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；車站各洞室之間通過聯(lián)絡(luò)通道來實(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，見圖1所示。車站總長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→達(dá)到注漿設(shè)計(jì)要求，停止注漿。
3．2．4 安全控制
注漿施工過程中，被加固地層的安全控制主要采取監(jiān)控量測和人工巡查的方法。監(jiān)控量測是最主要的控制被加固地層變形的措施。該方法通過對(duì)注漿區(qū)域附近地表和洞內(nèi)的監(jiān)測，能精確地了解到注漿施工過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。
注漿施工過程中p―t曲線和Q―t曲線均呈波動(dòng)性。開始注漿時(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程。之后注漿壓力不斷上升，注漿速度不斷下降，這個(gè)過程是漿液開始沖開注漿管周圍的土層，通過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)，漿液開始沿注漿管前進(jìn)，沖開新的溢漿孔，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％。可見，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，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
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。
