北京地铁某竖井富水砂卵石地层注浆止水施工技术

陈浩

（北京轨道交通建设管理有限公司，北京 100068）

1 引言

地下水对轨道交通工程的施工影响很大，在前阶段依据北京水文和工程地质情况，大多采用降水方案从而实现无水作业环境。而随着北京市对地下水的保护和相关政策的提出，轨道交通工程建设中采用止水方案作为控制地下水的措施势在必行，因此，针对北京不同地层及工程需求采取相应的止水措施具有实际的工程意义[1]。

城市轨道交通止水方案的选取一般有帷幕止水和冷冻法止水。冷冻法施工适用于渗透性较好及降水工况，同时施工造价较高，冻融时沉降无法预估；而对于帷幕止水，多采用旋喷桩、咬合桩、地下连续墙等方式，但均需在开挖施工前完成帷幕施工；针对降水井部分区域无法施工的工况，采用桩间及基坑底部通过注浆形成止水帷幕的止水方案[2]。

针对轨道交通结构入水深、土层渗系数大、粒径大的砂卵石止水方案未曾有较多文献提及，而随着隧道开挖深度的加大，及北京市地下水位的上升，该问题成为北京地铁施工急需解决的问题。以北京地铁16 号线19 标段2#竖井止水为例，对入水深、高渗透性、涌水量大、无隔水层的砂卵石地层进行注浆止水分析及研究，阐述了注浆止水方案在该地层的可行性，并在注浆止水帷幕设计、施工工艺、注浆材料方面进行了研究，通过对现场止水效果的观察，满足了现场开挖需求，为该土层的止水方案的选取提供了工程案例支撑[3]。

2 工程概况

2.1 工程简介

北京地铁16 号线工程土建施工19 合同段2 号风道2 期采用倒挂井壁法施工，风井结构尺寸为（9.3～10.3）m×5.05 m，高度约34.2 m；风井由钢格栅+喷射混凝土的初期支护和模筑钢筋混凝土的二次衬砌构成。地下水位高于结构底板。由于该结构为后期增加，现场无施作降水井条件，故地下水处理采用止水方案，采用倒挂井壁法施工（见图1）。

图1 2#竖井平面布置图

2.2 地质及水文情况

本站地面高程变化较大，范围约为42.81～4.74 m，根据岩土工程勘察报告，工程范围内地下水为潜水（二），含水层主要为卵石⑦层及砾岩13○层，水位标高为20.41～21.69 m，水位埋深为22.40～24.05 m，该层水渗透性好，主要接受侧向径流和越流补给，以侧向径流补给的方式排泄。含水层底板为基岩，基岩面呈北高南低趋势，地下水随基岩面起伏。卵石⑦最大粒径不小于300 mm，一般粒径为20～140 mm，粒径大于20 mm 的颗粒占总质量的70%，亚圆形，中粗砂填充[4]。

2.3 注浆施工前现场工况

竖井开挖至标高21.5 m 位置，位于砂卵石地层，砂卵石与下层泥岩地层界面标高为19.9 m，根据竖井开挖实测水位标高约25.5 m 位置，此时竖井侧壁及底部出现大量涌水，出水量约80 m3/h，竖井内水深约1.0 m，如图2 所示。

图2 现场土层及水位情况

3 富水卵石层注浆止水方案

3.1 竖井临时封底及初支加固方案

为满足深孔注浆条件，减小施工风险，需采用10 根I22a@1 000 mm 工字钢进行临时竖井封底，本次封底喷射混凝土+工字钢+网片的形式，工字钢与两侧竖井格栅采用4φ25 mm “L”形筋进行连接或锚入竖井格栅内，C20 混凝土喷射厚度300 mm，网片为φ6.5 mm@150 mm×150 mm，连接筋为φ22 mm，间距500 mm 内外层布置。

距离临时封底1.8 m 位置设置双拼I22a 工字钢圈梁，沿竖井长边设置I22a 对撑，间距2 000 mm。圈梁下设置L75 mm×75 mm 角钢三角撑，间距1 000 mm，采用YG2 型胀管螺栓（M18，长度L=150 mm）固定，另外在短边井壁中部设置1 根竖向I22a 工字钢立柱，长边井壁设置2 根竖向I22a 工字钢立柱，间距1 500 mm。如图3 和图4 所示。

