郑州地铁粉细砂地层区间隧道扩挖注浆方案优化研究与实践

王 玥， 徐启鹏， 马召林

(中铁隧道勘察设计研究院有限公司， 广东 广州 511466)

0 引言

在地下工程领域时常遭遇粉细砂地层，其颗粒细小均匀，颗粒间胶结性差，自稳能力弱，开挖时容易发生垮塌，需要预先进行地层注浆改良处理。而常规的水泥基浆液为颗粒悬浊液，可注性差，尤其是在城市复杂环境中，周边建(构)筑物和管线密布，既要控制开挖过程中周边地层变形风险，又要在注浆过程限制注浆压力防止地层隆起，确保开挖安全。为此，众多学者针对粉细砂层注浆加固开展了大量的工程实践探索。

在注浆工艺方面： 通过袖阀管技术[1-2]、分段前进工艺[3-4]以及其他综合类技术[5-6]进行重复多次注浆，提升注浆总量，可以增加注浆效果，但注浆压力大，对地层扰动强烈，注浆过程中难以控制周边地层的变形，且耗时较长； 也有学者结合真空降水联合注浆[7-8]，取得了一定效果，但降水过程中容易出现堵井或浆液被抽出等问题，在城市环境施工还可能面临破坏地下水资源问题。

注浆材料是研究和实践的主要方向。其中，脲醛树脂类、丙烯酰胺类等高分子有机化学浆材[9-10]，可注性好，但原料来源少、价格高、耐久性差，尤其是具有毒性，近年来工程使用受限，仅少量用于结构微裂缝临时抗渗；水玻璃类无机化学浆液来源广泛、价格相对便宜，且环保无污染，非常适合作为基材。针对粉细砂地层特性配制改性浆液，近年来南水北调京石段[11]、西安地铁2号线[12]、合肥地铁2号线[13]、石家庄地铁1号线[14]、青岛地铁2号线[15]等，都应用了酸性水玻璃浆液，采用浓硫酸或者浓磷酸调配，但其凝结时间往往超过1 h，相对较长，扩散半径较小，固砂体强度低，加固效果有限，且原料具有一定的危险性和管制要求。河南舞阳八台铁矿王道行出风井[16]应用了碱性水玻璃浆液，采用偏铝酸钠调配，加固效果明显优于酸性水玻璃浆液，但前些年原料来源少，价格很高，使之应用受限。以上应用案例均侧重于分析浆液的室内试验数据，对于实际注浆效果的分析描述较少，尤其是揭示开挖浆脉的图片资料稀缺，说服力不强。

本文考虑到复杂城市环境开挖过程中地层变形控制的高风险，采用偏铝酸钠改性水玻璃复合浆液+超细水泥单液浆，试验隔孔先后注入的工艺，利用先注入的偏铝酸钠改性水玻璃浆液注入砂层并形成浆脉，后注入超细水泥单液浆，在浆脉与砂层的接触面产生应力集中效应，从而较容易沿该浆脉表面发生劈裂注浆，克服了水泥浆液在均匀致密的粉细砂层中难以注入和扩散的难题，兼顾了注浆加固强度，开挖揭示浆脉丰富，注浆和后续开挖过程中周边地层全过程累计变形小于4 mm。

1 工程背景

1.1 工程概况

郑州地铁2号线紫荆山站—东大街站区间左线盾构出东大街站后向北敷设，通过紫东区间明挖段后在紫荆山站接收。紫荆山站为郑州轨道交通1号线和2号线换乘站，在1号线和2号线东南象限设置联络线，联络线与2号线左线相交，联络线曲线半径为150 m。为确保1号线和2号线联络线建筑限界，需要在顺河路下方设置一段矿山法隧道。暗挖隧道周边环境示意如图1所示。

暗挖隧道设计结构为马蹄型，采用复合衬砌结构形式，暗挖隧道长32.392 m，开挖面最大宽度为925 cm，最大高度为831 cm。隧道初期支护工程为型钢锚喷混凝土结构(型钢拱架+钢筋网+喷射混凝土)，初期支护厚度为30 cm。二次衬砌为模筑C40(P12)防水混凝土，衬砌厚度为45 cm，初期支护与二次衬砌之间设置防水层。隧道横断面如图2所示。

1.2 水文地质条件

1号线和2号线联络线大跨暗挖矿山法隧道区段，隧道拱顶埋深为22.4～22.9 m，仰拱底埋深为30.7～31.2 m，该范围内的区间隧道主要穿过粉土、粉砂等地层。场地地下水类型为潜水，地下水主要赋存于粉砂及以下的粉土、粉砂层中，不存在相对隔水层。稳定水位埋深在自然地面以下13.30～16.05 m。

