浅埋暗挖地铁隧道穿越地裂缝带施工技术研究

聂爱兮，曾赛梅，梁 桥

（1.中交一公局集团有限公司，北京100020；2.湖南工程学院 建筑工程学院，湘潭411104）

0 引言

西安市位于渭河断线盆地中段南部，地形地貌复杂，地质构造较活跃，是我国地裂缝灾害最严重、最典型的城市［1-3］.据不完全统计，迄今为止，地裂缝灾害已给西安市政建设造成了数十亿元的经济损失［4］.在地裂缝带进行浅埋暗挖隧道开挖，由于土体含水量较丰富，自稳能力差，开挖时容易发生涌水、突泥和坍塌事故，进而引起地表塌陷［5-7］.如果在城市地下施工，还容易引发原有路面开裂、造成已有建筑物下沉，甚至倒塌等不同程度的破坏［8］.因此，地铁浅埋暗挖隧道穿越地裂缝带的关键问题是如何确保的地铁隧道施工安全，减少或避免对周围环境的破坏［9］.

本文以西安地铁6号线纺织城纺二路站～纺织城站区间内浅埋暗挖段隧道为例，根据现场实际情况，对超前小导管支护、全断面注浆加固止水、开挖方法等关键技术进行完善和优化，在保证隧道施工安全及作业面地下水的封堵上取得了良好效果，实现了区间隧道的顺利贯通，取得的成果可以为同类工程的施工提供借鉴和参考.

1 工程概况

1.1 浅埋暗挖段隧道设计概况

西安地铁6号线纺二路站～纺织城站区间位于西安市灞桥区纺织城，区间内浅埋暗挖段起止里程YDK48+153.401～YDK48+540.117（ZDK48+129.852～ZDK48+551.590）；右 线 暗 挖 长 度 为381.716 m，左线暗挖长度为421.738 m，其间设一座联络通道兼废水泵房.图1为浅埋暗挖段隧道平面布置图.

图1 浅埋暗挖段隧道平面布置图

浅埋暗挖段隧道有两种断面形式，分别为盾构空推断面A及标准断面C，断面A开挖高度为9.035 m，开挖宽度为9 m，采用CRD法施工；断面C开挖高度为6.67 m，开挖宽度为6.28 m，采用台阶+临时仰拱法施工.超前支护采用超前小导管注浆+全断面注浆；初期支护采用格栅钢架+临时支撑+喷射混凝土的联合支护体系.

1.2 地裂缝带工程地质水文地质条件

浅埋暗挖段隧道穿越f6地裂缝，沿线路方向地势总体开阔，西南侧较高、东北侧较低，地形较为平缓，地貌分界位置起伏较大，地面高程介于411.40～433.49 m之间，最大高差约22.09 m.

暗挖段隧道所在场地地表以下60.0 m深度范围内的地层主要为第四系堆积物，土层为粉质黏土和古土壤.开挖后发现地面以下29～30.5 m处存在钙质胶结层.

根据钻孔揭露，工程场地所揭露的地下水为第四系松散层孔隙潜水，水位埋深10.70～29.80 m，水位高程395.80～410.06 m.浅埋暗挖隧道结构标高为393.129～402.5 m，地下水位于隧道底面以上2 m、地表以下21 m之间.在新医路及长乐东路f6地裂缝的上下盘，地裂缝两盘地下水位南高北低，上盘水位高于下盘水位约6.0～10.0 m.

1.3 暗挖隧道施工难点

（1）暗挖隧道位于长乐东路下方，穿越纺织城旧城区，周边建（构）筑物及地下管线较多，其中房屋以20世纪70、80年代为主，质量参差不齐.由于地裂缝破碎带难以形成自然拱，开挖时容易发生拱部坍塌、变形过大等事故.

（2）根据地质勘察资料，暗挖隧道基本位于地下水位以下，尽管水压不大，但地下水和地表水一旦渗入就会造成防水失控.而抽排水易加剧地裂缝的活动，从而导致结构变形增大，造成不可挽回的损失.

