地鐵工程中土體加固施工技術(shù)的探討
2015-08-17
分離島式地鐵車站是近年來(lái)在復(fù)雜環(huán)境條件下出現(xiàn)的一種新型車站結(jié)構(gòu)類型，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是上下行站臺(tái)分離，分設(shè)于各洞內(nèi)；線路分別從不通視的兩個(gè)側(cè)洞穿過(guò)；車站各洞室之間通過(guò)聯(lián)絡(luò)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)客流連接和換乘。此種結(jié)構(gòu)一般為淺埋、大跨、動(dòng)載和在軟弱地層條件下修建的小凈距群洞結(jié)構(gòu)，由于圍巖較差，隧道開(kāi)挖后，洞間土柱在多次擾動(dòng)及地層荷載作用下極易塑化。因此，施工過(guò)程中如何確保洞間土柱的穩(wěn)定是分離島式地鐵車站能否暗挖成功的關(guān)鍵技術(shù)之一。為增強(qiáng)圍巖體整體穩(wěn)定性，提高其抗?jié)B性，改善車站結(jié)構(gòu)各硐室的整體受力性能，填充初支背后裂隙，控制地層變形，減小地面沉降，需要對(duì)洞間土體進(jìn)行徑向注漿加固。
1 工程概況
1．1 車站結(jié)構(gòu)
某車站主體采用單跨三洞地下局部雙層分離島式結(jié)構(gòu)，南北向布置，中間為雙層結(jié)構(gòu)，兩側(cè)站臺(tái)為單層結(jié)構(gòu)，三洞間以通道相連，見(jiàn)圖1所示。車站總長(zhǎng)169．2m，總寬度46．7 m，線間距40 m；中洞為單跨雙層結(jié)構(gòu)，埋深8 m，寬度14．4m，高15．5m，采用洞樁法施工；側(cè)洞為單跨單層結(jié)構(gòu)，埋深14 m，開(kāi)挖寬度10．810 m，高度9．435 m，采用CRD法(交叉中隔壁法)分為兩層4個(gè)導(dǎo)洞施工；中洞與側(cè)洞最小凈間距僅為4．54 m。
1．2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)
車站主要通過(guò)第四紀(jì)全新世沖洪積層和第四紀(jì)晚更新世沖洪積層，地層從上至下依次為粉質(zhì)粘土③1、粉細(xì)砂③3、中粗砂④ 4、圓卵礫石⑤、粉質(zhì)粘土⑥。中洞拱部、底部為粉質(zhì)粘土，邊墻為砂卵層，勘察雖未測(cè)到上層滯水，但車站頂部為砂質(zhì)粉土③層，夾粉細(xì)砂③3層，地下管線滲漏可形成上層滯水，分布極為不均勻，對(duì)暗挖施工的影響很大。潛水埋深16．94～l8．61 m，賦存于圓礫卵石⑤層和中粗砂⑤1ZC中，潛水含水層位于結(jié)構(gòu)中部，對(duì)主站體結(jié)構(gòu)施工有影響。承壓水埋深23．83～25．58 m，位于結(jié)構(gòu)底板附近，局部加深段高于結(jié)構(gòu)底板。承壓水頂面處的砂質(zhì)粉土⑥2層，受水位變化的影響，施工時(shí)極易產(chǎn)生液化。
2 土體加固的目的
車站主體中洞與側(cè)洞間距僅為4．5～6m，其主要地層組成為圓礫卵石⑤層、粉質(zhì)粘土⑥層、粘土⑥1層、粉土⑥2層，均屬Ⅵ級(jí)圍巖。其中粉質(zhì)粘土⑥層、粘土⑥1層、粉土⑥2層大部分布有承壓水，有一定的透水性，在地下水作用下易發(fā)生涌水、涌砂甚至突水等現(xiàn)象；中側(cè)洞圍巖體中圓礫卵石⑤層土體的穩(wěn)定性較差，且局部為潛水含水層，透水性較好，在地下水作用下易發(fā)生涌水、流沙、坍方等現(xiàn)象。
為解決以上可能發(fā)生的涌水、流沙、坍方等問(wèn)題，增強(qiáng)圍巖體整體穩(wěn)定性，提高其抗?jié)B性，改善車站結(jié)構(gòu)各硐室的整體受力性能，確保群洞施工安全，需要對(duì)洞間土體進(jìn)行徑向注漿加固。
3 土體加固的方法
3．1 加固機(jī)理
中側(cè)洞間土體采用徑向注漿加固，徑向注漿就是對(duì)硐室圍巖體進(jìn)行的注漿，應(yīng)根據(jù)圍巖體性狀選擇注漿方式。一般劈裂注漿適用于土顆粒小、滲透性也小的粘土層，滲透注漿適用于滲透性好、孔隙率較大、顆粒在0．5 mm以上的砂礫層。結(jié)合光華路車站中側(cè)洞圍巖體地質(zhì)情況，對(duì)粉細(xì)砂一粘土層按照劈裂注漿原理，采用袖閥管進(jìn)行后退式分段注漿；對(duì)中粗砂一砂礫石層按照滲透注漿原理，采用鋼花管進(jìn)行全孔一次性注漿。