根据地区经验，本场地粉土层的综合渗透系数取0.5 m/d，中部粉砂层的综合渗透系数取6.0 m/d，下部粉质黏土夹粉土的综合渗透系数取0.3 m/d。

1.3 周边环境

根据普查工程资料及现场实地调查，顺河路矿山法区段施工影响范围有7条管线。管线调查如表1所示。

图1 暗挖隧道周边环境示意图

图2 隧道横断面图(单位： cm)

表1 管线调查表

此外，暗挖隧道下穿顺河路及顺河路南侧新月大厦，新月大厦为地上5层框架结构，采用预应力管桩基础。顺河路矿山法区间与新月大厦位置关系如图3所示。

(a) 平面投影位置关系

(b) 竖向位置关系

2 径向注浆初始方案

本工程位于粉细砂地层，自稳能力差，最大的风险源为隧道扩挖段上方建筑和周边管线在开挖过程中有沉降破损风险，要求注浆加固改善围岩整体的自稳能力，提高加固体的抗压强度，同时在注浆过程中需控制注浆压力，避免地层过度隆起。

综合考虑了周边环境作业条件和工程扩挖需求，采取了径向—密集—短孔—匀量的注浆方案，通过径向注浆使开挖轮廓线外围形成一定厚度的承压拱，承载上部土体压力，确保隧道在扩挖时安全施工。

2.1 方案设计

2.1.1 注浆材料

注浆材料以结石强度好的水泥基材料为主，备选双液浆用于封孔和临时堵水。初始方案材料配比如表2所示。

表2 初始方案材料配比表

2.1.2 注浆参数

注浆纵向范围为明挖段南端素混凝土墙开始至暗挖终点，共计26 m； 注浆径向范围为开挖轮廓线外2 m。注浆孔按隧道全环梅花形布置，采用风钻穿过钢管片预留注浆孔进行打孔作业，孔径为50 mm，孔深度为3.2～5.3 m，成孔后插入φ40 mm PVC管，孔口接0.5 m长的φ50 mm无缝钢管及球阀，以锚固剂固定和密封管口。隧道径向加固注浆剖面初始方案设计如图4所示。钻孔注浆加固参数如表3所示。

2.2 实施效果

在现场注浆实施过程中，于右边墙同高度间隔2环，陆续试验了5个钻孔。由于粉细砂颗粒细且致密，悬浊液状态的单液浆极难注入地层，在注浆压力已经超过设计标准的情况下，注浆量远未达到设计水平，预计不能满足开挖安全要求。初始方案施注量统计如表4所示。

3 径向注浆优化方案

针对初始注浆方案试验实施过程中出现的浆液无法注入地层的现象，经过调研分析及现场试验，从注浆材料和注浆工艺2个方面采取优化措施。

3.1 材料优化研究

3.1.1 超细水泥浆液

初始方案的(北京中德-CGM)超细水泥配比渗透能力较差，于是增加水灰质量比进行试验。超细水泥浆液试配如表5所示。

(a) 断面设计

(b) 三维设计

表3 注浆加固参数表

表4 初始方案施注量统计表

表5 超细水泥浆液试配表

由表5可知： 随着超细水泥浆液水灰质量比由1.1∶1增大到1.5∶1，浆液渗透效果(注入量)提升了近1倍，改用水灰质量比为1.5∶1的超细水泥浆液，可以在一定程度上改善本工程的整体加固质量； 此时的单孔注浆量只达到设计注浆量的1/3，整体注浆加固的效果仍然难以保证，需要选用渗透性更好的化学浆液。

3.1.2 偏铝酸钠改性水玻璃浆液

经过资料调研，考虑价格和原材料的获取难易程度，再结合已有的工程应用案例，本工程以水玻璃溶液和工业偏铝酸钠粉为原料，将偏铝酸钠溶液作为促凝剂，配制为改性(碱性)水玻璃浆液，其反应生成凝胶物质、硅胶和硅酸铝盐，有一定的固结作用和强度，反应如下：

3(Na2O·nSiO2)+Na2O·Al2O3→Al2(SiO2)3+3(n-1)SiO2+4Na2O。

在现场施工过程中，分别配制偏铝酸钠溶液与水玻璃溶液，之后分成2个管路，在孔口混合，按体积比1∶1同时注入孔内，现场配制了不同浓度配比的改性水玻璃浆液并进行试验。改性水玻璃浆液试配如表6所示。

表6 改性水玻璃浆液试配表

由表6可知： 1)偏铝酸钠溶液质量浓度对浆液性能影响较大，水玻璃溶液浓度影响相对较小，但二者影响效果类似，即随着溶液浓度的降低，浆液凝结时间变短，固砂体1 d强度减小； 2)浆液浓度越低，流动性和渗透性更好，即单孔注浆量更高； 3)水玻璃类浆液可能随着水玻璃浓度的进一步稀释，出现浓度-凝结时间曲线的反弯点，在本工程应用浓度范围内未出现； 4)各组配比浆液的渗透能力近似相等，在1.5 MPa压力下，单孔注浆量为0.33～0.35 m3，均基本达到了设计注浆量的要求。

