富水砂层中砂粒含量达30%以上, 孔隙比大、含水量大, 具有流动性大、承载力小、自稳性差等特点。对于这类富水砂层隧道开挖后, 掌子面不稳定, 容易坍塌, 并且渗水带走砂土中的土颗粒, 造成支护结构失效。由于城市地铁埋深浅、地面建筑物密集, 应尽量减少地表沉陷, 采取有效的地层预加固措施来保证隧道的安全。其中浅埋暗挖法是针对埋置深度较浅、松散不稳定的砂土层和软弱破碎岩层开挖而提出来的施工方法。本文针对深圳地铁10号线益田停车场隧道富水砂岩段地下水发育、动水条件下传统水泥及水泥-水玻璃双液注浆效果差、施工较为困难的特点, 通过对现场施工技术进行总结, 引入SJP新型注浆材料, 经过现场注浆加固初步试验论证, 在隧道动水注浆效果能够达到工程要求, 并针对暗挖隧道施工特点提出对应的施工措施。

深圳地铁10号线益田停车场紧靠深圳河, 为地下2层结构, 浅埋暗挖地铁隧道采用双洞单线分离式隧道。地铁隧道基础深度30m, 暗挖隧道埋深7.6~8.6m, 全长35m, 线路平面为直线段, 线路纵坡为3‰, 全区间隧道均采用浅埋暗挖法施工。暗挖隧道主要穿越淤泥、淤泥质黏性土、粉质黏土、砂层。地铁隧道治理原设计是采用初支+套拱+二衬复合式衬砌, 以及采用全断面注浆止水加固措施, 保证隧道安全开挖。在隧道拱部180°范围内采用超前注浆小导管, 环向间距0.4m, 纵向间距1.5m, 外倾角为15°, 小导管采用外径42mm、壁厚3.5mm、长3.0m的无缝钢管。

根据地质勘察资料, 浅埋暗挖隧道上部主要地层为淤泥、淤泥质黏土, 棕黄色、稍湿、厚度约10m;下部主要地层为粉质黏土、砂层, 黄褐色, 饱和, 以中砂、粗砂为主, 孔隙率约30%, 厚度约15m, 含水量高。该砂体处于松散状态、稍湿, 胶结性差。在隧道的底部主要为卵砾石层。其中砂层强度低, 开挖后自稳能力很差, 易坍塌, 地面沉降难以控制, 在隧道开挖过程中发生洞内涌砂现象, 导致施工无法进行。

在隧道开挖的前期注浆工程中, 采用了普通水泥浆和水泥-水玻璃双液注浆进行隧道开挖断面的注浆加固, 存在的难点主要有两个方面。

隧道地层主要为粉质黏土、砂层, 其中砂层以中粗砂为主, 在天然状态下结构松散、密度较低, 主要特征如下。

1) 砂体结构松散, 在外界荷载作用下, 很容易变形。由于砂土自身结构的松散性, 破坏时具有瞬时性且无法控制。

2) 砂体主要靠颗粒间法向压力和颗粒之间的摩擦力维持自身稳定和承载能力。所以在受到剪切应力的作用下, 砂体很容易失稳。

3) 在动水环境中, 饱和砂体在往复剪切作用下, 孔隙体积突然减小, 砂体变得密实, 但砂体内部的孔隙水无法及时排出, 导致孔隙水压力突然上升, 注浆效果差。

该区域地下水十分发育, 涌水量达300m³/h, 在动水条件下传统水泥浆液容易稀释、分散, 从而丧失对涌水的封堵作用。在已施工注浆加固区域尝试取芯。从芯样可以看出, 前期采用普通水泥浆或水泥-水玻璃双液注浆固结效果差, 未达到注浆止水的目的。

