隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展,采用礦山法施工的隧道越來(lái)越多。在人口密集、交通繁忙、建筑物集中的地段采用何種輔助施工措施,對(duì)降低工程造價(jià)、減少對(duì)周邊環(huán)境的影響至關(guān)重要。 1 地鐵礦山法隧道所處的環(huán)境及特點(diǎn) 礦山法施工的不少地鐵隧道,由于埋深淺,處于第四系各種土層、砂層或巖石全、強(qiáng)風(fēng)化的軟弱圍巖中;一般地下水位較高,地下水豐富,且多位于繁華都市區(qū),地面道路縱橫交錯(cuò),建筑物密集,地下管線眾多,地面沉降控制嚴(yán)格;因此,在礦山法隧道設(shè)計(jì)和施工中選擇合理的輔助施工措施,對(duì)圍巖進(jìn)行加固和止水,以保證隧道的施工安全和減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。在眾多輔助工程措施中,本文主要針對(duì)注漿措施的特點(diǎn)、適用條件及應(yīng)用展開(kāi)論述,為在礦山法隧道中采用注漿措施提供參考。 2 注漿 注漿是通過(guò)外界壓力將漿液壓入到土體中,經(jīng)滲透及劈裂作用,使土體粒子間的水或空氣被強(qiáng)行排擠出加固范圍之外,并充填土粒之間的空洞、孔隙;利用膠凝材料將周圍的土粒膠接為一個(gè)整體;改善土體的物理力學(xué)性能,提高土體強(qiáng)度和地層的整體穩(wěn)定性,降低地層的滲透性,堵斷地下水滲透的通路;從而保證隧道在開(kāi)挖后地層的穩(wěn)定,保證施工及周圍環(huán)境的安全。 2.1 注漿工藝 根據(jù)漿液與土體的相互作用方式,一般可分為滲透注漿、壓密注漿、劈裂注漿3大類,其特點(diǎn)如下: 2.1.1 滲透注漿 漿液將土中的自由水和氣體排擠出去,通過(guò)充填裂隙或空隙,膠結(jié)周圍土體,形成較密實(shí)的固化體,從而提高土層的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性。滲透注漿不會(huì)引起土體體積大的變化。當(dāng)?shù)貙訛樯皩印⒙咽瘜印⑺槭恋鹊谒南档貙?滲透系數(shù)大于10-4cm/s)時(shí),宜采用滲透注漿方式。 2.1.2 劈裂注 漿液在較高的壓力下,注入到孔隙率較小的地層中。漿液在高壓力作用下,沿地層的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生劈裂流動(dòng),在地層中形成脈、網(wǎng)狀分布。不規(guī)則的脈、網(wǎng)狀固結(jié)物和由于漿液壓力而擠密的土體構(gòu)成復(fù)合地層,從而具備一定的承載能力和止水能力。當(dāng)?shù)貙訛檎承酝恋貙印⒙裆钶^大、滲透系數(shù)較小(小于10-5cm/s) 時(shí),宜采用劈裂注漿方式。 2.1.3 壓密注漿 采用有一定稠度或速凝型的漿液,通過(guò)壓力對(duì)土體產(chǎn)生壓密效應(yīng),從而改善土體的物理力學(xué)性能,其固結(jié)體在土體中一般呈似球體或塊體狀分布。壓密注漿主要用于地基加固中,對(duì)于礦山法隧道中的注漿加固地層及止水,主要為滲透注漿和劈裂注漿2種方式。 在實(shí)際注漿中,漿液往往是以多種運(yùn)動(dòng)方式作用于土體的,僅以某種單一方式作用于土體的情況幾乎很少。