根据固砂体强度分析可知： 固砂体强度主要受偏铝酸钠溶液质量浓度影响较大，高浓度偏铝酸钠与高浓度水玻璃配比的浆液固砂体1 d强度可达1.4 MPa，是常规酸性水玻璃浆液的3倍以上，但对比之下，仍远远小于水泥基单液浆结石强度(通常大于10 MPa)，其对土体的加固效果以排水和挤密为主，利用浆脉形成的网片状结构，辅助增强围岩的自稳能力。

综上，从材料经济性和浆液渗透能力2个方面考虑，选定浓度最低的6号配比浆液，可以考虑作为本工程注浆主要材料之一，其特点是渗透能力满足设计要求，但加固能力有限。

3.1.3 水泥-水玻璃双液浆

将初始注浆方案中涉及的浆液和优化研究后拟采用的2种浆液，按体积比1∶1交叉配制水泥-水玻璃双液浆，试验得到其凝结时间和1 d强度。水泥-水玻璃双液浆试配如表7所示。

表7 水泥-水玻璃双液浆试配表

由表7可知: 不同组分的水泥-水玻璃双液浆，其凝结时间和结石强度都处在同一个数量级，从临时速凝堵水的功能需求来说，此4种配比方案相差不大，故在工程实践中，拟采用造价最低的2号配比，作为预备的辅助封堵浆材。

3.2 工艺优化研究

由于扩挖隧道周边管线密布，并位于新月大厦正下方，为确保开挖安全，必须充分填充孔隙，挤密地层，达到设计的注浆量，同时注入浆液的结石体需具备充足的强度，使得加固区域地层在附加载荷(路面行车、建筑自重)和开挖扰动的不利条件下保持稳定。

综合分析考虑，拟采用复合注浆工艺，即首先施注A液改性水玻璃浆液，利用其较强的渗透性大量注入粉细砂层中，填充孔隙，并快速凝固形成浆脉，同时浆脉与粉细砂层之间形成较薄弱的接触面；之后施注B液超细水泥单液浆，浆液在扩散过程中，压力很容易在A液浆脉与粉细砂地层形成的接触面发生应力集中，从而发生劈裂，并沿接触面发展成新的浆脉，提升B液注入量的同时，也进一步形成了强度较高的水泥基浆脉骨架，大幅增加加固区围岩的整体力学性能。

复合注浆工艺可以通过以下施注方案实现：

1)同孔复合注浆，即在同一个钻孔内，先后施注A液和B液。

2)隔孔复合注浆，即按梅花间隔选取钻孔，施注A液并凝固后，在剩余其他钻孔内施注B液。

复合注浆方案效果对比如表8所示。

表8 复合注浆方案效果对比

由表8试验结果对比分析2种方案，结论如下。

1)A液偏铝酸钠水玻璃浆液主要起排水堵水、初步挤密围岩和为B液劈裂扩散服务的作用，强度低(小于0.5 MPa)，造价高。方案1预计消耗265 m3A液+85.8 m3B液，方案2预计消耗136 m3A液+97.5 m3B液。方案1的材料成本约为方案2的2倍，且方案1的注浆总量达到设计值(267 m3)的134%，浆液扩散范围已超出设计加固区域，存在材料浪费现象； 方案2的注浆总量达到设计的88%，浆液扩散范围基本位于设计加固区域内，满足加固需求。

2)B液超细水泥单液浆主要起加固围岩的作用，强度高。方案2中B液预计用量大于方案1中B液预计用量，故复合注浆加固强度方案对比，方案2更优。

3)为确保注浆效果，采用孔内插入PVC管孔底返浆的注法。方案1施注每个孔时，需先后切换A液和B液，且为防止A液凝固后堵塞孔内PVC管，需在A液凝固之前切换B液连续施注； B液注入后呈团聚状，难以劈裂延伸形成树根型浆脉，加固的均匀性较差。

综上，方案2具有造价低、加固体强度高的优点，且无需同时制备多种浆液，施工相对便捷，因此，确定采用隔孔复合注浆工艺，先注A液渗透，后注B液劈裂。隧道径向加固注浆优化方案设计如图5所示。

(a) 断面设计

(b) 三维设计

3.3 实施效果

经过对注浆材料和工艺进行优化，浆液注入量如表9所示。

表9 优化方案施注量统计表

由表9可知: 优化后浆液注入总量为245.7 m3，达到初始方案总量(267 m3)的92%，加固地层中的孔隙基本被填充和挤密，达到了设计注浆加固的目的。

在开挖过程中，加固后地层含水率明显降低，开挖面无渗水和湿渍，围岩稳定性良好，揭示浆脉和浆块体分布十分理想，按分布类型可分为2类。

3.3.1 独立型浆脉(浆体)

