富水砂层地铁联络通道暗挖施工加固方法研究

富水砂层地铁联络通道暗挖施工加固方法研究

赵向辉   李庆超

中国水利水电第三工程局有限公司   陕西省西安市  710024

摘要：结合西安地铁二号线二期工程富水砂层联络通道施工特点，对工程中常用的联络通道暗挖三种加固方法进行了分别分析，并通过施工实践，论证了三种加固方法适用的项目特点和存在的限制条件，为今后砂层地质联络通道暗挖加固设计提供了指导意义。

关键词：富水砂层   暗挖加固   方案分析

1.前言

城市轨道交通目前在全国主要城市已经普及，其主要组成部分是车站、区间、车辆段。区间是连接两个车站的行车通道，分上行线、下行线两条线路；平均相邻两个车站之间的间距为1.5km，为便于运营阶段检修维护，一般每500m设置一条联络通道，联通上、下行线。

地铁联络通道一般采用暗挖法施工，根据所处水文地质、埋设深度不同，暗挖的加固形式有地表旋喷加固、洞内注浆加固、冻结法加固等。

本文主要结合西安地铁2号线二期工程施工实际，首先分析确定联络通道暗挖加固形式，然后对施工过程中实际统计的参数进行分析，总结发展规律，结合理论研究形成具有参考价值的研究成果。

2.工程概述

2.1 联络通道概况

本工程联络通道兼做废水泵房，长7m，截面宽3.7m，高7.4m（其中通道高3.8m，泵房水池高3.6m）。采用暗挖法施工，二衬结构壁厚为40cm，初支厚度20cm。（如下图）

图1  联络通道设计纵断面图             图2  联络通道设计横断面图

2.2 水文条件

联络通道位于渭河高漫滩区富水砂层地带，地面标高373.242m，联络通道顶标高349.829m，联络通道底标高342.414m，通道埋深30.828m，通道顶覆土23.413m。勘察地下水位位于地面以下11.2m，施工期间实测地下水位位于地面以下14m。

2.3 地质条件

根据详细勘察分析，联络通道所处地层主要以中、粗砂为主。中砂呈灰褐色，中密，稍湿-潮湿，砂质均匀；粗砂呈灰褐色，密实，饱和，砂质不均，颗粒级配不良，在埋深22.2-31.3m处圆砾、卵石含量较高，最大粒径3.0cm。

3.加固方案对比分析

地铁联络通道施工加固方法一般有地表旋喷加固法、洞内水平注浆加固法和冻结法。

3.1 地表旋喷加固法

（1）基本原理

旋喷加固法是把底部带有特殊喷嘴的注浆管置入土层中预定深度，利用高压水泥浆切割原状土后，借助注浆管的旋转和提升运动，使高压水泥浆与崩落下来的土充分搅拌混合，经过区一段时间凝固在土体中形成圆柱状固结体，从而加固地基的方法。根据注浆的方法，分为单管法、双管法和多重管法，其形成的固结体称为旋喷桩，此法对于含有粗糙土、砂砾土的软弱地基加固具有其他方法所不及的优越性，在联络通道加固中应用最为广泛。

（2）一般设计方案

图3  旋喷加固范围平面示意图             图4  旋喷加固范围剖面示意图

平面加固范围：联络通道四周3m范围

竖剖加固范围：联络通道上下3m范围，如有废水泵房，延伸至废水泵房以下3m范围

（3）适用条件限制

1）受工艺水平限制，一般使用深度可达30m，最深可达40m，但施工深度大于22m后，旋喷加固效果将大打折扣。

2）加固体本身是由水泥浆和土体混合固结而成，不具有抗渗性，位于地下水位以下时必须采取降水措施。

（4）结合项目特点分析

联络通道埋深23.413m（顶）~30.828（底），如采用高压旋喷桩加固，加固深度需在20.413m~33.828m，有效桩长13.415m，加固效果很难满足设计要求。同时，地下水位位于地面以下14m，整个联络通道位于地下水中。地下水渗透加之加固效果不良，很难保证暗挖施工过程安全和联络通道施工质量，故不适用于本联络通道施工。

3.2 洞内注浆加固法

（1）基本原理

该方法是利用钻机钻孔到所定深度后，用高压注浆泵将双液浆分别压入钻杆外管和内管内，在端头混合并进行喷射，使浆液能够较好的浸透到地层中。通过渗透作用，在不改变地层组成的情况下，使颗粒间的空隙充满浆液并使其固结，土层粘结强度及密实度增加，起到固结、充填效果；随着土体的压密和浆液的挤入，在压浆点周围形成灯泡形空间，从而达到土体加固的效果。双液浆的渗透性良好，凝结时间可调，浆液结石率高，有微膨胀性，注浆加固后土体渗透系数小于1×10-8cm/s，无侧限抗压强度不小于0.8MPa。

（2）一般设计方案

图5  注浆加固布点图    图6  注浆加固平面示意图   图7  注浆加固断面示意图

通过在隧道管片开孔，向土体内打设注浆管；通过调整注浆孔角度，保证注浆加固范围覆盖联络通道周边3m范围内所有土体。

（3）适用条件限制

1）注浆浆液主要通过渗透、压密、劈裂三种形式进行扩散，受地层性质影响，注浆浆液分布形式难以控制，加固效果无法直观确定。

2）因注浆加固效果的不稳定性，联络通道暗挖施工前，仍需采取降水措施，使地下水位降至施工底面以下1m。

（4）结合项目特点分析

联络通道所处地层以中粗砂为主，夹杂有圆砾、卵石，最大粒径3.0cm。根据煤炭科学研究总院研究生院2018年研究成果[1]，砂层注浆扩散方式更细致的可以划分为渗透、渗透-压密、压密、渗透-劈裂、渗透-压密-劈裂、压密-劈裂的六种作用模式，水平孔注浆初始优先劈裂方向为竖直方向，难以形成注浆孔四周均衡加固的效果。同时，仍需对地下水采取降水措施。