（3）地面以下29～30.5 m处存在钙质胶结层，位于隧道1/3位置，具氧化铁条纹，难以破碎.图2为钙质胶结层位置示意图.

图2 掌子面钙质胶结层位置示意图

2 地层超前预加固支护

针对暗挖段地质情况与施工难点，施工中地层超前支护加固采用超前小导管预注浆加固，以及全断面超前预注浆加固方案.

2.1 超前小导管预注浆加固支护

根据循环进尺位置，沿隧道拱部初支轮廓线外打入带孔超前小导管，如图2所示，然后通过小导管向开挖轮廓外围岩注浆，对土层进行超前加固封堵，在结构轮廓线外形成一个弧形加固圈，防止施工时拱顶掉块、坍塌.

小导管由直径φ42 mm、壁厚3.5 mm钢花管加工而成，长度为3.0 m，沿拱部150°范围布置，环向间距0.4 m，纵向间距1.5 m，外插角20°～25°.小导管管壁上按间距150 mm梅花型设置漏浆孔，孔径10 mm，钢管尾部留0.2 m不钻孔止浆段；注浆压力按0.3 MPa，注浆材料为水泥水玻璃双液浆，其中水灰比1∶0.5，水泥浆和水玻璃体积比为1∶1；注浆压力和浆液配比根据现场试验进行调整，充分搅拌均匀后及时使用.

2.2 全断面超前预注浆加固

地裂缝破碎带地质构造复杂，富水量大，遇水极易软化崩塌［10］.为解决隧道开挖过程中围岩稳定性问题，采用全断面注浆技术对地裂缝破碎带地层进行止水、加固，提高围岩的强度和自稳能力.

（1）注浆基本参数

施工时，注浆参数根据地质勘察得到的地层实际情况进行试验确认，并在施工现场不断调整和完善，注浆过程中结合注浆压力变化情况，现场动态调整、优化注浆参数.具体的注浆基本参数如表1所示.

表1 注浆基本参数

（2）注浆材料的选择

施工前，预测地质情况及涌水点的水压力、流量、流速和储水量，选择注浆材料.具体方法如下：

1）封堵超前小导管管口和封孔注浆时，选用水泥-水玻璃双液浆；

2）地下水流速很快时，先注入惰性材料，如中粗砂或岩粉等，以充填渗水通道，增加浆液流动阻力，减少跑浆，再注入水泥-水玻璃双液浆堵水；

3）对于涌水量很大且具有较大储水空间的大股突水，采取先将动水变为相对静水再进行注浆的堵水措施，即设置堵截墙，使用快速胶凝的浆液堵水；还可采用分流减压、减流速的办法，再调整胶凝时间对出水点进行封堵.注浆材料仍选水泥-水玻璃浆液或超细水泥浆液.

（3）浆液配比优化与配置

为了提高全断面注浆质量，在保证浆液渗透土体后的强度达到设计值的同时，对配合比做了优化和调整（如图3所示），将原设计的水泥浆与水玻璃体积比1∶1调整为1∶1.1～1.2，目的是加速浆液的凝结时间；将原设计浆液比凝固时间120 s缩短至35 s，防止浆液扩散半径过大对周边建筑物造成影响.水泥浆水灰比由1∶0.5～1∶0.75调整为1∶0.75，以提高注浆扩散半径范围内浆液的强度.

图3 现场配合比调试

浆液配置采用SJB-300×2型双层搅拌器，制浆材料拌和前先称重，误差应小于5%，水泥等固相材料采用重量称重法.水泥浆液拌好后用1 mm×1 mm筛网过滤，并放入搅拌机进行二次搅拌，纯水泥浆制备至用完的时间不超过4 h，细水泥浆自制备至用完时间不超过2 h.浆液的搅拌时间通过试验确定，并满足规范要求.

（4）注浆孔布置

注浆孔布置如图4所示，注浆加固范围为隧道开挖线以外3 m，注浆段长度为20 m，一个注浆段完成后留3 m不开挖作为下一注浆段的止浆盘.第一循环注浆前采用喷射混凝土作为止浆墙，厚度30 cm.

