文|西安市軌道交通集團(tuán)建設(shè)分公司 何小華
在西安城市軌道交通工程建設(shè)中,飽和軟黃土地層的風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)難度遠(yuǎn)大于其他地層,可以說(shuō)是西安城市軌道交通建設(shè)中風(fēng)險(xiǎn)最大的問(wèn)題,重點(diǎn)是降水引起的地面沉降過(guò)大和暗挖隧道的穩(wěn)定問(wèn)題。究其原因,主要是這層土孔隙大,含水量高,強(qiáng)度低,抗變形能力差,呈流塑狀態(tài),與其他地層相比,工程性質(zhì)惡劣很多。在具體工程中,降水引起的地面變形大,時(shí)間長(zhǎng),不易穩(wěn)定,隧道開(kāi)挖支護(hù)收斂變形大,易塌方。這層土在西安分布比較規(guī)律,以興慶公園為中心,方圓10km2內(nèi)均有層厚不同的飽和軟弱黃土。從地質(zhì)年代上講,飽和軟弱黃土主要有兩層:一是新黃土-飽和軟黃土,常稱(chēng)為3-1-3 層,均是由于地下水毛細(xì)作用或者說(shuō)地下水抬升過(guò)程中,濕陷性沒(méi)有發(fā)生,在長(zhǎng)期浸潤(rùn)作用下,黃土中支撐骨架聯(lián)結(jié)作用的鹽分進(jìn)行重分布,強(qiáng)度大幅度降低;二是老黃土-飽和軟黃土,常稱(chēng)為4-1-3 層,這層土分布在古土壤層底界的下方,也具有飽和軟黃土的性質(zhì)。
在近幾年西安城市軌道交通工程的實(shí)踐中,飽和軟弱黃土地層中發(fā)生了多起應(yīng)急搶險(xiǎn)的事故。如一號(hào)線某豎井降水開(kāi)挖后周邊建筑物沉降達(dá)到超過(guò)80mm;三號(hào)線某暗挖區(qū)間隧道發(fā)生塌方,造成較大安全事故;五號(hào)線某地裂縫暗挖區(qū)間降水和開(kāi)挖引起沉降超過(guò)200mm,嚴(yán)重影響市政設(shè)施和周邊建構(gòu)筑物的安全。為此探討在這種地層中的加固技術(shù)有重要的實(shí)踐價(jià)值。本文以地鐵三號(hào)線飽和軟黃土地層中暗挖隧道發(fā)生塌方為背景,重點(diǎn)探討應(yīng)急加固技術(shù)的應(yīng)用,旨在為同行提供參考。
圖1 穿越地裂縫暗挖段縱斷面
西安地鐵三號(hào)線長(zhǎng)樂(lè)公園-咸寧路站區(qū)間為盾構(gòu)+礦山法暗挖法,其中區(qū)間暗挖段隧道左線長(zhǎng)187.187m,右線長(zhǎng)194.359m,f5地裂縫穿越該暗挖段,暗挖斷面分為兩種,一是A 型斷面,開(kāi)挖輪廓為10.1(寬)×10.32(高)m;二是B 型斷面,開(kāi)挖輪廓為9(寬)×9.22(高)m,如圖1。支護(hù)型式采用復(fù)合式襯砌,即以小導(dǎo)管超前預(yù)注漿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和鋼架為初期支護(hù),以模筑鋼筋砼襯砌為二次襯砌組成,初期支護(hù)與二次襯砌間設(shè)全封閉防水隔離層。采用CRD施工工法、洞外降水。
該區(qū)間暗挖隧道穿越f5地裂縫,通過(guò)地段巖性復(fù)雜,以f5地裂縫為界,以北地層依次為:人工填土(素填土)、新黃土(水上)、古土壤、老黃土(水下),隧道掌子面土層為老黃土和古土壤,巖性較好;以南地層依次為:人工填土(素填土)、新黃土(水上)、飽和軟黃土、古土壤、老黃土(水下)。其中新黃土(水上)具濕陷性及高壓縮性,可塑,土質(zhì)均勻,天然狀態(tài)下較好,受水浸泡后性質(zhì)變差,并有可能變?yōu)轱柡蛙淈S土;飽和軟黃土力學(xué)性質(zhì)差、流塑、具高壓縮性。f5地裂縫走向NW280°,傾向SE,傾角89°,縫寬3mm,斷層涌水量3-5m3/h。f5地裂縫西起蔣家寨,經(jīng)長(zhǎng)樂(lè)公園至黃河實(shí)驗(yàn)小學(xué),是西安地裂縫活動(dòng)較強(qiáng)烈地段之一,長(zhǎng)樂(lè)公園車(chē)站附近地裂縫目前仍有明顯活動(dòng),垂直活動(dòng)速率約為5mm/a 左右。地下水主要為潛水,區(qū)間西側(cè)約1km 處興慶公園的興慶湖,水深2m、長(zhǎng)樂(lè)公園車(chē)站東北約400m 處有長(zhǎng)樂(lè)公園人工湖,水深約2m。施工區(qū)域地下水與以上兩處湖水有地下水利聯(lián)系。