图4 竖井初支加固剖面图及三角托架加工示意图（单位：mm）

3.2 基于不同注浆材料的止水方案设计

3.2.1 试验目的

1）对不同注浆材料、注浆深度，观察注浆参数的变化，同时观测注浆效果及对周边环境的影响，确定不同材料的实际施工参数。

2）分别对不同注浆材料在富水卵石层中的可注性及加固、止水效果进行分析，为类似工况下合理选择注浆材料提供支撑。

3.2.2 试验区域及注浆材料确定

结合现有应用场景，选用3 种注浆材料进行富水砂卵石地层中的加固、止水效果试验：常规改性水玻璃+水泥水玻璃双液浆浆液组合、快硬硫铝酸盐灌浆料、普通硅酸盐水泥+水下不分散注浆料，如图5 和表1 所示。

表1 注浆材料试验表

图5 注浆试验分区平面示意图

3.3 施工中遇到的问题及处理措施

为了应对注浆时出现的施工状况，提前对可能出现的管路堵塞、跑（串）浆等问题的原因及处理措施进行整理，施工时出现突发状况及时进行排查及解决，如表2 所示。

表2 注浆管路堵塞原因分析及处理措施

4 施工过程及开挖验证情况

4.1 施工过程情况观察

3 种材料组合在注浆过程中，组合三由于材料本身黏度大，在注入土体中压力提升最快，组合二最慢，其凝胶时间最长。

通过改性水玻璃、水泥水玻璃双液浆进行注浆后，临近一期竖井泄水孔水流逐渐减小至无水，且无漏浆现象，注浆孔周边竖井壁渗漏水有减小趋势，但注浆孔上部之前不明显漏水的地方有水流增大趋势。说明浆液注入后，首先沿着孔隙较大的区域扩散，也就是封堵既有土层水流通道，减小孔隙率，形成有效堵水，而后浆液会沿着钻杆向衬砌背后填充，垂直方向填充竖井壁背后空隙将竖井背后流水向上挤压，水平方向填充封底格栅背后空隙向四周蔓延，产生初衬由阴湿不明显到局部漏水的情况。

4.2 开挖效果验证

竖井封底破除完成至第一榀开挖过程中，竖井壁少量渗水，由于注浆挤密竖井底卵石层，挖机开挖困难，需要换炮锤，开挖过程中出现少量卵石双液浆结合体。北侧浆脉以化学浆液为主，与卵石结合体强度低，基本无黏结；西侧、南侧浆脉以双液浆为主，与卵石结合强度高，黏结性大。第三榀开挖过程中，北侧偏东浆脉以化学浆液为主，与卵石结合体强度低，基本无黏结，北侧偏西浆脉以双液浆为主，与卵石结合体强度高，黏结性强；西侧浆脉偏少。南侧基本无浆脉。自第四榀开挖，浆脉明显由均匀的填充过渡至片状浆脉，呈劈裂桩，水玻璃浆脉与双液浆浆脉相互交错，整体浆脉减少。至第七榀开挖完成，北侧和西侧有少量浆脉成片状，南侧无浆脉。如图6所示。

图6 不同深度浆液形态变化情况

5 结论与讨论

1）改性水玻璃凝结时间快（现场调试凝胶时间3 s），短时间内堵水效果好，但是与卵石形成的结合体不具备强度及黏结性，可作为钻孔到一定深度后的封孔措施。

2）水泥水玻璃双液浆相比于改性水玻璃凝结时间慢，与卵石形成的结合体强度较大、黏结性强，水玻璃先行封孔后进行双液浆加固。

3）普通硅酸盐水泥浆结合抗分散添加剂，掺入能增大水泥浆的流动性，但是由于浆液过于黏稠，扩散范围小，无明显的堵水效果，未试验出抗冲散能力，可能是因为试验孔都是在有水流量较大位置布置，需要后续进一步试验。而快硬硫铝酸盐水泥浆液，通过试验未显示出有明显的优势。

通过常规后退式注浆方式，以实际最大压力不超3 MPa的情况下，单孔超过设计注浆量，且浆液能够较好地在地层中填充、渗透，通过效果跟踪，改性水玻璃与双液浆与砂卵石地层相互交错，形成一个“砂卵石为骨架、改性水玻璃填充、水泥水玻璃双液浆加固”的一个复合体系，根据效果跟踪，这种体系能够满足现场土方开挖及支护在时间、空间上的需求，达到比较理想的止水效果。