图4 注浆孔布置示意图

（5）施工要点

1）超前注浆孔钻孔采用MK-5型钻机，钻孔直径130 cm，钻孔前先在掌子面用红油漆按设计要求标注注浆孔位，然后移动钻机，将钻头对准所标孔位，并按设计调整钻机角度后固定.先用钻机开孔至3 m深，钻孔直径130 mm，安设、固定孔口管（孔口管采用长2.2 m，测量定位孔口外露20 cm，直径108 mm钢管），然后通过孔口管钻设φ100 mm注浆孔.开孔及孔口管安装：开孔做到轻加压、速度慢、给水足.孔口管埋设，对无水地段采用干硬性早强砂浆堵塞定位，对于孔口涌水地段，孔口管的埋设采用增强型防水剂和水泥配制的固管混合料来定位固管.浆液的扩散半径为3.0 m.

2）采用后退式注浆施工，钻一段，注一段，注浆胶凝时间根据水压确定.分段长度根据钻孔情况确定，若出现大的涌水或泥沙（Q＞10 m3/h）则按1～2 m分段；若涌水或泥沙较小（Q＜10 m3/h）或轻微卡钻，则钻孔注浆段长度可适当加大至3～5 m.如无涌水涌泥（砂）和卡钻的情况发生，则可采用全孔一次性注浆方式进行.以保证注浆质量和减少扫孔作业，增加作业时间和提高作业效率.

3）注浆顺序是先注外圈孔，再注内圈孔；同圈孔间隔注浆，注完一孔，跳过一孔或多孔注浆；先注无水区，后注有水区.后序孔可检查前序孔的注浆效果.同时结合涌水水源点位置和水流方向，按由有水孔到无水孔的顺序施工，检查孔施工顺序待注浆孔注浆结束后视现场情况而定.

（6）注浆效果及评定

1）检查孔：注浆结束后，在注浆薄弱区域钻设检查孔，检查孔数量按设计注浆孔数量的5%～10%考虑，检查孔要求全断面涌水量小于1 m3/（d·m），否则应补孔注浆.

2）浆液填充率反算：通过统计总注浆量，反算浆液对空隙填充率，浆液填充率达到70%以上.

（7）注意事项

1）止水盘（止浆墙）止浆效果的好坏，将直接关系到注浆成功与否.根据注浆段围岩情况预留不同厚度的止水盘，一般取3 m.第一循环注浆前采用喷射30 cm厚混凝土作为止浆墙，注浆前进行关水试验，观察止浆墙渗水情况.当出现小股涌水时，应采取在涌水处采用风钻钻浅孔注浆固结止浆墙；当出现大股涌水时，应采取先对掌子面出水点进行引流，清底，浇筑混凝土止浆墙，混凝土施工过程中预埋孔口管与小导管注浆建造止浆墙.

2）若钻孔过程中遇见突泥情况，立即停钻，拔出钻杆，安装孔口管及高压阀，进行注浆.

3）若止浆墙小裂隙漏浆，先用水泥浆浸泡过的麻丝填塞裂隙，并调整浆液配比，缩短凝胶时间；若仍跑浆，在漏浆处采用普通风钻钻浅孔注浆止渗.

4）若掌子面前方5 m范围内大裂隙串浆或漏浆，采用止浆塞穿过该裂隙进行后退式注浆.

5）当注浆压力突然增高，则只注纯水泥浆或清水，待泵压恢复正常时，再进行双液注浆；若压力不恢复正常，则停止注浆，检查管路是否堵塞.

6）当进浆量很大，压力长时间不升高，则调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小泵量、低压力注浆，以使浆液在岩层裂隙中有相对停留时间，以便凝胶；也可以进行间歇式注浆，但停注时间不能超过浆液凝胶时间.

3 开挖及初期支护

结合地质勘察得到的资料，浅埋暗挖段A断面采用CRD法开挖.考虑到钙质胶结层的特殊性，主要为人工配合小型挖机开挖，CRD法共分4个导坑开挖支护，开挖先后顺序为1#、2#、3#、4#，1#与2#导洞错开3～5 m，1#与3#导洞错开距离不少于15 m，3#与4#导洞错开3～5 m.等全部正洞施做完支护后，逐段拆除临时支撑施做二次衬砌.图5为A断面开挖示意图.

