全断面富水砂层浅埋暗挖隧道施工技术

全断面富水砂层浅埋暗挖隧道施工技术
【摘要】针对广州市轨道交通三号线永泰站过街商业暗挖隧通道所处全断面富水砂层复杂地质条件，采用了超前分段后退式双液注浆、围壁注浆、扩散注浆、下导洞引水、上导洞留核心土等施工技术，解决了暗挖通道埋藏浅、地下水丰富、全断面砂层、流水流砂、冲积-洪积粉细砂层遇水软化等难题，取得了成功。

【关键词】富水砂层暗挖隧道双液注浆围壁注浆扩散注浆导洞控水留核心土
1、项目概况
1.1概述
广州市轨道交通三号线北延段永泰站（原永泰东站）土建工程，1号出入口过街商业暗挖通道位于白云区同泰路，同泰路交通繁忙，不允许路面出现较大变形，更不允许交通中断，对暗挖施工要求非常严格。

为此，公司成立了科技攻关小组，对施工现场遇到的暗挖通道埋藏浅、地下水丰富、全断面砂层、流水流砂、冲积—洪积粉细砂层遇水软化等难题开展研究，取得了成功。

1.2结构概况
1号出入口暗挖隧道全长125 m，最大宽度7.8 m，最大高度6.6 m，拱顶最大埋深约5 m。

暗挖隧道原方案开挖采用中隔壁法，将暗挖断面分成4个小断面。

预加固技术原设计采用长管棚、超前小导管和掌子面小导管注浆工艺。

长管棚采用φ108 mm、壁厚6 mm钢管，位于拱部150°范围布置，长度125 m，环向间距0.35 m。

超前小导管采用φ42 mm、壁厚4 mm钢管，位于拱部和拱墙范围布置，长度3.5 m，环向间距0.35 m，纵向搭接长度1 m，外插10°左右。

超前小导管注浆采用水泥加水玻璃双液浆。

掌子面小导管采用φ42 mm、壁厚4 mm钢管，全断面范围布置，长度3.5 m，排距0.8 m、间距0.8 m，纵向搭接长度1 m。

掌子面小导管注浆采用水泥加水玻璃双液浆。

初支喷射350 mm厚C25早强混凝土。

二衬采用500 mm厚C30P8钢筋混凝土结构。

1.3工程地质及水文情况
暗挖隧道地处广花冲积平原，各地层岩性由上到下为人工填土层、冲积—洪积粉细砂层、冲积—洪积中粗砂层、冲洪积粘性土层、坡积土层、残积土层，以带有一点粘性的粉细砂层和中粗砂层为主。

地下水较为丰富。

地下水位在地面以下1 m。

砂层透水性好。

暗挖隧道西面靠近广从断裂带，东面靠近白云山基岩裂隙水，北面靠近河涌。

1.4地质条件施工评价
本项目暗挖隧道地质条件复杂，地下水丰富，施工难度较大，主要表现在以下方面：
①广从断裂带岩层挤压、断裂、破碎，岩面高低起伏，溶洞、溶蚀裂隙发育，地下承压水涌水量大。

白云山地下承压水丰富，通过强风化岩石裂隙涌上来，暗挖隧道开挖后，涌水量会进一步加大。

河涌径流量大，水源补及充足。

②中粗砂层中夹有一层冲积—洪积粉细砂层，以石英质粉细砂为主，粘粒含量高，在流水很小条件下能够自稳，但在动水条件下崩解、软化。

又因为粉细砂颗粒细小，颗粒之间空隙更小，颗粒之间填充粘粒，一般静压注浆方法难以注入粉细砂之间空隙、难以有效固结粉细砂层。

2、施工技术难题
1号出入口过街暗挖隧道全长125 m，最大宽度7.8 m，最大高度6.6 m，拱顶最大埋深约5 m，属于浅埋暗挖法。

原设计暗挖方案为：
①暗挖隧道开挖采用中隔壁法，将暗挖断面分成4个小断面；
②预加固技术采用长管棚、超前小导管和掌子面小导管注浆工艺。

暗挖隧道右上导洞试验段注浆、开挖进去5m以后，遇到以下难题：
①地下水丰富，土质以砂层为主；
②超前小导管和全断面小导管注浆，在富水砂层地质条件下注浆效果不理想，不能有效固结砂层；
③拱脚部位流水、流砂比较严重，甚至塌方；
④中粗砂层中夹有一层冲积—洪积粉细砂层，以石英质粉细砂为主，粘粒含量高，在流水很小条件下能够自稳，但在动水条件下崩解、软化。

