陽(yáng) 云， 李廣躍

(1. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來(lái)，采用水下交通隧道方式跨越江河湖海逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)。鑒于工程地質(zhì)的特殊性和多樣性，穿越軟弱不良地質(zhì)段是海底隧道工程施工成敗的關(guān)鍵，也是急需解決的技術(shù)難題，而其本質(zhì)是加固圍巖、防水堵水的問(wèn)題[1]。超前帷幕注漿是加固堵水的最有效方法之一，結(jié)合典型工程對(duì)注漿技術(shù)的研究仍在不斷開展。

目前，我國(guó)規(guī)劃并建設(shè)了多個(gè)重要水下隧道工程，積累了寶貴的技術(shù)管理經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為水下隧道注漿技術(shù)提供了發(fā)展的機(jī)遇和研究平臺(tái)。文獻(xiàn)[2-3]研究了海底隧道突水機(jī)制及流固耦合理論，得出注漿圈堵水效果與其厚度相關(guān)，且注漿圈厚度與其滲透系數(shù)成正比，并系統(tǒng)分析了注漿加固圈厚度對(duì)地層沉降的影響關(guān)系，據(jù)此提出海底隧道不良地質(zhì)段的地層加固范圍；文獻(xiàn)[1,4]結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究案例及成果，對(duì)水下隧道建設(shè)，尤其是廈門海底隧道的關(guān)鍵技術(shù)難題進(jìn)行了分析和討論，得出全斷面帷幕注漿是海底隧道施工最為現(xiàn)實(shí)的輔助工法；文獻(xiàn)[5-9]結(jié)合不同的工程地質(zhì)特點(diǎn)，開展試驗(yàn)并確定了不同的注漿工藝和注漿參數(shù)，綜合看來(lái)全斷面超前預(yù)注漿處理軟弱地層效果良好，但注漿過(guò)程中要嚴(yán)格控制注漿工藝和注漿參數(shù)，注漿工藝以前進(jìn)式分段注漿為主，可結(jié)合后退式注漿；文獻(xiàn)[10-12]依托廈門典型水下隧道工程對(duì)全斷面注漿方案、海水對(duì)漿液強(qiáng)度影響、降水注漿結(jié)合施工等進(jìn)行了一定研究，結(jié)果表明，海水減緩漿液強(qiáng)度上升并加劇漿液稀釋及其不均勻擴(kuò)散，在砂層富水段可采用地下連續(xù)墻或降水井控制地下水，與隧道內(nèi)采用超前預(yù)注漿固結(jié)結(jié)合后再進(jìn)行施工；文獻(xiàn)[13-15]研究了相關(guān)注漿效果評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)以分析法為主，主要采用了p-q-t曲線法、涌水量對(duì)比法和漿液填充率反算法等。

綜上所述，過(guò)海隧道穿越的不良地質(zhì)條件多樣，考慮重點(diǎn)不盡相同，從而注漿方案、效果各異，沒有形成一套明確的注漿方案優(yōu)化思路，更無(wú)法直接使用以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。本文依托廈門地鐵3號(hào)線本島至翔安過(guò)海隧道工程，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不均勻軟弱圍巖條件，結(jié)合前人的研究成果和施工經(jīng)驗(yàn)，不僅僅局限于驗(yàn)證原有設(shè)計(jì)方案的合理性，而是從整體上根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，按照“減少鉆孔、配套優(yōu)化”思路，結(jié)合多種檢驗(yàn)方法，對(duì)方案更改過(guò)程中一系列關(guān)鍵性措施實(shí)施后的應(yīng)用效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以達(dá)到快速指導(dǎo)施工的目的。