图5 A断面开挖示意图

暗挖区间C断面采用台阶+临时仰拱法施工如图6所示，主要为人工配合小型挖机开挖.开挖先后顺序为1#、2#、3#，第一步施工时先开挖上台阶土方，开挖时预留核心土；第二步根据开挖进尺深度，进行核心土开挖，确保核心土保留长度为1.5 m，核心土与初支距离约1.8 m，上台阶施工完成后及时进行临时仰拱施工；第三步待上台阶开挖进尺6～8 m后，开挖下台阶土体.

图6 C断面开挖示意图

对于难以破碎的胶结层，采用小挖机结合人工破碎进行施工，由于钙质胶结层的存在导致开挖时间增加1/3，从而导致整个工期延长.

洞身开挖和支护格栅钢架每循环进尺0.5 m（局部加密，马头门进洞6榀密排），严格控制钢架间距，每次开挖完成后立即架设格栅钢架.

4 地裂缝带超前探测与监测应急

项目部专门成立地裂缝段施工专家小组，对施工过程进行现场指导，借鉴其他单位地裂缝施工成功经验统筹安排施工。

成立专项施工监测小组，当施工到地裂缝前，对前方地层进行探测，根据探测到的地形情况对施工方案进行调整.同时在施工前，对所有暗挖下穿影响的建筑物现状进行评估；施工过程中，对于地裂缝段的地表、地面建筑物和隧道洞内加密布设监测点，将监测信息反馈给设计和监理单位，及时对监测信息进行分析反馈.

制定详细的应急预案，准备充足的应急物资、设备，根据监测结果对地表建筑物进行必要的地表注浆加固.

5 实施效果分析

从现场全断面注浆施工情况分析，注浆效果较好，止水效果明显，现场全断面注浆施工为20 m一循环，当掌子面开挖临近注浆终点时，掌子面渗水现象明显，下个循环全断面注浆施工完成时，掌子面开挖，无渗水现象，如图7所示.

图7 全断面注浆完成后开挖无渗水现象

注浆浆液配合比调整后，掌子面开挖土体加固效果明显得到改善，注浆浆液脉络清晰（如图8所示），土体开挖效率提高，风险明显降低.

图8 掌子面注浆脉络结石情况

调整后的土体加固效果进行实验送检，满足设计要求的周边土体无侧限抗压强度不小于1.0 MPa，掌子面土体无侧限抗压强度不小于0.6 MPa，渗透系数均不应小于1×10-6cm/s.

6 结论

本工程针对灞桥区纺织城纺二路站～纺织城站区间地铁隧道施工中由于地裂缝可能引起的地表沉降及渗水问题，采用浅埋暗挖法进行施工.主要结论如下：

（1）采用超前全断面预注浆加固与超前小导管支护能够对地层起到很好的预加固、预支护作用，特别是采用水泥-水玻璃双液浆作为全断面止水注浆材料，对水泥浆与水玻璃的配合比及水泥浆的水灰比进行了优化，有效地控制了浆液扩散对周边建筑的影响；提高了浆液的强度及土体的加固效果；在降低土体开挖风险的同时也加快了隧道开挖的进度.

（2）采用CRD法施工与环形开挖留核心土法是合适的；对于难以破碎的胶结层，采用小挖机结合人工破碎进行施工，由于钙质胶结层的存在导致开挖时间增加1/3，从而导致整个工期延长.

（3）针对地裂缝暗挖地段，应成立施工专家小组指导施工；当施工到地裂缝前，对前方地层进行探测，根据探测到的地形情况对施工方案进行调整；施工过程中，对于地裂缝段的地表、地面建筑物和隧道洞内进行信息监测施工，制定详细的应急预案.

（4）实施效果表明，全断面注浆施工完成时，掌子面开挖无渗水现象；注浆浆液配合比调整后，掌子面开挖土体加固效果明显得到改善，注浆浆液脉络清晰，土体加固效果满足设计要求，土体开挖效率提高，并降低了施工风险.