袖閥灌漿是采用預(yù)埋具有單向止?jié){閥的管材，實(shí)現(xiàn)一次成孔多次灌漿的目的，漿液經(jīng)注漿泵加壓后從袖閥管注漿管段的射漿孔進(jìn)入地層，當(dāng)壓力逐漸增大到一定程度，再加壓漿液就會(huì)沿著地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生初始劈裂流動(dòng)，此時(shí)由于供漿量小于吃漿量，壓力會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)，續(xù)后的漿液在持續(xù)壓力作用下使得劈裂裂縫不斷地向外延伸，漿液在土體中形成抗剪能力強(qiáng)的波浪網(wǎng)狀漿脈復(fù)合體，以增強(qiáng)圍巖體整體穩(wěn)定性及提高其抗?jié)B能力。
鋼花管徑向注漿加固主要是注漿管周圍通過(guò)漿液的滲透在附近形成堅(jiān)固的漿柱體，相鄰注漿管周圍的漿柱體相互銜接，形成連續(xù)的漿液固結(jié)體。同時(shí)注漿管連同滲透、擴(kuò)散漿液形成抗剪強(qiáng)度高的樁體，起到錨桿加固的作用。
3．2 施工方法
車站中側(cè)洞間土體加固斷面長(zhǎng)度共計(jì)140m，需要加固土方12 156．2 m3，其中有4358．2m3的粉細(xì)砂一粘土層需要進(jìn)行漿液擴(kuò)散R=0．4 m的注漿施工，剩下的7 798m3，的中粗砂一砂礫石層需要進(jìn)行漿液擴(kuò)散R=0．8m的注漿施工。
土體加固施工分兩部分進(jìn)行。第一部分是在南北橫通道內(nèi)對(duì)中側(cè)洞間土體兩端部3 m范圍進(jìn)行注漿加固，其目的是為了形成止?jié){墻。束縛中間需要注漿加固的土體，提高注漿效果和保證注漿施工的安全性，所以該段土體加固在注漿工藝上采用低流量、高壓力緩慢注漿。第二部分是在側(cè)洞內(nèi)對(duì)中間剩余土體的注漿加固．該段注漿施工在側(cè)洞有開(kāi)挖進(jìn)尺后隨即進(jìn)行。
3．2．1 施工參數(shù)
3．2．2 施工順序
中側(cè)洞間需要被注漿加固的土體由上至下主要分為兩層：上層是中粗砂一卵礫層，下層是粉細(xì)砂一粘土層。原則上根據(jù)開(kāi)挖的情況在一定范圍內(nèi)先注漿加固上層土體，形成一個(gè)防護(hù)的蓋層，保護(hù)地表安全，然后再根據(jù)注漿設(shè)計(jì)要求加固下層的土體。
孔與孔之間的注漿施工要采取兩序孔間隔作業(yè)。注漿施工時(shí)，偶數(shù)孔以控制注漿量為主，奇數(shù)孔以控制注漿壓力為主。
3．2．3 施工流程
注漿工藝的選擇為在側(cè)洞初期支護(hù)施工時(shí)預(yù)埋PVC定向孔口管，待初期支護(hù)完成后，沿前期預(yù)留的孔口管的角度和位置，使用地質(zhì)鉆成孔，然后頂入注漿管進(jìn)行注漿。
施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→確定孔位、測(cè)量放點(diǎn)→施作PVC導(dǎo)向孔口管→風(fēng)鉆成孔→成孔后頂入袖閥式鋼管進(jìn)行后退式分段注漿(或鋼花管進(jìn)行全孔一次性注漿)→注漿施工的同時(shí)。進(jìn)行地表和洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)→達(dá)到注漿設(shè)計(jì)要求，停止注漿。
3．2．4 安全控制
注漿施工過(guò)程中，被加固地層的安全控制主要采取監(jiān)控量測(cè)和人工巡查的方法。監(jiān)控量測(cè)是最主要的控制被加固地層變形的措施。該方法通過(guò)對(duì)注漿區(qū)域附近地表和洞內(nèi)的監(jiān)測(cè)，能精確地了解到注漿施工過(guò)程中地層微小的變形情況，及時(shí)預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，防患于未然。人工巡查就是在注漿施工過(guò)程中安排人工在地表和洞內(nèi)進(jìn)行不間斷的巡視，當(dāng)巡視人員發(fā)現(xiàn)突然出現(xiàn)的險(xiǎn)情。及時(shí)通知注漿人員停止注漿，分析原因、采取措施，將險(xiǎn)情造成的損失降至最低。這兩種措施合理安排、相互補(bǔ)充，構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)比較完整的控制地層變形的安全體系。