1 工程概況

廈門本島至翔安過(guò)海隧道工程(五緣灣站—會(huì)展中心站區(qū)間)，線路起自五緣灣站，沿既有鐘宅路向東下穿廈門東海域后，接入翔安側(cè)會(huì)展中心站，區(qū)間起終點(diǎn)里程為右線4 908.708 m、左線4 918.809 m，采用盾構(gòu)+鉆爆法分段施工，如圖1所示。其中，斜井陸域暗挖段以Ⅴ級(jí)圍巖為主，水源豐富，為保證結(jié)構(gòu)施工安全，對(duì)斜井段XDK0+236～+400段采用超前帷幕注漿進(jìn)行加固，長(zhǎng)度164 m。

1.1 工程地質(zhì)

根據(jù)工程地質(zhì)勘查資料，斜井陸域段地層依次為雜填土，填砂，淤泥，殘積砂質(zhì)黏性土，全、強(qiáng)、微風(fēng)化花崗巖層；海域段位于全、強(qiáng)、微風(fēng)化花崗巖層。工程注漿區(qū)間地質(zhì)縱剖面圖見圖2。

圖1 廈門過(guò)海隧道工程地理位置示意圖

圖2 工程注漿區(qū)間地質(zhì)縱剖面圖

其中，全風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖特征為： 褐黃色為主，局部灰白色，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)基本破壞，除石英外，其余礦物均已風(fēng)化成黏土礦物，干鉆易鉆進(jìn)，巖芯呈黏性土混石英質(zhì)礫石狀。散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖特征為： 褐黃色為主，局部灰白色，巖體結(jié)構(gòu)大部分破壞，局部尚可辨認(rèn)，除石英外，大部分礦物已風(fēng)化變異，礦物間聯(lián)結(jié)力散失，干鉆可鉆進(jìn)，巖芯呈密實(shí)礫砂含黏粒狀。

1.2 水文地質(zhì)

陸域廈門島內(nèi)側(cè)地下水主要受大氣降水的補(bǔ)給，向海域排泄，屬于潛水，勘察期間地下水位高程為0.73～3.43 m；上更新統(tǒng)沖洪積砂層松散巖類孔隙水、風(fēng)化基巖孔隙裂隙水及基巖裂隙水具承壓性，承壓水位埋深7.0 m，高程在-1.30 m左右。

2 注漿方案設(shè)計(jì)

針對(duì)該工程不良地質(zhì)地段的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，類比以往施工經(jīng)驗(yàn)，初步制定“99孔-25m”注漿方案： 1)超前預(yù)注漿徑向加固范圍為工作面及開挖輪廓線外5 m，縱向加固范圍為25 m，在13 m處增加1個(gè)補(bǔ)孔注漿斷面以減少注漿盲區(qū)(見圖3)； 2)注漿順序按“由外到內(nèi)、由上到下、間隔跳孔”的原則進(jìn)行，以達(dá)到分區(qū)注漿、控制加固的目的； 3)采取注漿p-q-t曲線分析、注漿前后涌水量對(duì)比和反算注漿后地層漿液填充率等方法對(duì)注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。注漿設(shè)計(jì)參數(shù)和注漿材料配比如表1和表2所示。

圖3 “99孔-25 m”設(shè)計(jì)注漿方案示意圖(單位： m)

Fig. 3 Sketch of design grouting scheme of "99 holes and 25 m of longitudinal reinforcement range" (unit: m)

表1 注漿設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 注漿材料配比

注漿采用前進(jìn)式分段注漿工藝，相比于一次性注漿和鉆桿后退式注漿而言，加大了掃孔工作量，但對(duì)于海底隧道特殊高風(fēng)險(xiǎn)地層，需實(shí)時(shí)掌握前方地層情況，其注漿量更大，加固效果更好，且分段逐步推進(jìn)，安全系數(shù)更高。