地裂縫影響段坑外降水效果差,洞內(nèi)開(kāi)挖臨近帶水作業(yè)。左線隧道開(kāi)挖至地裂縫附近處,掌子面不斷發(fā)生細(xì)微塌方、涌泥現(xiàn)象,尤其是2013年1月19日凌晨2 時(shí),左線隧道開(kāi)挖鄰近地裂縫時(shí),隧道掌子面后出現(xiàn)大量涌水涌泥現(xiàn)象及塌方,現(xiàn)場(chǎng)立即噴射砼封閉掌子面并及時(shí)引、排由地裂縫附近涌出的地下水,如圖2。為確保施工安全,保護(hù)洞內(nèi)作業(yè)人員及拱頂上方污水、給水、燃?xì)夤芫€安全、維持地面正常的交通秩序,施工被迫停止。
圖2 左線隧道地裂縫處掌子面涌泥及局部塌方
通過(guò)對(duì)該暗挖隧道工程現(xiàn)場(chǎng)踏勘及研判后認(rèn)為,引起塌方和涌泥的主要原因有以下幾點(diǎn):一是飽和軟弱黃土呈流塑狀,降水效果不好,穩(wěn)定性差,二是受f5地裂縫的影響,坑外降水無(wú)法疏干地裂縫f5內(nèi)涌出的大量地下水。三是地裂縫貫穿整個(gè)開(kāi)挖的斷面,常規(guī)的超前小導(dǎo)管壓入單液漿無(wú)法起到應(yīng)有的效果。
圖3 區(qū)間左右線全斷面注漿平面圖
坍塌情況出現(xiàn)后,項(xiàng)目部立即上報(bào)業(yè)主,由業(yè)主主持召開(kāi)了專(zhuān)題會(huì)議,監(jiān)理、工點(diǎn)設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)單位、施工單位等相關(guān)人員共同參與研究制定了加固處理技術(shù)方案。主要有兩種方案,方案一是持續(xù)降水;方案二是全斷面壓入雙液漿。降水方案由于地層為飽和軟黃土,降水可能引起的沉降較大,類(lèi)比同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn),預(yù)期會(huì)超過(guò)50mm,在交通主干道,風(fēng)險(xiǎn)較大,且依據(jù)本段降水經(jīng)驗(yàn)看,降水后,地裂縫帶內(nèi)水無(wú)法完全疏干。最終選擇采用方案二,具體為在區(qū)間左、右線f5地裂縫前后8m 進(jìn)行全斷面注漿加固,加固范圍為隧道開(kāi)挖面及上下、左右各2m。全斷面注漿孔按1m×1m 梅花形布置,注漿管采用6m 長(zhǎng)Φ48×3.5mm 鋼管。注漿材料為雙漿液(水泥:水玻璃為1:1),全斷面注漿分4 個(gè)循環(huán)施作。施工時(shí),打設(shè)6m 鋼花管,注漿完成后,開(kāi)挖進(jìn)尺4m,余2m 止?jié){墻,然后開(kāi)始下一循環(huán)。根據(jù)隧道的CRD 開(kāi)挖工法,每個(gè)導(dǎo)洞每循環(huán)注漿結(jié)束并查明確認(rèn)加固效果后再進(jìn)行開(kāi)挖,若加固效果不佳則應(yīng)補(bǔ)注。如圖3所示。
圖4 掌子面注漿孔、超前地質(zhì)探孔分布圖
施工時(shí)注漿孔位布設(shè)分為兩部分,第一部分為開(kāi)挖輪廓線外。第二部分為預(yù)留核心土西側(cè)、頂部的掌子面范圍內(nèi)。
第一部分注漿管(原設(shè)計(jì)超前小導(dǎo)管)采用6m 的注漿花管(以6m 花管為主要注漿管,若6m 無(wú)法打設(shè),可打入3m 花管),在開(kāi)挖輪廓線處注漿花管布設(shè)環(huán)向間距15-20cm、打設(shè)花管時(shí)盡量向開(kāi)挖輪廓線外傾斜,(角度15-20°)。第二部分注漿花管沿預(yù)留的核心土西側(cè)、頂部間隔1m 梅花形打設(shè)6m 鋼花管。如圖4所示。
將40Be 的水玻璃稀釋成30Be,水玻璃模數(shù)為2.4,盛放在帶標(biāo)簽的容器內(nèi)待用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),按一定比例將稀釋硫酸與水玻璃配制成水玻璃溶液,通過(guò)雙液注漿泵將水泥-水玻璃雙液漿注入前方預(yù)加固土層。水泥漿水灰比1:1-0.6:1,水泥標(biāo)號(hào)425,注漿材料應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件反復(fù)試驗(yàn)比選確定,最終配比為:水泥漿水灰比1:1;水泥漿水玻璃體積比1:1,緩凝劑摻量為1.9%,凝膠時(shí)間為60s。