4 加固效果評(píng)價(jià)
注漿效果評(píng)定是決策注漿加固施工是否達(dá)到預(yù)期效果的主要依據(jù)，可采取P一Q一t曲線分析和直接鉆孔的方法。
采取鉆孔檢查的方法，地層改良的效果比較直觀，但隨機(jī)性較大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔所揭示的地質(zhì)狀況，注漿結(jié)束后，可采取分析法即結(jié)合注漿過(guò)程中P一Q一t曲線分析及反算注漿后地層的漿液填充率判斷注漿效果。本工程要求單孔吻合正常的P一Q一t曲線在60％以上為合格，每個(gè)注漿單元要求整體吻合。通過(guò)反算方法求得地層的注漿填充率在50％以上為合格。下面以粉細(xì)砂一粘土地層為例，對(duì)注漿加固效果評(píng)價(jià)加以說(shuō)明。
4．1 P一Q一t線分析
施工選取一個(gè)試驗(yàn)段，在注漿過(guò)程中，粉細(xì)砂一粘土層出現(xiàn)的P一Q一t曲線形式。
注漿施工過(guò)程中p―t曲線和Q―t曲線均呈波動(dòng)性。開(kāi)始注漿時(shí)，注漿壓力為0，注漿速度為48 L／min，這主要是漿液填充注漿管的過(guò)程。之后注漿壓力不斷上升，注漿速度不斷下降，這個(gè)過(guò)程是漿液開(kāi)始沖開(kāi)注漿管周圍的土層，通過(guò)劈裂和剪切注入地層。隨著漿液的注入，地層密實(shí)度提高，注漿壓力升到1．4MPa，注漿速度降低l0～15 L／min。在持續(xù)一段時(shí)間后(約1min)，漿液開(kāi)始沿注漿管前進(jìn)，沖開(kāi)新的溢漿孔，注漿壓力下降，注漿速度升高，如此波動(dòng)持續(xù)幾個(gè)循環(huán)之后，需注漿加固的地段被充填密實(shí)，注漿壓力持續(xù)在1．5 MPa，注漿速度持續(xù)在0～10L／min，這樣持續(xù)2min后結(jié)束注漿。注漿施工所表現(xiàn)的P―Q―t曲線符合所制定的注漿結(jié)束控制標(biāo)準(zhǔn)。
4．2 地層填充率反算
選取段總計(jì)的注漿量為124．3 m3,計(jì)算得注漿加固體體積為360m3，根據(jù)勘察報(bào)告，取土體的孔隙率為30％。由下式可計(jì)算出地層的漿液填充率。
ΣQ=V・n,・a ・(1+β+ γ)
式中，ΣQ為總注漿量(m3)；V為注漿加固體體積(m3)；n為地層孔隙率，取0．30；a為地層漿液填充率(％)；β為漿液損失率(％)，取15％ ；γ為漿液超出擴(kuò)散范圍，取20％ 。
計(jì)算得：a=85．3％?？梢?jiàn)，土體裂隙被充分填充，地層得到了很好的注漿加固。
4．3 注漿前后地層滲透系數(shù)計(jì)算
根據(jù)注水試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)注漿狀況，采用以下公式計(jì)算注漿前后地層的滲透能力。
式中，K為滲透系數(shù)(m／s)；ω為地層單位吸水量[L／(min・m・m)]；L為注漿段長(zhǎng)度(m)；γ為注漿孔半徑(m)；為注水(漿)時(shí)穩(wěn)定流量(L／min)；為注漿壓力(MPa)。
取前=30L／min、后=7L／min、前=0．1 MPa、后=1．0MPa、L=4．5 m、γ=0．016m(內(nèi)徑為φ32mm)。計(jì)算得注漿前后地層滲透系數(shù)之比為：
K前／K后=42．86
可見(jiàn)，注漿后地層滲透系數(shù)下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，其抗?jié)B性得到明顯提高，取得了良好的注漿加固效果。
5 結(jié)語(yǔ)
車站中側(cè)洞間土體采用徑向注漿加固技術(shù)，土體的物理力學(xué)指標(biāo)得到了很大改善，增強(qiáng)了圍巖體的整體穩(wěn)定性，提高了其抗?jié)B性。進(jìn)一步的施工實(shí)踐證明，分離島式地鐵車站采取洞間土體加固技術(shù)，可以明顯改善車站結(jié)構(gòu)各硐室的整體受力性能，控制地層變形，減小地面沉降，保證施工安全。