2种浆液各自形成结石体，无贴合，开挖揭示约占浆脉总量的20%。独立型浆脉(浆体)如图6所示。

图6 独立型浆脉(浆体)

3.3.2 复合型浆脉(浆体)

2种浆液各自形成结石体，两者紧密贴合，说明是在注入B液超细水泥单液浆时，其沿A液改性水玻璃浆液结石体形成的交界面劈裂而成，开挖揭示约占浆脉总量的80%。复合型浆脉(浆体)如图7所示。

图7 复合型浆脉(浆体)

在施工过程中，对地表、管线和建筑物进行实时监测，其中以新月大厦沉降变形最大，注浆阶段其累计变形值小于2 mm，开挖至支护完成阶段累计变形值约为5 mm，全过程累计变形小于4 mm。施工全过程新月大厦监测变形情况如图8所示。

4 综合效益分析

在近年的工程实践中，对改性水玻璃的应用，主要有硫酸-水玻璃、磷酸-水玻璃、偏铝酸钠-水玻璃等，对各工程项目的改性水玻璃综合单价和应用效果汇总对比，结果如表10所示。

(a) 监测变形曲线 (b) 测点平面布置示意

由表10可知： 在最大稀释程度的情况下，硫酸配方价格最低(145元/m3)，磷酸配方次之(255元/m3)，偏铝酸钠配方价格最高(300元/m3)。

其中，硫酸配方需以浓硫酸(98%)为原料，获取渠道广泛，配制过程危险性较高，工程应用需报备审批，近年应用明显减少； 磷酸配方以浓磷酸(85%)为原料，获取渠道较广泛，配制危险性降低，无需报备审批，近年来应用案例不断增加。

偏铝酸钠配方以工业级粉为原料，相比以上2种配方，具备如下特点和优点。

1)配制较安全，无需报备审批。

2)来源较广泛，价格无明显劣势。偏铝酸钠在前些年获取渠道较少，且价格昂贵。以2016年为例，其单价高达12 000/t，近年随着化工行业的发展进步，其获取难度显著降低，且其原料单价和成品浆液综合单价与磷酸配方相差不大，已具备良好的应用推广前景。

3)结石强度较高。高浓度偏铝酸钠溶液，配制的改性水玻璃浆液固砂体强度可达到1.4 MPa，为酸性水玻璃浆液的3倍以上，在特殊条件下具有一定应用价值；但三者的固砂体强度均偏低，采用稀释配比后固砂体强度为0.3～0.5 MPa，在砂层中主要起到填充孔隙，排出水分，增加砂层本身自稳能力的作用，经济性较好。

4)凝结时间短，扩散半径大，结石体与原地层形成的交界面平整分明，有利于二次注浆劈裂。

本文依托工程采用的“先注改性水玻璃渗透，后注水泥单液浆劈裂”的设计方案，在二次注入水泥浆后明显提高了注浆区的加固强度，大幅度降低了开挖地层的变形风险。从开挖揭示形态对比来看，磷酸配方凝结时间长，形成的结石体与原地层呈渗透凝聚状，分界面不明显，不平整，不利于后续注水泥浆劈裂(见图9)；而偏铝酸钠浆液自身团聚性较好，结石体与原地层形成较明显及光滑的分界面，有利于后续注水泥浆发生劈裂(见图10)。

图9 磷酸配方注浆开挖揭示情况[15]

图10 偏铝酸钠配方注浆开挖揭示情况

5 结论与讨论

1)采用大稀释比例的偏铝酸钠溶液(90 kg/m3)-水玻璃(20°Bé)配制为改性(碱性)水玻璃浆液，具有凝结时间短(2～3 min)、抗分散能力强的优点，固砂体强度达到0.5 MPa，可较好地填充地层孔隙，排出水分，提高地层自稳能力。

2)采用复合注浆设计方案，即先行注入A液改性水玻璃浆液，待其凝固并与地层形成明显的分界面后，后续注入B液超细水泥浆液，可实现劈裂注浆的效果，有利于克服致密粉细砂层的注浆阻力，形成复合浆脉(浆体)占开挖揭示的80%，充分提升了加固区域的围岩强度，增加地层的抗变形能力。

3)随着近年来偏铝酸钠原料获取难度及单价的大幅度降低，其浆液综合成本已接近磷酸配方改性水玻璃浆液，同时考虑到其凝结时间短和扩散半径大的特点，已具有良好的推广应用前景，值得进一步实践和研究。

4)本文中的偏铝酸钠-水玻璃化学浆液，及其他案例应用硫酸(磷酸)-水玻璃化学浆液，其结石体强度远低于水泥基浆液，加固能力不足，不适宜在孔隙率较大或有空腔空洞的地层中单独使用。