随着我国城市地铁工程的大规模建设及城市轨道交通网络的不断完善, 新建地铁线路穿越富水砂层、断层破碎带等不良地质条件的情况逐年增多^[1]。其中地铁车站结构复杂且功能单元繁多, 往往成为整条地铁线路顺利贯通的控制性工程。地铁车站穿越不良地质时大多采用超前注浆的方式对地层进行预加固, 以保证暗挖施工的安全性。

隧道超前注浆先将浆液注入掌子面前方的围岩中, 从而提高地层强度和稳定性、降低渗透性, 形成较大范围的筒状封闭加固区;然后在其范围内进行洞室开挖作业。超前注浆常用方法有渗入性注浆、劈裂性注浆、压密性注浆和高压喷灌注浆4种^[2]。但这些方法均存在注浆范围难以控制、跑浆漏浆现象严重及污染环境等问题。目前在铁路软基处理、基坑支护工程中普遍采用模袋注浆技术, 具有施工简便、处理深度可控和质量易保证的特点^[3]。模袋注浆技术已有一些研究成果:张柯^[4]基于桩土复合地基理论给出模袋注浆桩设计计算方法。熊燕文等^[5]通过模袋注浆桩现场试验, 对注浆成桩状况进行研究, 结果表明直径40cm的单个注浆孔注浆时挤土效应影响范围可达5m, 注浆后可快速形成连续、强度高的桩体。以上这些研究主要针对软土地基处理工程, 且注浆后均形成强度较高的桩体。然而, 模袋注浆技术在隧道超前注浆中的应用研究较少, 因此有必要进行研究。

青岛地铁4号线人民会堂站为地下2层11m岛式车站, 采用矿山法施工, 有效站台中心里程为ZDK0+372.500。左线起点里程为ZDK0+297.850、终点里程为ZDK0+554.550;右线起点里程为YDK0+297.850、终点里程为YDK0+554.550。标准段宽21.0 m, 车站设计总长度256.7m, 有效站台长118m。车站采用大跨单拱双层结构形式, 小里程段为矿山法区间, 大里程采用TBM区间, 本站为TBM吊出站, 并采用先站后隧设计, 车站完成初支、二衬施工及合建区间后提供TBM进过站条件, 车站采用全包防水。

车站范围地形较平坦, 整体东南高西北低, 地面标高4.850～6.850m。车站主要位于微风化花岗岩中, 主体范围内存在2处断层、1处节理。F1断裂为青岛山断裂的次生断裂, F2断裂为青岛山断裂。2处断裂均延入黄海, 钻探与物探结果显示2处断裂带内均发育块状碎裂岩, 带内见碎裂岩化霏细岩且低阻异常, 沿断裂方向有脉岩侵入。根据带内碎裂岩构造透镜体排列显示, F1断裂局部为张性活动。

车站上覆围岩以填土和全强风化花岗岩为主, 松散破碎, 自稳能力较差。场区地下水主要为第四系孔隙潜水与基岩裂隙水, 由于车站毗邻黄海, 场区内水源补给较充足。车站平面位置如图1所示, 现场钻孔取芯情况如图2所示。

由于断层破碎带与海水连通且其内部主要为块状碎裂岩, 车站主体结构施工前, 需对开挖断面周边进行超前帷幕注浆。超前注浆施工时需采取一定措施限定浆液流动范围, 防止浆液沿岩层裂隙渗透到海水中及沿着注浆管壁上窜, 造成材料浪费和环境污染。根据断层破碎带内围岩强度低、孔隙率高、渗透系数大及压缩性高的特点, 借鉴软基处理工程中膨胀模袋内注浆挤压周边软土, 最终在模袋内形成桩体的技术, 本注浆工程利用隔压膨胀模袋的膨胀挤压作用, 压密目标加固区域上方松散破碎的岩体, 使孔隙率和渗透系数大幅减小, 在加固区域上方构造不透水的止浆岩盘, 用以限定浆液留存于目标加固区域内。止浆岩盘形成后, 采用常规袖阀管后退式分段注浆技术对目标加固区域进行注浆, 使浆液渗透扩散到破碎岩体的空穴和裂缝中, 浆液凝固后便将松散岩体胶结为强度较高的“结石体”, 达到加固围岩的目的。模袋注浆技术工作原理如图3所示。

本注浆工程的浆液主要注入破碎岩体中, 且随着深度的增加, 岩层条件改善, 岩体完整性提高。因此注浆挤压周边岩体形成止浆岩盘时, 主要体现了浆液对地层的压密作用;目标加固区域内岩体压缩性较小, 对此区域注浆时主要体现了浆液在地层中的渗透作用。而在软基处理工程中, 由于软土深度较大, 采用模袋注浆成桩技术时只体现了浆液对地层的压密作用。同时也可看出, 模袋注浆技术只能应用在孔隙率较高、密实程度较低的地层中, 当密实程度高于一定值时, 无法在注浆压力的作用下打开模袋, 且会造成模袋本身撕裂, 达不到预期加固效果。

模袋袖阀管具体制作工艺如下:在袖阀管注浆孔上方包裹1～2条3m长高强纺织土工模袋, 并保持注浆孔畅通;在模袋外侧每隔1.5m用18号细铁丝绕6～8圈, 设置1道分段注浆阀门, 以提高每个分段的加固效果;在模袋上下端分别用14号细铁丝绕4圈扎牢模袋, 防止注浆过程中模袋打开;根据地层的富水情况用塑料扎扣将1～2条塑料排水板绑扎在模袋外侧, 加快注浆过程中超孔隙水和水泥浆液中多余水分的消散速率, 从而减小土体的含水量, 提高地层的稳定性。