3、技术优化方案
3.1超前分段后退式双液注浆技术
3.1.1设计思路
超前分段后退式双液注浆技术属于静压注浆，主要靠浆液的渗透、压密和劈裂填充土体的空隙。

注浆钻机有回转器，可360°任意旋转，满足任意角度注浆要求。

钻机注水钻孔至预定深度后从中空的钻杆内进行后退式注浆,注浆材料采用水泥—水玻璃双液浆。

钻杆就是注浆管，其为复合管，内管注水泥浆，外管注水玻璃，两种浆液最终在钻头部位汇合喷射出去。

3.1.2工艺流程
双液注浆施工工艺流程见图1。

超前分段后退式双液注浆系统图见图2。

3.1.3主要技术特征
①确保暗挖隧道注浆质量的前提条件，必须在封闭体内注浆，因此，掌子面要封闭形成止浆墙。

止浆墙厚度至少200 mm，采用素喷C20混凝土，必要时可以挂钢筋网。

②钻杆就是注浆管，先注水钻孔，钻杆钻到规定孔深后开始注浆。

钻杆是分节丝扣连接，每节钻杆2 m，便于在狭窄空间拼接和拆分。

钻杆总长度可达150 m，可以对150 m范围内的暗挖隧道注浆。

为针对不同地质条件采取更为灵活、更有针对性注浆，可以采用分段注浆，分段钻孔长度（注浆长度）宜为6 m～12 m，大于普通3.5 m注浆长度，有利于提高注浆工效。

③钻头就是喷浆头，注浆浆液在喷浆头集中向前喷射，浆液填充土层、砂层的裂隙和孔洞，土层中哪里薄弱,浆液就流向哪里，注浆达到规定压力或规定数量后，稳压10 min，注浆压力下降不超过10%，表明封闭体内注浆饱和。

注浆管向后退0.4 m，洗管后为下一次注浆作准备，防止浆液在注浆管接头位置渗流而堵管。

④洗注浆管后再进行注浆，再后退0.4 m，如此循环，直到钻杆（注浆管）后退至完全退出钻孔。

后段的注浆能填充前段注浆的薄弱环节，因此每一段注浆浆液扩散是均匀的、密实的。

开挖后，注浆浆脉明显，砂层能有效固结，确保开挖安全。

因此，超前分段后退式双液注浆效率比小导管高。

3.2围壁注浆和扩散注浆技术
3.2.1设计思路
初支外围采用围壁注浆，使初支外围形成浆脉（固结体），在开挖过程中护壁,使之不发生流砂和塌方。

掌子面采用扩散注浆，使掌子面中粗砂层固结，但又不会形成坚硬的固结体，便于掌子面开挖，加快施工进度，而开挖过程中成块的固结体不会突然崩塌伤人。

3.2.2实施程序
实施程序详见图1超前分段后退式双液注浆施工工艺流程和图2超前分段后退式双液注浆系统。

3.2.3主要技术特征
（1）围壁注浆技术参数如下：
双液浆配比（体积比）=水泥浆∶水玻璃溶液=1∶1
水泥浆配比（重量比）=水∶水泥=1∶1=700 kg水∶700 kg水泥
水玻璃溶液配比（体积比）=水∶水玻璃=2∶1
注浆压力按0.2 MPa～0.5 MPa控制，当注浆压力达超过0.5 MPa以后，稳压10 min，注浆压力下降不超过10%，表明封闭体内注浆饱和，注浆管后退0.4 m，洗管后再进行注浆。

注浆孔沿着初支外围护壁弧形布置，孔位间距0.8 m。

由于钻机是放在暗挖隧道内，因此，钻孔时要有一定外插角度，目的是将初支外围砂层固结形成护壁。

外插角度还与每次注浆长度有关，为适应地质变化而采取有针对性注浆，一般注浆管长度适宜6 m～10 m，因此注浆管外插角度适宜5°～10°。

针对上导洞拱脚部位和下导洞拱墙部位流水流砂现象严重，采取重点注浆措施，注浆孔孔位加密。

（2）扩散注浆技术参数如下：
双液浆配比（体积比）=水泥浆∶水玻璃溶液=1∶1
水泥浆配比（重量比）=水∶水泥=1∶0.7=700 kg水∶500 kg水泥
水玻璃溶液配比（体积比）=水∶水玻璃=3∶1
对比围壁注浆参数可以发现，扩散注浆水泥用量和水玻璃用量有所减少，使得砂层固结但又不会形成坚硬的固结体。

注浆压力按0.2 MPa～0.5 MPa控制，当注浆压力达超过0.5 MPa以后，稳压10 min，注浆压力下降不超过10%，表明封闭体内注浆饱和，注浆管后退0.4 m，洗管后再进行注浆。