根据前期隧道注浆采用普通水泥浆和水泥-水玻璃双液注浆存在的问题, 后期注浆试验采用自主研发的SJP型黏度时变性新型注浆材料进行。SJP型黏度时变性浆材以普通硅酸盐水泥为基浆, 掺加纤维素类溶剂 (助剂1) 、硅质早强剂 (助剂2) 、酰胺类稳定性 (助剂3) 作为能够形成溶剂化膜作用的高分子外掺剂配制而成的一种新型注浆材料 (见图1) 。这种高分子聚合物具有较强的渗析胶结与吸附胶结作用, 可以显著改善高分子固体表面的吸附特性, 促进水泥矿物颗粒的二次水化, 同时水化产物经过沉降聚集, 浆液结构逐渐密实, 固结体强度逐渐提高。

该新型注浆材料具有凝结时间可控, 结石体强度比同龄期普通水泥浆结石体高15%~25%的特点。从图2可以看出, 这种浆液在水化初期的表观黏度较低, 只有 (40~60) ×10^-3Pa·s。当浆液到达可泵期, 黏度迅速增加, 同时其流动度表现为起始流动度大, 可泵期后迅速降低。因此SJP浆液具有很强的黏度可控性, 适合处理地下水发育的松散架空区和破碎带, 能够有效封堵动水条件的裂隙, 解决普通水泥浆液在富水地层加固中常出现漏浆、跑浆等水泥用量无法控制问题。

在隧道的掌子面处布置了4个注浆试验孔, 采用梅花形布孔, 如图3所示。注浆孔6m, 孔径60mm, 孔距40cm, 排距40cm, 其中由于布局限制, 1号注浆孔和2号注浆孔间距约50cm。同时注浆孔采用注浆钢管孔口密封、孔底注浆的方式。注浆钢管采用花管形式, 出浆孔直径为5~6mm, 沿管轴向间距为50cm。

本试验段为富水砂层, 注浆目的以堵水为主, 按低压渗透注浆设计, 注浆材料选用自主研发的SJP黏度时变新型注浆材料。SJP黏度时变浆液具体配制参数如表1所示。

现场配制时制浆的水泥为500kg (即10袋水泥) 、水的用量为325L, 1号材料用量为1.5kg, 2号材料用量为3.75kg, 3号材料用量为3.0kg, 按照配制的材料用量进行注浆。

对于注浆压力的控制, 力求用不大的压力完成注浆, 同时考虑到福保1号隧道抬升量的影响, 综合考虑注浆压力在1.0~2.0MPa, 并且当福保1号隧道的地面抬升量明显增大时, 应注意降低注浆压力或停止注浆。

注浆试验工期在3d内完成, 在注浆过程中主要考虑地层的注浆量, 单孔注浆量在900~1 000L。同时注浆过程中对福保1号隧道的抬升量影响很少, 注浆压力也在2.0MPa之内。

试验孔的注浆工程完成后, 在注浆区域进行了钻孔取芯检测, 检测孔的孔径为63mm, 检测孔布置的范围均在4个注浆孔形成的注浆区域内。从注浆效果上看, 采用SJP新型注浆材料试验的出水量相对于前期普通水泥浆或水泥-水玻璃双液注浆, 出水量减小了80%, 约60m³/h, 说明SJP新型浆材在富水砂层中能有效封堵地下水流通道, 从而使得出水量明显减小。同时后期采用岩心钻机进行了现场钻孔取芯, 取芯孔孔深5m, 从开孔到2m处岩心以水泥结块为主, 夹杂少量的黄褐色砂土;从2m到2.5m处为黄褐色粉砂土、胶结程度较好;从2.5m到4m以水泥结块为主;从4m到4.7m以粉砂土、黏土为主;从4.7m到5.0m以水泥结块为主。从总体上看取芯率较好, 浆液固结体程度较高。

从岩样上看, SJP浆液在砂土层中具有较好的可灌性, 在能注入的地层与砂土体可以良好胶结。因此SJP浆液不仅能有效地与砂土体固结, 而且还具有良好的堵水效果。

采用注浆技术的目的在于防止开挖时掌子面砂体不能自稳发生垮塌甚至出现涌水、突水事故以及地面出现较大沉降等工程事故。在方案设计时, 应充分考虑注浆材料、注浆参数和工艺的选择。

