北京地铁14号线右安门外站～北京南站区间注浆止水及加固技术.doc

北京地铁14号线右安门外站～北京南站区间注浆止水和加固技术

摘要：北京地铁14号线右安门外站~北京南站区间地质条件复杂多变，施工过程中拱部土体出现渗水、涌水等情况，导致拱部粉土出现透镜体流沙、乱石层和粉土块状脱落。为避免拱部出现严重坍塌，保证施工安全，开挖前采取袖阀管深孔注浆和前进式注浆等方法对拱顶前方土体进行了预加固，通过现场实际反映的效果以及数值分析与监测结果的比对，表明浆液扩散良好，取得了预期的止水加固效果。
关键词：涌水；塌方；前进式注浆技术；袖阀管注浆；数值分析；监测
Abstract: Groundwater seepage and inflow occurred in the construction process of You anmen~Beijing South Railway Station section of Beijing Metro Line 14 due to complicated geological conditions, which resulted in collapse of shifting sand lens, cobble stone and silt. Towards this end sleeve valve deep-hole grouting and advance grouting techniques were adopted to pre-support the earth of tunnel crown before excavation in order to prevent further collapse of advance earth of tunnel crown and ensure construction safety. Due to the good diffusion of cement slurry, It demonstrated that the purpose of waterproofing and reinforcement was reached by means of in-site grouting effects and the comparison of numerical analysis and monitoring data.
Key words: groundwater inflow, collapse, advance grouting technique, sleeve valve barrel grouting, numerical analysis, monitoring
1 工程概况
右安门外站~北京南站矿山法区间位于北京市的西南角，南三环与南二环之间，属北京市丰台区。本区间自右安门外站沿凉水河北岸向东，穿越开阳里西巷、开阳里东巷、开阳路与北京南站预留工程对接，具体位置见图1，地质剖面见图2。
右~北区间
右安门外站
1#竖井
开阳路
凉水河
右安门外大街
2#竖井

图1 区间平面位置图
2 地质条件分析
（1）拱部上方为圆砾、卵石层与粉土层界面，通过现场小导管打设观察到，拱顶距圆砾、卵石层厚度10~20cm，拱顶两临界面土层土体稳定性差，易形成坍塌。
（2）横通道开挖过程中揭露出：圆砾、卵石层上层滞水水量较大，达到3.5m3/h。
（3）拱部粉土层土体太薄，薄的粉土层无法起到隔水和稳定作用，并且在打设超前注浆管时易出现打通粉土层，导致粉土层破碎、坍塌，进而造成上层圆砾、卵石层形成灾害性塌方。
（4）拱部上方为上层滞水界面，上层滞水丰富，上层滞水下渗，导致粉土层含水丰富，粉土层土体渗透性为中等，遇水极易软化、出现块状剥离性溃塌。