TXU-75D 鉆機(jī)1 臺(tái)、SJB-300×2 連續(xù)供料攪拌器2 臺(tái)、ZTGZ-60/210 型注漿泵1臺(tái),測(cè)定儀1 臺(tái)。
圖5 30BE 水玻璃不同水灰比下凝結(jié)時(shí)間折線圖
圖6 上導(dǎo)洞掌子面雙液注漿
起始注漿壓力0.2~0.4mPa,最大注漿壓力2~3.5mPa。在進(jìn)行漿液壓注時(shí),壓力控制采用一次升壓法,注漿開(kāi)始短時(shí)間內(nèi)將壓力升到最大壓力,并一直保持至壓漿結(jié)束。在恒定的壓力下每一級(jí)濃度漿液累計(jì)吸漿量達(dá)到一定限度后由試驗(yàn)部門(mén)調(diào)整配比。
首先對(duì)掌子面及拱腰位置的明水進(jìn)行集中明排,注漿時(shí)先對(duì)開(kāi)挖輪廓線的花管注漿,再注掌子面。先注無(wú)流水孔,后注有流水孔,從拱頂向下的順序依次注漿。如圖6。
(1)注漿過(guò)程中為防止掌子面冒漿,對(duì)掌子面掛網(wǎng)噴射150mm 左右的砼對(duì)其封閉。
(2)注漿首先采用1:1 單液漿填充隧道塌方形成的空洞,待空洞填充密實(shí)后,壓注雙液漿加固開(kāi)挖掌子面。
(3)下導(dǎo)洞打設(shè)2 個(gè)Φ108 排水孔,使前方地層水沿排水孔集中明排。下導(dǎo)安排專(zhuān)人將積水抽至橫通道排水溝。
注漿后通過(guò)超前地質(zhì)探孔查明地層加固情況,并觀察掌子面是否有滲漏水現(xiàn)象。若加固情況良好則進(jìn)行開(kāi)挖。為加快封閉成環(huán)速度盡量避免過(guò)大范圍的擾動(dòng)加固地層,開(kāi)挖時(shí)CRD 工法的上部?jī)蓚€(gè)導(dǎo)洞各分兩次進(jìn)行。首先開(kāi)挖CRD 工法的左上導(dǎo)洞拱頂下2m 高范圍掌子面土方,然后初噴混凝土,再架設(shè)此部分格柵,預(yù)埋超前小導(dǎo)管套管(2 榀一道),噴射格柵混凝土,同時(shí)封閉上半部分掌子面;開(kāi)挖上導(dǎo)下半部分掌子面,邊開(kāi)挖邊初噴掌子面,1m(高)/1 次,開(kāi)挖完成后,架設(shè)下半部分鋼格柵,預(yù)埋超前小導(dǎo)管套管(2 榀一道),并及時(shí)架設(shè)臨時(shí)仰拱,噴射砼封閉。上下導(dǎo)洞錯(cuò)開(kāi)3m 后,開(kāi)始下部導(dǎo)洞全斷面注漿、開(kāi)挖方法同上部導(dǎo)洞。同樣的方法全斷面注漿后施工右上、右下導(dǎo)洞初期支護(hù)。
注漿后隧道開(kāi)挖過(guò)程中持續(xù)對(duì)影響范圍洞內(nèi)收斂及地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè),已加固段開(kāi)挖過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定,凈空收斂及地表沉降較未加固段效果明顯,初支結(jié)構(gòu)及地表沉降得到很好地控制。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析如下:
經(jīng)雙液漿加固后,地裂縫段飽和軟弱黃土加固體強(qiáng)度高、密實(shí)度好,止水效果佳、施工效率、開(kāi)挖的安全性顯著提高,確保了區(qū)間如期穿越了f5地裂縫段,開(kāi)挖的安全風(fēng)險(xiǎn)得到較好控制。對(duì)于西安淺埋暗挖穿越地裂縫類(lèi)似工況,在洞外降水無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果時(shí),采取雙液注漿措施固結(jié)土體能保證無(wú)水作業(yè)。f5區(qū)間隧道的順利實(shí)施所積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)、施工均有一定的指導(dǎo)意義。
圖7 注漿前后地表沉降日數(shù)據(jù)周變化曲線對(duì)比圖
圖8 注漿前后凈空收斂日數(shù)據(jù)周變化曲線對(duì)比圖