因此,平常的設(shè)計(jì)和施工中,所謂的滲透注漿或劈裂注漿,是指注漿過(guò)程中,漿液以滲透形式為主,或以劈裂方式為主的注漿方式,往往會(huì)伴有其它方式的發(fā)生。 2.2 注漿工藝 根據(jù)注漿工藝的不同,可以分為花管注漿、套管注漿、埋管注漿等幾種形式。 2.2.1 花管注漿 注漿主要通過(guò)鉆機(jī)鉆孔后,插入注漿花管進(jìn)行注漿,此種注漿是采用全孔一次性注漿方式,注漿孔孔徑一般為40~70mm,此種注漿主要用于注漿段不長(zhǎng)的情況。 2.2.2 套管注漿 套管注漿也叫袖閥管注漿。當(dāng)鉆孔到設(shè)計(jì)深度后,從鉆桿中灌入封閉泥漿,并在封閉泥漿中插入塑料單向袖閥管,在塑料管中插入雙向密閉注漿芯管再進(jìn)行注漿。此種注漿是采用全孔分段注漿方式,分段長(zhǎng)度一般為2~3m一段;注漿鉆孔孔徑一般為70~110mm,注漿袖閥管直徑一般為40~80mm。該工藝的特點(diǎn)是能很好地控制漿液的凝固時(shí)間和擴(kuò)散范圍,對(duì)不同地層和地段,可采用不同的注漿壓力、注漿量及漿液類型。 2.2.3 埋管注漿 埋管注漿是通過(guò)埋設(shè)密封管和特制注漿芯管,將漿液注入地層,以達(dá)到加固地層的目的。此種注漿工藝主要用于跟蹤注漿技術(shù),對(duì)于隧道中加固地層及止水則較少使用,而是主要用于隧道施工中引起周邊建(構(gòu))筑物的沉降后的補(bǔ)救措施。 2.3 漿液類型 主要采用的注漿材料為水泥漿或水泥-水玻璃漿液。純水泥漿的成本較低,流動(dòng)性較好,結(jié)石強(qiáng)度較高,可灌性也較好,但析水率較大,穩(wěn)定性較差,結(jié)石率較低,早期強(qiáng)度一般較低,凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng),一般需添加早強(qiáng)劑;水泥-水玻璃漿液除具有水泥漿的全部?jī)?yōu)點(diǎn)外,還兼有某些化學(xué)漿液的優(yōu)良性能,凝結(jié)時(shí)間可以調(diào)節(jié),能可較好地控制漿液的擴(kuò)散半徑,結(jié)石強(qiáng)度較高。 一般當(dāng)隧道在地下水位以下、地下水具有一定的流動(dòng)性、地層的滲透系數(shù)和空隙率較小時(shí)可采用水泥-水玻璃漿液;根據(jù)地層情況,為了提高漿液的可灌性,也可以考慮采用超細(xì)水泥-水玻璃漿液;當(dāng)位于地下水位以上,孔隙率較大時(shí)可采用水泥漿。 2.4 注漿壓力 注漿壓力是用漿液進(jìn)入地層孔隙及裂隙的一種動(dòng)力,根據(jù)不同的注漿類型、地質(zhì)條件和周邊環(huán)境不同而不同。一般說(shuō)來(lái),注漿壓力一定要大于地層的水壓力、地層壓力等各種阻力值的總和。從漿液擴(kuò)散效果方面考慮,注漿壓力大,擴(kuò)散范圍越大,注漿孔可相應(yīng)減少,注漿速度提高;但注漿壓力過(guò)大會(huì)造成竄漿,擴(kuò)散至設(shè)計(jì)注漿范圍以外,既浪費(fèi)材料,并且可能造成地面超標(biāo)準(zhǔn)的隆起,影響周邊建(構(gòu))筑物、地下管線的安全。 確定合適的注漿壓力,從理論上講是很困難的,因?yàn)橛绊懙囊蛩剌^多,如工程及水文地質(zhì)條件、漿液類型、注漿工藝、埋置深度等。通常,注漿壓力設(shè)計(jì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定;其中,滲透注漿的終壓力一般應(yīng)大于靜水壓力的2~3倍。 