图2 右线地质剖面图
3 注浆加固工艺的确定
本注浆工程的要求是：①止水，保证开挖时无渗水；②加固，保证开挖时不出现塌方现象；③施工工期要求高，注浆工艺必须简单易行，做到快速施工，并且能配合开挖速度；④注浆工艺实施的造价不能过高。
目前在国内地下工程中，水平深孔注浆加固施工（垂直注浆除外）主要采用四种注浆工艺，分别是双重管注浆工艺（也称WSS工艺）、水平旋喷注浆工艺、水平袖阀管注浆工艺和TGRM前进式注浆工艺。这四种方法的工艺特点及比选如下：
3.1 双重管注浆工艺（WSS）[1]
双重管注浆技术是采用双重管钻机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—水玻璃双液浆或改性水玻璃浆。该工法的优点是实现了长距离的深孔注浆，相对于传统的小导管注浆工艺扩大了注浆加固范围；缺点是该工艺仅能使用速凝材料的水泥—水玻璃双液浆或改性水玻璃浆，液浆固结体的有效强度只能维持两周左右的时间，两周后浆液将分散流失，在隧道壁上出现白色挂浆固体，所以双重管注浆只适合于对注浆加固效果要求时间不长的临时性注浆加固，不适用于对沉降要求较高的构筑物穿越注浆加固项目。
3.2 水平旋喷注浆工艺
水平旋喷注浆是在竖直旋喷注浆工艺基础上发展而来的一种注浆工艺，其原理是浆液在高压作用下（20MPa以上）剪切置换地层，在隧道前方形成浆土加固混合体。水平旋喷注浆的优点是加固效果直观、浆液固结体强度高，缺点是仅能适用软土地层，注浆工作压力很高，对地层破坏剪切严重，浆液回流损失率高（40%以上），施工成本较高，施工环境不好，容易产生地表隆起。
3.3 水平袖阀管注浆工艺[2]
水平袖阀管注浆是一种“精细”的注浆方法，工序是先施作袖阀管，在袖阀管内插入止浆塞（水囊、气囊或皮碗式）进行分段注浆。水平袖阀管注浆的优点是能实现真正意义上的定域、定压、定量、往复精细注浆，注浆施工质量有保证。缺点是施工成本相对较高和施工速度较慢，一般仅在特别困难的地层或特别重大风险源注浆加固中推荐采用。
3.4 分段前进式超前深孔注浆工艺[3]
TGRM分段前进式超前深孔注浆工艺是一种钻、注交替作业的注浆方式，即在施工中，实施钻一段、注一段，再钻一段、再注一段的钻、注交替方式进行钻孔注浆施工。每次钻孔注浆分段长度2~3m。止浆方式采用孔口管法兰盘止浆。该工艺的特点是使用特定的灌浆材料，工艺简单、施工速度快、效率高，施工成本相对较低且注入的浆液为永久加固，浆液不分解。
3.5 组合注浆工艺的确定
综合本工程对注浆效果的要求和分析以上四种注浆工艺的特点及成本、工期等综合因素，决定采用袖阀管深孔注浆工艺为主，当遇到卵石层不能成孔时，前进式注浆和袖阀管注浆相结合，确保注浆止水和加固的效果。
前进式分段注浆施工工艺模式如图3，袖阀管注浆施工工艺模式如图4。

图3 前进式分段注浆施工工艺图

图4 袖阀管注浆施工工艺图
4 注浆参数设计
（1）注浆加固范围。由于要求注浆加固效果达到隧道开挖过后，掌子面止水和加固的效果，结合类似工程经验，隧道前进方向加固循环长度为12m，开挖10m，预留2 m作为止浆岩盘。注浆施工前掌子面需喷射10~15cm厚的混凝土封闭。

图5 注浆加固范围横断面示意图 图6 注浆加固范围纵断面示意图
（2）袖阀管注浆工艺孔位布孔方式采用圆形布孔法，每循环共布置2圈，共计17根，钻孔角度呈放射状。袖管管注浆工艺孔位布孔方式采用沿拱顶呈弧形布置，终孔时的孔孔间距60cm，孔位布置分别如图5、图6所示。
（3）注浆参数。注浆材料采用普通硅酸盐水泥浆，浆液的水灰比为0.8~1.2：1，袖阀管的套壳料采用普通水泥与普通膨润土参配，配合比为水泥：膨润土：水=1：2：3，其他参数详见表1。
表1 注浆参数表
序号
工艺参数
注浆压力
浆液扩散半径
分段长度
浆液凝结时间
浆液水灰比
1
前进式注浆工艺
0.2~0.3MPa
80cm
3~4m
10min
0.8：1
2
袖阀管注浆工艺
0.8~1MPa
60cm
60cm
30min
0.8~1.2：1
5 组合注浆施工工艺施作过程
本段注浆施工自2011-8-6开始，至2011-10-16结束，历经70天，共完成8个循环80米的注浆施工任务，其中每循环注浆施工时间在4~5天，其余为工序交换、开挖支护等时间。具体的注浆加固施工工艺和过程如下：
5.1 施作止浆墙
止浆墙采用喷射C30混凝土，厚度10-15cm，施做止浆墙时一次性喷射成型，并确保混凝土止浆墙的强度及注浆施工质量。
5.2 先进行前进式注浆施工
注浆孔采用ZDY-1500钻机成孔，钻孔后安设Φ108mm孔口管，孔口管长度80cm，孔口管装入土层内60cm，外露20cm，再进行前进式分段深孔注浆。
5.3 前进式深孔注浆的施作顺序
前进式注浆孔的施作顺序基本上按以下原则进行：
① 跳孔施作。注浆孔的施作要求跳孔进行，即先施作奇数孔，然后钻偶数孔，成孔后进行袖阀管注浆。这种施作顺序既能较好的控制注浆区域，保证注浆效果，又能节省浆液的用量，而且能保证工期。
② 袖阀管注浆工艺施工采用“注一遍套壳料、二遍浆液”的注浆方法，顺序为：先注套壳料→再注水泥浆浆（水灰比为0.8：1~1:1）。