SJP黏度时变新型注浆材料由水、325号水泥、添加剂 (助剂1, 2, 3号) 组成。结合试验的浆液配合比, 具体配制参数如表1所示。

为保证注浆范围的紧密搭接, 防止出现漏段, 此次注浆采用梅花形布孔。结合前期试验和补充试验结果, 确定注浆孔的孔距为40cm, 排距为40cm (见图4) 。其中最下面一排注浆孔应布置在隧道开挖面底板以下1m的位置, 因为越往下面砂粒越粗, 动水量越大, 注浆孔布置在这个范围可以形成有效的堵水帷幕。

注浆孔孔径为63mm, 注浆段长度为7m, 注浆孔钻孔角度为0°。注浆管采用长、短管花管注浆, 出浆孔直径为5~6mm, 沿管轴向间距为50cm。注浆长导管的长度为6m, 注浆短导管的长度为3m, 采用长短管注浆可以避免采用单管重复注浆, 即长管注浆完后进行短管注浆, 这样可以使得浆液流动时间控制在凝结时间范围内。

结合前期试验和补充试验的注浆压力参数, 同时考虑到福保1号隧道抬升量的影响, 综合考虑注浆压力在1.0~2.0MPa, 同时应控制注浆段注浆压力波动范围不大于注浆压力的20%。

结合补充试验的单孔注浆量分析, 设计的单孔注浆量对于一序孔约1 000L, 其中注浆长导管的注浆量为500L, 注浆短导管的注浆量为500L。根据浆液扩散半径计算公式, 经过计算注浆浆液的扩散半径为38cm, 结合注浆孔的孔距为40cm, 因此可以保证相邻注浆孔加固体的有效搭接。

注浆工序可分孔序、排序进行, 其中孔序分为两孔序, 先施工一序孔再施工二序孔;对于注浆孔的排序也分为两排序, 即先施工一序排再施工二序排, 如图5所示。

注浆施工流程:成孔→下注浆管→进行注浆孔口封堵→注浆→关闭孔口阀门, 主要技术流程如图6所示。

注浆控制及结束标准, 对于一序孔是最终吸浆量, 当吸浆量达到设计注浆量时即可终止注浆;对于二序孔, 则注浆孔能吃浆多少则注入多少浆液, 同时注意注浆压力, 当注浆压力达到或超过2.0MPa时即停止注浆。

对于一序排、二序排的注浆结束标准同样以一、二序孔的注浆控制为结束标准。

隧道注浆施工完成后, 经过对掌子面砂土体进行钻探取芯证实, 钻孔取芯率高, 并且钻孔内无地下水流出, 并且在干燥的砂土体岩心里还夹杂着一定量的浆液固结体, 说明通过SJP新型浆材的注浆施工达到了止水效果。同时从现场掌子面开挖效果看, 注浆材料与砂土地层形成了坚固的支护体, 提高了开挖地层的强度和刚度, 大大减小了因隧道开挖导致的砂土松弛和变形, 保证了隧道开挖的安全稳定。

富水砂岩隧道开挖后, 砂土体经水浸泡软化, 同时地下渗水带走砂体中的土颗粒, 造成掌子面不稳定, 易坍塌, 初期支护背后脱空, 支护结构变形严重, 施工必须注意。

1) 深圳地铁10号线益田停车场暗挖隧道地层主要为粉质黏土、砂层, 在前期的水泥-水玻璃双液注浆过程中, 浆液在地下动水条件下出现长时间不凝固的现象, 造成浆液在砂土地层的注浆效果差, 不能有效封堵充填, 并且浆液和水玻璃的浪费量大。

2) SJP黏度时变浆液具有加量小, 效果显著的特点。该新型注浆材料能够有效封堵动水条件的裂隙或水流通道。该浆液与普通水泥浆液、水泥-水玻璃双液浆材相比, 能够在地下动水的条件下凝固, 提高注浆止水效果。

3) 根据SJP黏度时变新型浆液在砂土地层中的试验, 达到了隧道掌子面注浆止水的目的。并且保证隧道抬升量也符合技术要求, 提高了有效进尺, 保证了工作面的正常回采, 技术效果显著。