浆机出浆口的流量。

⑦注浆结束标准：单孔注浆压力达到2.0MPa并稳压10分钟以上，可结束本孔注浆；或者单孔实际注浆量接近设计注浆量，并且进浆量＜20-30 L/min时也可结束本孔注浆。

每个循环的注浆完成后，采取钻检查孔的方法法进行验证，检查孔数量应为总钻孔数的3%-5%，且不得小于5孔，因此本隧道选取5个孔进行检查。其中2个孔的孔底位于开挖范围内，3个孔的孔底位于开挖范围外，检查孔长20m，均取芯，用于检查单孔渗水量以及土体注浆的饱满程度。检查孔中若无涌泥、涌砂、并且不塌孔，另外渗水量小于0.2L/（min.m），即可进行后续施工，否则进行补孔注浆。

3.3 辅助措施

掌子面帷幕完成之后及时施做自进管棚及小导管，自进管棚及小导管主要起到“棚架”作用，支挡开挖轮廓线外侧的土体，回填土整体性较差，小导管内侧的土体会随着暴露时间的延长而脱落，为减小超挖量、提高掌子面作业的安全性，在不影响钢架安装的前提下必须尽量小的减小小导管及自进管棚的外插角，并且开挖完成后应及时施做初期支护封闭围岩。

4 、加固效果

注浆加固前，钻孔渗水量为3L/（min.m），帷幕注浆施工完成后，探孔没有渗水情况出现，帷幕注浆结束后的钻芯取样以及掌子面开挖情况显示，检查孔中无涌泥、涌砂、不塌孔，岩体注浆比较饱满，填土及岩层裂隙中浆液填充饱满，土体致密结实。另外监控量测数据显示，隧道拱顶沉降、地面沉降的累计值以及变形速率均满足设计文件要求。

图2 浆液填充效果

因此富水区回填土段隧道开挖采用帷幕注浆配合小导管及自进管棚的超前加固方式，止水效果较好，能够有效固结土体，可以有效控制地面沉降以及洞内的变形。