2.5 注漿孔的布置 布孔原則是使?jié){液擴(kuò)散范圍相互重疊,避免出現(xiàn)“盲區(qū)”,造成隧道開(kāi)挖時(shí)涌水或坍塌。漿液的擴(kuò)散半徑一般隨滲透系數(shù)的增大而增大,由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變,理論計(jì)算的半徑參數(shù)不易選準(zhǔn),又因有多種地層,各地層的參數(shù)各不相同,常常偏差較大,設(shè)計(jì)時(shí)可采用工程類比,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取合理的注漿擴(kuò)散半徑。一般采用滲透注漿時(shí),注漿孔間距為0.5~1.0m;劈裂注漿時(shí),注漿孔間距為0.8~2.0m。 2.6 注漿分類及應(yīng)用 主要為洞內(nèi)深孔注漿、洞內(nèi)淺孔注漿、地面注漿等3種注漿類型。 2.6.1 洞內(nèi)深孔注漿 主要用于地面無(wú)注漿條件的情況。每個(gè)注漿循環(huán)長(zhǎng)度約20~40m,開(kāi)挖一定距離,留約3.0~5.0m左右作為下一循環(huán)的止?jié){墻。注漿范圍一般為隧道開(kāi)挖范圍外2.0~4.0m線范圍內(nèi)土層和全、強(qiáng)風(fēng)化巖層,加固體抗?jié)B系數(shù)一般要求達(dá)到10-5cm/s,做到隧道在開(kāi)挖過(guò)程中僅有極少量滲水,不能形成有危害性的滲流。 深圳地鐵一期工程的老大區(qū)間隧道,隧道所處地層主要為花崗巖的殘積層(礫質(zhì)粘土層)。當(dāng)2號(hào)豎井向兩端進(jìn)行暗挖隧道施工中,豎井東端隧道拱部施工進(jìn)至8m時(shí),掌子面土石分界線位置出現(xiàn)涌泥、涌砂現(xiàn)象,施工受阻;2號(hào)豎井以西段拱部施工進(jìn)至7m時(shí),亦在掌子面土石分界線位置出現(xiàn)一直徑約20cm的孔洞,地下水?dāng)y帶粗砂急速涌出。經(jīng)分析,由于地層含水量較高的,且水壓較大,超前小導(dǎo)管注漿效果差,地下水從支護(hù)缺陷處滲出,形成潛蝕,最后擴(kuò)大涌出。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況看,砂質(zhì)粘土層及花崗巖全風(fēng)化層透水性強(qiáng),尤其是礫質(zhì)粘土層性質(zhì)變化大(可認(rèn)為是“似土非土、似砂非砂、似石非石”,是一種特殊的不良地質(zhì)),干燥狀態(tài)下穩(wěn)定性好、硬度大,但在含水狀態(tài)下,施工開(kāi)挖及支護(hù)擾動(dòng)后迅速軟化成泥漿,且長(zhǎng)時(shí)間不易失水干燥;同時(shí)由于地表水補(bǔ)給充足(緊鄰布吉河),地下水滲出量比預(yù)計(jì)的要大,采用單一的超前小導(dǎo)管注漿較難阻止地下水滲入坑道和保證掌子面的穩(wěn)定。 為保證隧道施工安全,在豎井兩端各100m范圍內(nèi)采用洞內(nèi)深孔注漿加固地層及止水措施。加固范圍為隧道開(kāi)挖輪廓線外3.0m線以內(nèi)的土層和全風(fēng)化層;漿液為水泥-水玻璃漿液;漿液擴(kuò)散半徑為80cm,梅花型布置;注漿壓力為初壓0.3~0.4MPa,穩(wěn)壓:1.2~1.5MPa;水灰比為1∶1,水玻璃濃度:30°Be′,模數(shù):2.6;注漿采用分段長(zhǎng)套管護(hù)壁后退式注漿工藝(袖閥注漿),主要采用劈裂注漿方式。