3 注漿問(wèn)題及優(yōu)化過(guò)程

通常情況下，注漿鉆孔方案的優(yōu)化僅限于調(diào)整局部施工工藝和注漿參數(shù)。本項(xiàng)目中，由于初定注漿設(shè)計(jì)方案過(guò)于保守，在施工過(guò)程中效率低下，嚴(yán)重影響了后續(xù)工序的開展和相關(guān)工程的進(jìn)度，需要在短時(shí)間內(nèi)完成注漿方案優(yōu)化，尤其是鉆孔數(shù)量和加固段長(zhǎng)；其中，鉆孔數(shù)量由布孔方案、加固段長(zhǎng)以及現(xiàn)場(chǎng)情況等綜合確定。注漿方案在實(shí)施過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況動(dòng)態(tài)調(diào)整(見表3)，待應(yīng)用效果穩(wěn)定后確定最終實(shí)施方案。此次超前注漿過(guò)程共9個(gè)循環(huán)，至第5循環(huán)得到最佳優(yōu)化注漿方案，順利完成工程目標(biāo)。

表3 不同循環(huán)優(yōu)化方案匯總

4 優(yōu)化措施及效果分析評(píng)價(jià)

4.1 優(yōu)化措施

4.1.1 鉆孔數(shù)量

注漿方案中的鉆孔數(shù)量經(jīng)歷2次調(diào)整，其根據(jù)加固范圍和擴(kuò)散半徑計(jì)算的理論孔數(shù)為72孔，第1循環(huán)為更好地填充初始孔隙，提升安全系數(shù)，增加至鉆孔數(shù)量為99孔；之后根據(jù)開挖效果，調(diào)整回72孔；第4循環(huán)開始，為提高施工進(jìn)度，將加固區(qū)范圍由圓形優(yōu)化為隧道輪廓線形狀(見圖6和圖7)，在漿液擴(kuò)散半徑保持不變的情況下，通過(guò)終孔交圈計(jì)算，進(jìn)一步減少孔數(shù)至56孔。

圖4 噴射混凝土止?jié){墻開裂漏漿

圖5 注漿壓力稍大致使地面開裂

圖6 “72孔-30 m”注漿方案示意圖(單位: m)

Fig. 6 Sketch of design grouting scheme of "72 holes and 30 m of longitudinal reinforcement range" (unit: m)

圖7 “56孔-25 m”注漿方案示意圖(單位: m)

Fig. 7 Sketch of design grouting scheme of "56 holes and 25 m of longitudinal reinforcement range" (unit: m)

4.1.2 鉆孔布置

超前注漿的布孔斷面大小和加固斷面形狀在一定程度上決定了工作量和工作效率。將全斷面布孔改為半斷面布孔，加固斷面由圓形改為馬蹄形，在保證注漿區(qū)域的情況下，不需要調(diào)節(jié)注漿平臺(tái)高度，提高鉆孔和注漿效率，每循環(huán)節(jié)省調(diào)整注漿平臺(tái)時(shí)間3 d。

4.1.3 加固長(zhǎng)度

優(yōu)化期間嘗試加固長(zhǎng)度為30 m，增加循環(huán)進(jìn)尺，但加固長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)使得鉆孔過(guò)深，鉆孔效率降低，塌孔現(xiàn)象增加；最終設(shè)計(jì)加固長(zhǎng)度為25 m，其綜合施工(鉆孔+注漿+開挖)速度最快。

4.1.4 止?jié){墻設(shè)計(jì)

在過(guò)海隧道施工中，為防止圍巖地下水和注漿漿液泄露，需設(shè)計(jì)止?jié){墻，其強(qiáng)度應(yīng)能夠承受注漿壓力和地下水壓。根據(jù)施工情況，原設(shè)計(jì)噴射混凝土止?jié){墻厚1.5 m，存在開裂漏漿現(xiàn)象，后改為模筑混凝土，厚2 m，既保證了止?jié){墻的強(qiáng)度，又沒有因?yàn)楹穸冗^(guò)大而降低鉆孔效率。