注浆孔沿着掌子面梅花形布置，排距0.8 m，每排孔位间距0.8 m。

钻孔不需考虑外插角度。

每次注浆长度与围壁注浆一样。

（3）注浆顺序:先围壁注浆，后扩散注浆。

掌子面扩散注浆顺序，采取“从上到下、跳一排孔、隔一个孔”方法，完成奇数系列孔位后，偶数系列孔位既是注浆孔也是检查孔。

当注浆压力超过0.5 MPa时，稳压10 min，注浆压力下降不超过10%，表明封闭体内注浆饱和，偶数系列孔位可以省略（图3）。

（4）分段注浆、开挖后，针对不同地质条件采取有针对性注浆，对流水流砂较为严重部位重点注浆，流水较少、不流水部位省略注浆，有利于提高注浆工效。

最终重点注浆孔位布置详见图4。

3.3下导洞引水控水技术
3.3.1设计思路
通过暗挖施工实践，我们发现流水规律，水往低处流，哪里先开挖，水就从哪里先流进来，而暗挖隧道横断面另一侧就很少水。

对砂层、特别是冲积—洪积粉细砂层（带有一定粘性的粉细砂）而言，在流水很小条件下能够自稳，因此，排水和引水为暗挖施工创造了有利条件。

暗挖隧道的流水规律，前提条件是有长管棚，长管棚好比一把伞，地下水顺着长管棚的拱向下流。

在隧道内，利用流水规律进行引水。

按照中隔壁法施工，先开挖右上导洞，水从右侧拱脚部位先流进来，左上导洞跟进开挖时，左侧拱脚部位就很少水，确保了左上导洞开挖顺利进行。

在下导洞破洞门之前，预测水集中在右下导洞。

通过风钻对左下洞门和右下洞门打探水孔，右下洞门探水孔出水量较大且一直在流，左下洞门探水孔水流了一段时间就不流了，验证了预测。

3.3.2实施程序
暗挖隧道开挖依据中隔壁法(分成4个导洞开挖)和流水规律，四个导洞开挖先后顺序：右上→左上→左下→右下。

3.3.3主要技术特征
通过调整下导洞进洞顺序来引水，不按常规“右上导洞先进、相应右下导洞也先进”思路，而是“左下导洞先进”，这样，原来集中在右上导洞的水源，就会向下绕流到暗挖隧道下导洞中间，左下导洞向前开挖水源也会跟着向前移动，右下导洞与左下导洞保持5 m跟进开挖，右下导洞开挖时水就很少，砂层能够自稳，确保了右下导洞开挖顺利进行。

水源绕流到暗挖隧道下导洞中间，即使下导洞掌子面中间出现流水流砂现象，也不会引起路面的塌方，因为上导洞格栅钢架和临时仰拱已经成小环。

将水源从暗挖隧道中间用PVC管直接引出来，而不是从拱墙外围护壁流进来，增加了围壁稳定性。

因此，通过调整下导洞进洞顺序来引水，确保了下导洞开挖安全（图5~图7）。

3.4上导洞留核心土技术
3.4.1设计思路
暗挖隧道开挖采用中隔壁法(分成四个导洞开挖)，在此基础上在上导洞留核心土（3 m长、2.5 m宽），小断面开挖可增加掌子面稳定性，核心土后面的临时仰拱与掌子面格栅钢架保持3 m紧跟着成小环，各导洞格栅钢架、临时仰拱和立柱保持5 m安全距离紧跟着闭合成大环，详见图8。

3.4.2实施程序
暗挖隧道中隔壁法（留核心土）开挖工艺流程见图9。

3.4.3主要技术特征
暗挖隧道格栅钢架与临时仰拱、临时立柱分节节点与隧道断面尺寸、开挖方法、地质条件密切相关，本项目每一环格栅钢架共分8段。

上导洞留核心土，相应的临时中立柱也要增加分节，详见图10。

4、实施效果
按照本施工技术实施后，根据第三方监测数据表明，同泰路路面下沉不超过10 mm，暗挖隧道拱顶下沉不超过15 mm，均满足设计和施工规范要求，确保了同泰路交通正常运行。

现在场情况表明，暗挖隧道初支外围形成坚硬护壁便于安装格栅钢架，掌子面砂层固结但比较好挖，下导洞水被引到隧道中间，下导洞两侧水比较小，未出现较大的流水流砂、塌方现象，解决了暗挖通道埋藏浅、地下水丰富、全断面砂层、流水流砂、冲积—洪积粉细砂层遇水软化等难题，确保了暗挖隧道开挖的安全，也加快了暗挖的施工进度，比原计划提前8天贯通隧道。

隧道贯通见图11所示。

5、结语
本项目暗挖通道，针对富水砂层复杂地质条件，我司勇于技术创新，取得了以下成果：
（1）富水砂层条件下浅埋暗挖隧道采用超前分段后退式双液注浆工艺，注浆效果好。

（2）创新地采用围壁注浆和扩散注浆技术，使初支外围形成固结体，在开挖过程中护壁不发生塌方，使掌子面中粗砂层固结，但又不形成坚硬的固结体，便于掌子面开挖，加快施工进度，而且开挖过程中成块的固结体不会突然崩塌伤人。

（3）采用降水和引水等预排水技术，将水引到隧道中间，使隧道两侧很少水甚至无水，加强了砂层自身稳定性，特别是冲积—洪积粉细砂层（带有一定粘性的粉细砂）在流水很小条件下能够自稳，有利于暗挖施工。

预排水技术与预注浆技术结合在一起，相辅相成，取得一定的经济效益。

（4）在原设计中隔壁法基础上，于上导洞留核心土，小断面开挖可增加掌子面稳定性，确保暗挖施工安全。

（5）总结出富水砂层地质条件下浅埋暗挖隧道施工：“预排水、预注浆、小断面开挖、及早成小环、大环套小环”的指导思路。

本优化技术的研究与成功实施，对于在类似富水砂层复杂地质条件下、拱顶埋深5m的暗挖隧道项目具有很好的参考与借鉴作用。

参考文献（略）。