每個(gè)注漿段長(zhǎng)35.0m,每?jī)蓚€(gè)注漿段的搭接長(zhǎng)度為4.0m;注漿順序?yàn)橄人淼乐苓吅笾虚g,隔孔交替注漿。 地層注漿后,漿液在土體中擴(kuò)散呈樹(shù)枝狀分布,局部有10~20mm厚度的薄片狀漿液凝固分布在土體中,凡是空隙處與薄弱處都充滿了漿液的凝固體。由于較好地控制了注漿壓力,未對(duì)地表產(chǎn)生超標(biāo)準(zhǔn)的隆起。開(kāi)挖過(guò)程掌子面基本無(wú)水,土層自穩(wěn)能力較好,未發(fā)生任何的涌泥、涌砂現(xiàn)象和坍塌現(xiàn)象;施工進(jìn)度加快,起到了預(yù)期的目的。 2.6.2 洞內(nèi)淺孔注漿 當(dāng)隧道局部或小范圍地層較差時(shí),不需要大范圍采取加固地層和止水措施時(shí),可以考慮洞內(nèi)局部淺孔注漿加固和止水,而不采用洞內(nèi)全斷面深孔注漿。 深圳地鐵一期工程的國(guó)老區(qū)間隧道,該段位于深南東路及百貨廣場(chǎng)房屋下方,為單洞雙層重疊隧道,隧道上半部為粉質(zhì)粘土(花崗片麻巖的殘積層),隧道分4個(gè)臺(tái)階開(kāi)挖。在施工過(guò)程中,作為相對(duì)隔水層的粉質(zhì)粘土孔隙較多,遇水極易軟化,自穩(wěn)能力極差,施工過(guò)程中不間斷有小股水流出;因開(kāi)挖卸載,使圍巖產(chǎn)生松弛變形,增大了地層的透水性,因而在隧道拱腰及掌子面時(shí)常出現(xiàn)局部坍落,并伴有突水、突泥的現(xiàn)象。 為保證隧道開(kāi)挖安全、減少安全隱患和控制地面沉降,在隧道開(kāi)挖施工約15.0m后,決定對(duì)該段隧道洞內(nèi)第一臺(tái)階采用洞內(nèi)淺孔注漿加固地層及止水措施。加固范圍主要是針對(duì)掌子面內(nèi)的地層;漿液為水泥-水玻璃漿液;漿液擴(kuò)散半徑R=0.5~0.6m;注漿孔孔底間距為0.4~0.8m,梅花型布置,周邊孔密,中間孔稀;注漿壓力為初壓0.1MPa;穩(wěn)壓:0.3MPa;注漿采用42鋼花管進(jìn)行注漿。鋼花管長(zhǎng)5.0m,每次注漿段長(zhǎng)度5.0m,開(kāi)挖4.0m;主要采用滲透注漿,局部加大壓力采用擠壓劈裂注漿方式。 地層在注漿后,開(kāi)挖過(guò)程掌子面基本無(wú)水,土層自穩(wěn)能力較好,未發(fā)生局部坍落及突水、突泥現(xiàn)象,保證了施工安全;施工進(jìn)度加快,起到了預(yù)期的目的。 2.6.3 地面深孔注漿 地面注漿與洞內(nèi)注漿相比,具有施工場(chǎng)地相對(duì)較開(kāi)闊,施工條件較好,注漿施工質(zhì)量能得到一定的保障。地面注漿加固地層可比洞內(nèi)開(kāi)挖先期進(jìn)行,施工干擾較少,對(duì)施工工期較有利。但當(dāng)?shù)孛娼ㄖ锩芗⒌叵鹿芫€較多時(shí),地面注漿較難實(shí)施;在城市中施工,有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境污染。 深圳地鐵一期工程的國(guó)老區(qū)間在SK1+600~SK1+645段為暗挖的單洞雙層隧道,此段隧道上部為素填土、粉質(zhì)粘土、礫砂<