地铁工程中土体加固施工技术的探讨
2015-08-17
分离岛式地铁车站是近年来在复杂环境条件下出现的一种新型车站结构类型，其结构特点是上下行站台分离，分设于各洞内；线路分别从不通视的两个侧洞穿过；车站各洞室之间通过联络通道来实现客流连接和换乘。此种结构一般为浅埋、大跨、动载和在软弱地层条件下修建的小净距群洞结构，由于围岩较差，隧道开挖后，洞间土柱在多次扰动及地层荷载作用下极易塑化。因此，施工过程中如何确保洞间土柱的稳定是分离岛式地铁车站能否暗挖成功的关键技术之一。为增强围岩体整体稳定性，提高其抗渗性，改善车站结构各硐室的整体受力性能，填充初支背后裂隙，控制地层变形，减小地面沉降，需要对洞间土体进行径向注浆加固。
1 工程概况
1．1 车站结构
某车站主体采用单跨三洞地下局部双层分离岛式结构，南北向布置，中间为双层结构，两侧站台为单层结构，三洞间以通道相连，见图1所示。车站总长169．2m，总宽度46．7 m，线间距40 m；中洞为单跨双层结构，埋深8 m，宽度14．4m，高15．5m，采用洞桩法施工；侧洞为单跨单层结构，埋深14 m，开挖宽度10．810 m，高度9．435 m，采用CRD法(交叉中隔壁法)分为两层4个导洞施工；中洞与侧洞最小净间距仅为4．54 m。
1．2 工程地质与水文地质
车站主要通过第四纪全新世冲洪积层和第四纪晚更新世冲洪积层，地层从上至下依次为粉质粘土③1、粉细砂③3、中粗砂④ 4、圆卵砾石⑤、粉质粘土⑥。中洞拱部、底部为粉质粘土，边墙为砂卵层，勘察虽未测到上层滞水，但车站顶部为砂质粉土③层，夹粉细砂③3层，地下管线渗漏可形成上层滞水，分布极为不均匀，对暗挖施工的影响很大。潜水埋深16．94～l8．61 m，赋存于圆砾卵石⑤层和中粗砂⑤1ZC中，潜水含水层位于结构中部，对主站体结构施工有影响。承压水埋深23．83～25．58 m，位于结构底板附近，局部加深段高于结构底板。承压水顶面处的砂质粉土⑥2层，受水位变化的影响，施工时极易产生液化。
2 土体加固的目的
车站主体中洞与侧洞间距仅为4．5～6m，其主要地层组成为圆砾卵石⑤层、粉质粘土⑥层、粘土⑥1层、粉土⑥2层，均属Ⅵ级围岩。其中粉质粘土⑥层、粘土⑥1层、粉土⑥2层大部分布有承压水，有一定的透水性，在地下水作用下易发生涌水、涌砂甚至突水等现象；中侧洞围岩体中圆砾卵石⑤层土体的稳定性较差，且局部为潜水含水层，透水性较好，在地下水作用下易发生涌水、流沙、坍方等现象。
为解决以上可能发生的涌水、流沙、坍方等问题，增强围岩体整体稳定性，提高其抗渗性，改善车站结构各硐室的整体受力性能，确保群洞施工安全，需要对洞间土体进行径向注浆加固。
3 土体加固的方法
3．1 加固机理
中侧洞间土体采用径向注浆加固，径向注浆就是对硐室围岩体进行的注浆，应根据围岩体性状选择注浆方式。一般劈裂注浆适用于土颗粒小、渗透性也小的粘土层，渗透注浆适用于渗透性好、孔隙率较大、颗粒在0．5 mm以上的砂砾层。结合光华路车站中侧洞围岩体地质情况，对粉细砂一粘土层按照劈裂注浆原理，采用袖阀管进行后退式分段注浆；对中粗砂一砂砾石层按照渗透注浆原理，采用钢花管进行全孔一次性注浆。
袖阀灌浆是采用预埋具有单向止浆阀的管材，实现一次成孔多次灌浆的目的，浆液经注浆泵加压后从袖阀管注浆管段的射浆孔进入地层，当压力逐渐增大到一定程度，再加压浆液就会沿着地层结构产生初始劈裂流动，此时由于供浆量小于吃浆量，压力会自动恢复到平衡状态，续后的浆液在持续压力作用下使得劈裂裂缝不断地向外延伸，浆液在土体中形成抗剪能力强的波浪网状浆脉复合体，以增强围岩体整体稳定性及提高其抗渗能力。
钢花管径向注浆加固主要是注浆管周围通过浆液的渗透在附近形成坚固的浆柱体，相邻注浆管周围的浆柱体相互衔接，形成连续的浆液固结体。同时注浆管连同渗透、扩散浆液形成抗剪强度高的桩体，起到锚杆加固的作用。
3．2 施工方法
车站中侧洞间土体加固断面长度共计140m，需要加固土方12 156．2 m3，其中有4358．2m3的粉细砂一粘土层需要进行浆液扩散R=0．4 m的注浆施工，剩下的7 798m3，的中粗砂一砂砾石层需要进行浆液扩散R=0．8m的注浆施工。
土体加固施工分两部分进行。第一部分是在南北横通道内对中侧洞间土体两端部3 m范围进行注浆加固，其目的是为了形成止浆墙。束缚中间需要注浆加固的土体，提高注浆效果和保证注浆施工的安全性，所以该段土体加固在注浆工艺上采用低流量、高压力缓慢注浆。第二部分是在侧洞内对中间剩余土体的注浆加固．该段注浆施工在侧洞有开挖进尺后随即进行。