注浆施工时, F1断层影响范围内采用全断面注浆, F2断层影响范围内采用半断面注浆。注浆施工采用地表+洞内的联合钻孔方式, 地表采用垂直注浆孔, 加固隧道开挖面正上方开挖影响区域 (轮廓线外5m+轮廓线内1m) , 钻孔间距1.2m, 洞内通过超前注浆加固拱顶侧边部位及常规区域, 采用先地表后洞内的超前加固方式, 最大限度降低拱顶钻孔时的溃砂风险。

模袋注浆时挤土效应较大, 为节约模袋用量, 地表注浆时采用两序次注浆, Ⅰ序孔采用套管+模袋+袖阀管的联合注浆方法, 构筑止浆岩盘并进行有效注浆, Ⅰ序孔间距采用设计间距的2倍 (2.4m) , 注浆后形成止浆岩盘。Ⅱ序孔只采用袖阀管注浆, 内插于Ⅰ序孔, 对目标加固区域进行补充注浆, Ⅱ序孔间距为1.2m。钻孔布置平面如图4所示, 横断面如图5所示。

Ⅰ序钻孔模袋袖阀管下方完成后, 首先对模袋进行注浆。模袋注浆采用水泥-水玻璃双液浆, 模袋膨胀压力为2MPa, 膨胀直径40cm。模袋注浆完成约8h后, 模袋内浆液基本凝固, 此时正式开始进行加固区域注浆, 目标加固区域同样采用水泥-水玻璃双液浆及后退式分段注浆工艺。该工艺具有一次性成孔、无需复钻、浆液分段扩散均匀等优点, 可在保证注浆效果的基础上大幅提高施工效率。模袋袖阀管注浆工艺流程如图6所示。

车站开挖轮廓线外部采用水泥-水玻璃双液浆, 开挖轮廓线内部以水泥单液浆为主。水泥-水玻璃双液浆的组分配合比为W/C=1∶1, C/S=3∶1～4∶1;水玻璃模数为2.4～3.4, 浓度为 (35～40) Be', 浆液的凝胶时间28～30s。水泥单液浆的组分配合比为W/C=1∶1。

按照浆液设计配合比将各注浆材料加入搅拌桶, 使用高速搅拌机搅拌≥3min, 使用普通搅拌机应≥5min。注浆浆液自制备至用完应<4h, 浆液应在过筛后使用, 并定时采用比重计检测浆液比重。

采用“量压双控”作为注浆结束标准, 具体要求如下。

1) 单孔结束标准注浆压力逐步升高至设计终压, 继续注浆>10min, 进浆量<1/4初始进浆量, 进浆速度<25%初始速度, 同时进浆量≥80%单孔设计注浆量, 检查孔涌水量<0.2L/min。

2) 全段结束标准所有注浆孔均已符合单孔结束条件, 注浆加固体满足设计要求的注浆加固质量, 注浆后预测涌水量<1.0m³/ (d·m) 。注浆孔及注浆深度可根据现场情况进行调整。

检查车站内部注浆加固区域及补充注浆孔, 保证注浆加固无盲区。车站洞内检查孔布置如图7所示。

1) 钻孔取芯检验注浆后通过钻孔取芯发现, 模袋以上区域岩芯无水泥结石体, 以松散土体为主;模袋以下区段成孔完整, 岩芯以水泥结石体为主, 岩体完整性得到大幅提高, 达到预期的控域注浆效果。钻孔取芯情况如图8所示。

2) 探查孔内精确探查在探查孔内通过钻孔电视对孔内围岩进行摄像观察, 对比分析注浆加固前后岩体胶结情况及涌水情况。探查结果如图9所示。

钻孔电视探查结果显示:注浆加固前钻孔坍孔严重, 围岩较为破碎, 局部有水涌出;注浆加固后围岩完整性获得明显改善, 孔壁完整性较好, 孔内无渗水, 注浆后围岩具备自稳能力。

3) 注浆参数分析根据现场监测数据, Ⅰ序孔注浆过程中压力稳步升高, 水泥单液浆注浆终压约1.2MPa, 水泥-水玻璃双液浆约1.8MPa。Ⅱ序孔注浆过程中, 2种浆液分别达到相同的注浆终压时所需注浆量远小于Ⅰ序孔注浆量, 单孔注浆量减少50%～70%。说明Ⅰ序孔注浆后地层孔隙被有效充填, Ⅱ序孔主要起到补充注浆的作用。

综合钻孔取芯、探查孔探查和参数分析结果, 目标加固区内围岩完整性得到显著提高, 同时显著减少了注浆材料用量, 注浆加固效果可达到安全开挖要求。

1) 针对常规注浆技术施工中加固范围难以控制, 串浆、跑浆严重的问题, 本文借鉴了软基处理工程中采用的模袋注浆桩技术, 采用隔压膨胀模袋构造人工止浆岩盘技术, 对地铁车站破碎带岩层注浆加固范围进行控制, 并将此技术应用于青岛地铁4号线人民会堂站的地表超前注浆施工中。

2) 地表注浆施工中创造性采用两序孔注浆方法, 既保证了注浆效果, 又减少了模袋用量;同时采用了袖阀管后退式分段注浆工艺, 在保证注浆效果的基础上大幅提高了施工效率。

3) 注浆效果检验结果表明, 膨胀模袋构造的止浆岩盘成功实现了浆液扩散控制, 显著提高了注浆效果并减小注浆材料用量, 整个注浆施工过程中未破坏周边环境, 取得了良好的社会效益和经济效益。