由此可知，地表旋喷加固法和洞内水平注浆加固法均需优先解决地下水问题。

3.3 冻结法加固

（1）基本原理

冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技术。最早用于俄国金矿开采，后用于煤矿矿井建设，现已在部分地铁项目中取得应用。

（2）一般设计方案

图8  冻结法布点示意图                  图9  冻结法断面示意图

通过在联络通道两端发射性打设冻结孔，使冻结孔围绕联络通道断面形成包围状；再利用制冷设备对冷媒（一般为盐水）进行制冷，在各冻结管中循环流动，达到对冻结管周围土体进行降温冻结的效果，形成一道冻结壁，同时起到开挖支护和侧壁防水的作用。

（3）适用条件限制

该方案不需要降水，因工程造价较高，一般适用于开挖深度较深，明挖支护不经济、降水困难的情况。

（4）结合项目特点分析

本项目开挖深度大于30m，地下水降深约18m（静态水位），采取支护措施明挖和抽排降水均不经济，且施工难度更大、安全风险更高，宜采用冻结法。

3.4 地下水降水分析

本论文暂不从经济角度进行分析，仅对以上三种常用加固方案进行技术分析来看，第1、2种方法实施的关键在于降水。

（1）降水试验分析

考虑到本项目位于渭河高漫滩，距离渭河较近，首先在具有较好的水文代表性位置（工点以北200m空场地）打设降水井进行现场抽水试验。试验模型采用潜水完整井，抽水试验采用L型布置，1抽2观，抽水孔及观测孔深度均为40m，管径300mm。共完成3次单井综合降深，3次降深对应的抽水井涌水量、抽水井及观测孔降深、影响半径、综合渗透系数范围值如下表：

注：1号观测孔距抽水井中心距离10.24m，2号观测孔距抽水井中心距离20.45m，3号观测孔距抽水井中心距离9.94m，4号观测孔距抽水井中心距离19.54m。

形成降水变化曲线图如下图：

图10  降水井布置图               图11  降水试验水位变化曲线图

分析得知：降深越大，影响范围越大；降深越大，动态水位与静态水位的变化曲线越陡；降深越大，日涌水量越大。推断联络通道降深约18m，影响范围将达到700m以上，抽水井动态水位需降至50m（降深32m），日抽水量需达到32000m³/d以上。

（2）实施降水验证

根据降水试验数据和相关要求，降水井单井最大抽水量不得大于40m³/h，按照最大抽水工效计算，完成日抽水量32000m³需要布置34口降水井。

一般降水井布置间距为15m，34口井网格法布置需占地7650m²（约87.5m×87.5m）；实际联络通道长7m，宽3.7m，考虑隧道影响，降水井按照隧道轮廓外2m布置，可布设场地大小为长23m，宽7.7m，仅能布设1口降水井；按照结构轮廓外双排布置降水井，可布设场地大小为长53m，宽37.7m（不考虑现场实际是否具备足够场地条件），仅能够布设9口井。因此，现场并不具备按标准布设降水井的条件，必须通过压缩降水井间距、减少降水井数量、增大单井排水量才可能实现降水目标。最终结合实际场地条件，形成降水设计如下图：

图12  联络通道降水设计图

共设计降水井18口，观测井2口（兼做应急降水井），整体呈双排布置（除西侧受联合车库场地限制布置一排），井深50m，施工孔口直径80cm，管井直径50cm，设计单井抽排量74m³。

自2022年2月11日开始降水抽排，至2022年4月8日（共57天）），共投入7.5kw水泵31台，22kw水泵4台，水泵理论总排量为32448m³/d。通过安装水表计量，实际工效约77%，日排水量不足25000m³/d，静态水位累计降深共8.2m（由地下14m降至地下22.2m），达到供排平衡。距离降深18m目标还差约10m，且越是往下降，难度越大、汇水面积越大，可以确定降水已无实现可能。

同时，需要注意单井抽排量增大，水中含砂量增大，容易导致地表较大沉降，不利于地面道路、地下管线、地表建（构）筑物结构安全，故不建议采用。

4. 总结

通过降水试验和降水实施观测数据分析：降水漏斗曲线随着降深增大，曲线陡率变大，影响范围呈非线性增大，所需抽排量也成倍增大。对于砂层地质联络通道施工，静态水位降深超过8m，不适宜采取降水措施，宜优先采用非降水加固方法，如冻结法；对于砂层地质联络通道埋深小于22m，降深小于8m，可采用地表旋喷加固+降水辅助方法；对于砂层地质联络通道埋深大于22m，降深小于8m，可采用洞内注浆加固+降水辅助方法。

参考文献：

[1] 郭建涛、孙立柱、油新华.北京某富水砂层联络通道冻结法设计施工研究.施工技术.2021年，第4期

[2] 王喆.富水砂层地铁联络通道泵房注浆加固施工技术.价值工程.2019年，第11期