3．2．1 施工参数
3．2．2 施工顺序
中侧洞间需要被注浆加固的土体由上至下主要分为两层：上层是中粗砂一卵砾层，下层是粉细砂一粘土层。原则上根据开挖的情况在一定范围内先注浆加固上层土体，形成一个防护的盖层，保护地表安全，然后再根据注浆设计要求加固下层的土体。
孔与孔之间的注浆施工要采取两序孔间隔作业。注浆施工时，偶数孔以控制注浆量为主，奇数孔以控制注浆压力为主。
3．2．3 施工流程
注浆工艺的选择为在侧洞初期支护施工时预埋PVC定向孔口管，待初期支护完成后，沿前期预留的孔口管的角度和位置，使用地质钻成孔，然后顶入注浆管进行注浆。
施工工艺流程为：施工准备→确定孔位、测量放点→施作PVC导向孔口管→风钻成孔→成孔后顶入袖阀式钢管进行后退式分段注浆(或钢花管进行全孔一次性注浆)→注浆施工的同时。进行地表和洞内监控量测→达到注浆设计要求，停止注浆。
3．2．4 安全控制
注浆施工过程中，被加固地层的安全控制主要采取监控量测和人工巡查的方法。监控量测是最主要的控制被加固地层变形的措施。该方法通过对注浆区域附近地表和洞内的监测，能精确地了解到注浆施工过程中地层微小的变形情况，及时预报险情，防患于未然。人工巡查就是在注浆施工过程中安排人工在地表和洞内进行不间断的巡视，当巡视人员发现突然出现的险情。及时通知注浆人员停止注浆，分析原因、采取措施，将险情造成的损失降至最低。这两种措施合理安排、相互补充，构成了一个相对比较完整的控制地层变形的安全体系。
4 加固效果评价
注浆效果评定是决策注浆加固施工是否达到预期效果的主要依据，可采取P一Q一t曲线分析和直接钻孔的方法。
采取钻孔检查的方法，地层改良的效果比较直观，但随机性较大。根据现场钻孔所揭示的地质状况，注浆结束后，可采取分析法即结合注浆过程中P一Q一t曲线分析及反算注浆后地层的浆液填充率判断注浆效果。本工程要求单孔吻合正常的P一Q一t曲线在60％以上为合格，每个注浆单元要求整体吻合。通过反算方法求得地层的注浆填充率在50％以上为合格。下面以粉细砂一粘土地层为例，对注浆加固效果评价加以说明。
4．1 P一Q一t线分析
施工选取一个试验段，在注浆过程中，粉细砂一粘土层出现的P一Q一t曲线形式。
注浆施工过程中p―t曲线和Q―t曲线均呈波动性。开始注浆时，注浆压力为0，注浆速度为48 L／min，这主要是浆液填充注浆管的过程。之后注浆压力不断上升，注浆速度不断下降，这个过程是浆液开始冲开注浆管周围的土层，通过劈裂和剪切注入地层。随着浆液的注入，地层密实度提高，注浆压力升到1．4MPa，注浆速度降低l0～15 L／min。在持续一段时间后(约1min)，浆液开始沿注浆管前进，冲开新的溢浆孔，注浆压力下降，注浆速度升高，如此波动持续几个循环之后，需注浆加固的地段被充填密实，注浆压力持续在1．5 MPa，注浆速度持续在0～10L／min，这样持续2min后结束注浆。注浆施工所表现的P―Q―t曲线符合所制定的注浆结束控制标准。
4．2 地层填充率反算
选取段总计的注浆量为124．3 m3,计算得注浆加固体体积为360m3，根据勘察报告，取土体的孔隙率为30％。由下式可计算出地层的浆液填充率。
ΣQ=V・n,・a ・(1+β+ γ)
式中，ΣQ为总注浆量(m3)；V为注浆加固体体积(m3)；n为地层孔隙率，取0．30；a为地层浆液填充率(％)；β为浆液损失率(％)，取15％ ；γ为浆液超出扩散范围，取20％ 。
计算得：a=85．3％。可见，土体裂隙被充分填充，地层得到了很好的注浆加固。
4．3 注浆前后地层渗透系数计算
根据注水试验和现场注浆状况，采用以下公式计算注浆前后地层的渗透能力。
式中，K为渗透系数(m／s)；ω为地层单位吸水量[L／(min・m・m)]；L为注浆段长度(m)；γ为注浆孔半径(m)；为注水(浆)时稳定流量(L／min)；为注浆压力(MPa)。
取前=30L／min、后=7L／min、前=0．1 MPa、后=1．0MPa、L=4．5 m、γ=0．016m(内径为φ32mm)。计算得注浆前后地层渗透系数之比为：
K前／K后=42．86
可见，注浆后地层渗透系数下降了一个数量级，其抗渗性得到明显提高，取得了良好的注浆加固效果。
5 结语
车站中侧洞间土体采用径向注浆加固技术，土体的物理力学指标得到了很大改善，增强了围岩体的整体稳定性，提高了其抗渗性。进一步的施工实践证明，分离岛式地铁车站采取洞间土体加固技术，可以明显改善车站结构各硐室的整体受力性能，控制地层变形，减小地面沉降，保证施工安全。