根據(jù)NB/T 51030—2015《煤礦井巷工作面注漿工程施工與驗(yàn)收規(guī)范》[16]第6.5.3條，單級(jí)平面型混凝土止?jié){墻厚度計(jì)算公式如式(1)所示。原設(shè)計(jì)計(jì)算厚度為2 m，但由于地質(zhì)條件的不均勻性，現(xiàn)場(chǎng)存在開裂現(xiàn)象，為保證設(shè)計(jì)質(zhì)量和安全，提高計(jì)算安全系數(shù)，更改后計(jì)算厚度為3 m。

(1)

式中：B為混凝土止?jié){墻厚度，m；K為安全系數(shù)，一般取1.0～2.0；ω為作用在墻上的荷載，N；b為止?jié){墻厚度，m；h為巷道高度，m； [σ]為混凝土允許抗壓強(qiáng)度，MPa。

由于止?jié){墻臺(tái)階局部存在輕微開裂現(xiàn)象，按照止?jié){墻厚度更改思路，相應(yīng)增加了嵌固深度。

4.1.5 注漿工藝補(bǔ)充

采用分段前進(jìn)式注漿，孔前段注漿質(zhì)量易保證，但掃孔工作量大，塌孔后質(zhì)量不易控制，因此，在各孔均使用PVC套管輔助孔底注漿，在富水段采用鋼管，且提高注漿漿液中雙液漿的比例至50%。

4.1.6 配套機(jī)械

施工期間，1臺(tái)鉆機(jī)24 h連續(xù)作業(yè)，2臺(tái)注漿機(jī)24 h連續(xù)平行作業(yè)，快速掃孔注漿；設(shè)立專職人員，制定專項(xiàng)設(shè)備保養(yǎng)方案，防止海水腐蝕，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)；在全斜井112 d作業(yè)時(shí)間內(nèi)，僅中斷50 h。

4.2 注漿效果

4.2.1p-q-t曲線分析

注漿p-q-t曲線區(qū)域(見圖8)中設(shè)計(jì)終壓即為最終設(shè)計(jì)注漿壓力，由于現(xiàn)場(chǎng)注漿過(guò)程中注漿壓力p和注漿速度q均存在一定范圍的變化，圖中曲線實(shí)際為變化范圍的最小值和最大值，為“區(qū)域”邊界線。具有分析意義的，是由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到2條虛線構(gòu)成的q-t區(qū)域及2條實(shí)線構(gòu)成的p-t區(qū)域，其發(fā)展趨勢(shì)分別代表了注漿過(guò)程中注漿壓力p和注漿速度q的發(fā)展。圖中注漿壓力p達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，且總注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量，才可認(rèn)為一次注漿作業(yè)保質(zhì)保量完成。

由此來(lái)看，開始時(shí)注漿壓力在1～2 MPa，注漿速度在35～65 L/min；隨著施工進(jìn)行，注漿壓力呈曲線上升，逐漸達(dá)到設(shè)計(jì)終壓2.5 MPa，克服地層初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，發(fā)生劈裂后進(jìn)行注漿，同時(shí)注漿速度亦成曲線,明顯下降至15～25 L/min。

圖8 實(shí)測(cè)注漿p-q-t區(qū)域圖

4.2.2 涌水量對(duì)比法

通過(guò)對(duì)比注漿前后涌水量(見圖9)，簡(jiǎn)單直觀地對(duì)注漿堵水效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。由圖可知： 注漿堵水效果明顯，涌水量降低85%以上；自第5循環(huán)注漿方案穩(wěn)定后，涌水量降低90%以上，說(shuō)明優(yōu)化效果明顯，既能保證注漿質(zhì)量，又能提高施工效率。

圖9 每循環(huán)注漿前后涌水量對(duì)比

Fig. 9 Comparison of water inflow per cycle before and after grouting

4.2.3 漿液填充率反算法

通過(guò)統(tǒng)計(jì)單個(gè)循環(huán)的注漿量，可根據(jù)式(2)反算出漿液填充率，見表4；進(jìn)一步，可通過(guò)漿液填充率大小評(píng)定注漿效果。