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6 数值分析
为了验证注浆加固效果，并预测加固后的地面沉降值和隧道拱顶及边墙的收敛情况，笔者对上述注浆加固施工进行了数值分析。
6.1 模型的建立
模型选取典型开挖断面作为研究对象，地表往下的地层依次为素填土、卵石层、砂层和基岩，隧道埋深12m。为了消除边界的影响，模型边界取为隧道跨度的3倍，边界条件为底部Y方向固定，左右边界X方向固定，上部为自由面。对注浆效果的模拟则采取提高加固范围内土体的物理力学参数的方法，加固范围为拱顶120°内的区域。同时还在地表以及隧道拱顶和边墙位置分别设置了位移跟踪点，以便将记录的位移值和实际监测数据进行比对。

图7 模型的网格划分

6.2 计算结果分析
图8和图9分别是注浆加固前后塑性区的分布情况，从图中可以看出，加固后不仅是隧道周围土体的受力状况得到改善，塑性区有所减小，更重要的是地表下方的塑性区范围也明显减小，从而对地表沉降起到了很好的控制作用，说明加固效果较为显著。

图8 注浆加固前的塑性区分布 图9注浆加固后的塑性区分布
从图10、图11可以清楚看出加固前后竖向位移的变化情况，加固前后的最大竖向位移均出现在地表，加固前的最大值为14cm，加固后的最大值为8.4cm，与加固前相比减小了约43%，拱顶的收敛值约减小了50%；图12、图13是加固前后水平位移的变化情况，计算结果表明，左侧边墙的收敛值由加固前的3.9cm减小为加固后的1.8cm，减小幅度约为28%，右侧边墙的收敛值则由加固前的3.3cm减小为加固后的1.8cm，减小幅度约为45%，显示注浆对洞内的收敛也起到了较好的控制作用。

图10 注浆加固前的竖向位移 图11注浆加固后的竖向位移

图12 注浆加固前的水平位移 图13注浆加固后的水平位移
图14、图15分别为地面沉降实测值与模拟值以及拱顶收敛实测值与模拟值的对比结果，从图14可以看出，模拟值较实测值要大，沉降速率也略大于实测值，这可能与隧道上覆地层的物理力学参数的取值有关；图15显示，拱顶收敛值与实测值非常接近，且收敛速率也极为近似，说明注浆加固效果与预期的基本吻合。

图14 地面沉降实测值与模拟值的对比 图15拱顶收敛实测值与模拟值的对比

7 注浆效果评价与体会
1、 通过开挖掌子面显示，浆液扩散，封堵了水流通道，到达了止水的目的。开挖过程中拱部土层始终稳定，未出现塌方，说明达到了加固的目的，进而可判定所采用的组合注浆施工工艺及方案合理有效。
2、 数值模拟的结果较为真实客观的反映了注浆加固的实际效果，通过模拟值与实际监测值的对比分析发现，对地层进行注浆加固后，无论是地面沉降值还是洞内收敛值都有较为明显的下降，说明注浆加固的效果比较显著，对地层强度的提高贡献颇大。
3、 在施工地下工程过程中，选择合适的注浆施工方法止水和加固土体，能保证开挖过程的安全和施工的顺利进行，节省工程费用，缩短施工工期。
4、 如果注浆加固的地层复杂多变，注浆要求达到的效果更高，则可通过增加袖阀管注浆孔的数量、注浆压力、反复注浆的次数等方法，进一步提高注浆施工的质量。
5、 每项注浆工程都有其特定的工程地质条件和注浆施作条件，并且注浆施工所要达到的效果和目的也都不尽相同，因此注浆工艺的选择一定要具有针对性。有的项目可以只选择一种注浆工艺，有的项目则需要多种注浆工艺的组合（比如此项目）才能达到预期的注浆效果。仅以一种注浆施工工艺“包打天下”的注浆施工方法是不可取的，盲目的注浆施工对工程本身的安全是个巨大的威胁，选择不恰当的注浆方案可能是在制造工程风险而非消除工程风险。

参考文献
[1] 刘百成，北京地铁十号线二重管无收缩双液注浆WSS工法施工技术，铁道建筑技术，2008年第03期
[2] 孔少波、王兴猛、张玉川，水平袖阀管深孔注浆在广州地铁的应用，现代隧道技术，2003年第04期
[3] 张民庆、彭峰，地下工程注浆技术，地质出版社，北京