Q=V·n·α·(1+β)。

(2)

式中：Q為注漿量，m3；V為加固圍巖體積，m3；n為地層孔隙率或裂隙度(注漿段巖性不均，存在弱風(fēng)化巖層，地層實(shí)際孔隙率及裂隙度難以把握，且水源充足，故此處取含水率)，%；α為漿液填充率；β為漿液損失率。

表4 各循環(huán)漿液填充率

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到漿液填充率均高于80%，滿足要求；尤其在含水率較高區(qū)域(第3到第6循環(huán))，漿液填充率達(dá)到90%左右，有效保證了工程質(zhì)量及安全。注漿效果如圖10所示。

(a)

(b)

4.3 施工效率

通過(guò)一系列優(yōu)化工藝措施，施工效率明顯提升。如圖11所示，隨著注漿方案的不斷優(yōu)化，從第1到第5循環(huán)，掃孔效率和注漿效率總體上不斷提高，掃孔效率提升至200 m/d以上，注漿效率提高3倍以上；第8、9循環(huán)地質(zhì)情況相對(duì)良好，掃孔量和注漿量大大減少。與此同時(shí)，綜合施工速度不斷提高，如圖12和13所示。第6循環(huán)因?yàn)榻鸫u會(huì)議，開挖進(jìn)尺有限，除去第6循環(huán)，平均達(dá)到1.72 m/d，是原設(shè)計(jì)方案施工速度的2倍。

圖11 優(yōu)化過(guò)程施工效率變化

Fig. 11 Variation of construction efficiency in process of optimization

圖12 各循環(huán)作業(yè)時(shí)間和開挖進(jìn)尺

圖13 各循環(huán)綜合施工速度

5 結(jié)論與建議

1)廈門地鐵3號(hào)線過(guò)海隧道注漿項(xiàng)目圍巖為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，含水率高且有豐富水源，采用分段前進(jìn)式超前預(yù)注漿進(jìn)行加固堵水，加固范圍為工作面及開挖輪廓線外5 m。

2)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工存在的問(wèn)題，在原有“99孔-25 m”注漿方案基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，使用模筑混凝土止?jié){墻，鉆孔數(shù)量由99孔減至56孔，加固長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為25 m，一次性施作注漿平臺(tái)，使用鋼管輔助孔底注漿，配合機(jī)械化無(wú)間斷施工，大大提升了鉆孔和注漿效率，掃孔效率提升至200 m/d以上，注漿效率提高3倍以上，綜合施工速度平均達(dá)到1.72 m/d，是原設(shè)計(jì)方案施工速度的2倍。

3)應(yīng)用優(yōu)化后注漿方案，涌水量降低90%以上，漿液填充率均高于80%，滿足要求；尤其在含水率較高區(qū)域，漿液填充率達(dá)到90%左右。

4)超前帷幕注漿方案的設(shè)計(jì)關(guān)系著工程質(zhì)量，同時(shí)與工程經(jīng)濟(jì)也緊緊聯(lián)系；方案優(yōu)化應(yīng)在保證工程質(zhì)量安全的基礎(chǔ)上，節(jié)約施工成本。其中，“減少鉆孔、配套優(yōu)化”是一個(gè)主要優(yōu)化方向，但應(yīng)因地制宜，根據(jù)不同地質(zhì)情況和施工條件，選擇相應(yīng)的優(yōu)化措施，最終可以進(jìn)一步通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，量化研究典型地層中各個(gè)優(yōu)化措施的應(yīng)用效果。

5)過(guò)海隧道環(huán)境特殊，需要注意設(shè)備的日常保養(yǎng)，同時(shí)針對(duì)海水對(duì)注漿材料、注漿效果的影響進(jìn)行更深入的研究。