关于砂卵地层潜埋暗挖过程中开挖面失稳若干问题研究

摘要：

随着我国社会经济的发展，城镇化水平的提高，为降低工程施工给城市正常运营带来的干扰，节约地上空间，越来越多的大中型城市采用潜埋暗挖方式新建市区内地下隧道，在城市部分区域潜埋暗挖施工过程中遇到砂卵石地层，砂卵石颗粒间几乎没有任何联结性，其稳定性主要依赖颗粒间嵌挤和摩擦来维持，由此造成砂卵石地层具有结构稳定性差、自稳时间短及极易产生坍塌等特点，在隧道开挖面失稳前需选择不同的超前支护技术进行施工，降低失稳状态出现的几率；在隧道开挖面失稳过程中需依据失稳产生的不同形式，采取不同的抢险措施；在开挖面失稳并完成开挖支护后依据不同的空洞形式，对初衬背后进行补充处理，保证隧道施工过程中的安全及隧道施工完成后地上物的稳定。

关键词：砂卵地层 潜埋暗挖失稳措施

中图分类号：TQ639.2文献标识码： A

一、开挖面失稳的识别

隧道开挖面失稳前会产生一些征兆现象，即开挖掌子面开始逐渐有小块石子或砂粒下落，速率逐渐加大；或者开挖面出现前掌子面正塌、边墙侧塌、已开挖支护完成后拱顶土体受到扰动所造成的开挖面后塌，开挖面失稳后会产生以上现象中的一种或者是两种以上复合式塌方，此时需保证开挖面核心土具备一定的抵抗土体下滑承载能力，尽量减少对核心土的缩小，及时对产生塌方部位进行加固，同时对塌方部位相邻处开挖面进行预加固，防止失稳部位逐渐扩大。

二、超前小导管预加固措施

在砂卵石地层中未出现特别严重开挖面施工现象时，采用小导管超前支护预加固地层技术，通过注浆，使小导管周围砂卵层固结成拱形承载壳，在小导管及承载壳的棚架作用下开挖下部土体既安全又稳妥，有效地控制拱顶坍塌，在砂卵地层中选择超前小导管，需优先选择管体较细、材质较硬、长度适宜的导管，保证小导管打入的有效性及注浆可行性。

超前小导管注浆施工内容主要包括封闭工作面、钻孔、安设小导管、注浆、效果检验等工序。其施工工艺流程如下图。

(一)超前小导管注浆施工工艺流程

（二）注浆加固范围及小导管布设

隧道开挖超前预支护采用Ф32小导管注浆加固地层技术。拱部小导管沿开挖轮廓线从格栅腹部穿过，环向间距30cm，单根长1.5m，间距每米设3根，纵向每米设置一排（即每两榀一打），搭接0.5米，仰角及外插角15°（角度过小影响下榀格栅的架设，极易造成侵限，角度过大，出现超挖现象严重），隧道出入口各5米采用双排小导管。

为防止下台阶施工过程中，上拱圈下沉，上台阶格栅架好后，

小导管注浆施工流程图

在拱脚处增加向下向外的锁脚锚管，斜插角7°～10°，管长2.5m，每榀格栅拱脚两侧各打设2根，并注浆加固周围土体。

（三）注浆关键技术措施

严格控制配合比与凝胶时间，初选配合比后，用凝胶时间控制调节配合比，并测定注浆结实体的强度，选定最佳配合比。

注浆效果检查：因为注浆方法为周边单排固结注浆，开挖隧道后检查固结厚度，如达不到要求，要调整配合比，改善注浆工艺。

注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆，注浆压力宜控制0.3-0.5Mpa

三、全断面帷幕注浆预加固措施

在开挖面严重失稳情况下，为保证穿越特殊风险源的安全，在隧道穿越特殊地段前采用帷幕注浆加固土体,如下图:

帷幕注浆范围：隧道上、下台阶开挖轮廓外2.5米范围。

帷幕注浆材料：开挖轮廓线外的注浆范围采用小导管，Φ32普通钢管，壁厚3.5mm。一次打设完成，后退式注浆，注浆分段长度为0.6米，一次循环长度6米，搭接2米。

帷幕注浆浆液材料：水泥-水玻璃混合液

配合比：水玻璃：硫酸：碳酸氢钠：水=150：39.32:1.02:368 (每0.5m3浆液配合比)

注浆工艺：先上后下，先外后内，后退式分段注浆（抽管分段设止浆塞）。

（1）帷幕注浆施工工序及技术措施

帷幕注浆施工工序主要包括：成孔和注浆。选用的机械设备有：XY-2型地质钻机和PH15型注浆机。采用帷幕注浆施工每一循环的主要工艺流程如下：

注浆孔成孔：标定出各孔位置，并计算各注浆孔的长度和角度。钻孔顺序：从拱顶处自上而下、由外向内钻设注浆孔，每成一孔及时退出钻机，安装注浆管。开挖轮廓线外的注浆范围采用小导管，Φ32普通钢管，壁厚3.5mm，管头30度锥体。拱部以下注浆范围内采用Φ32×3.5mm（公称直径X壁厚）管。钻孔顺序为：先上后下，先外后内。

注浆：注浆管安装完成后，对掌子面进行二次封闭，然后进行注浆。注浆采用后退式分段注浆，将6米的注浆管分成0.6m段进行注浆，通过调整注浆管内的止浆阀位置实现分段注浆。封闭掌子面后，先注该灌浆料能将孔壁和管壁间的空隙填充密实，并具有一定强度。对所有的注浆管进行填充加固后，再对每一根管进行分段后退式注浆，注浆压力为控制在0.5MPa内，并根据地质情况和注浆效果进行适当调整。注浆效果可通过预留观察孔、注浆压力和注浆量等因素综合分析进行预测，开挖过程中对注浆效果不理想部位须进行重新注浆加固，以保证施工安全。全断面帷幕注浆顺序为：先上后下，先外后内。

封闭掌子面：注浆前要对掌子面进行网喷混凝土封闭处理，根据注浆压力（砂层0.4MPa，土层0.5MPa）不同，调整封闭掌子面混凝土厚度，最小厚度不小于20厘米，必要时应铺设钢筋网片并打设锚管，确保注浆时不产生裂纹和隆起。

四、开挖面失稳产生较低高度塌方后采取措施

砂卵地层进行潜埋暗挖开挖面失稳后表现为以下三种形式即正面坍塌、侧面坍塌、后侧坍塌。产生以上现象的主要原因为颗粒间嵌挤和摩擦力下降导致的自稳时间时间不足。

依据塌方形式进行加固

正面坍塌：受坍塌部位影响，一般形成空洞较大，如产生高度特别大空洞，则需通过地面回填进行加固，如塌方前期，有少量稳定时间则采取下述后塌方式进行抢险；

侧面坍塌：受坍塌部位影响，一般空洞量较小，形成初期即可控制，在产生空洞部位顶预留直径4.5cm注浆管进行压注水泥浆及水泥粉煤灰浆液进行回填补充，并使周围颗粒形成强度；

后侧坍塌的抢险方式： 格栅拱架适当抬高30至40cm，目的为新回填土体提供回填料基础，防止回填料向前滑动，保证回填后为前部土体提供足够的背向土压力，延长土体自稳时间。通过抬高部位预留回填窗口，如窗口较大，对开挖面通过锚喷混凝土加固后预留较大窗口，通过窗口对后部空洞部位进行回填，其次预留回填100mm pvc管，并依据塌方面积，预留2~3根4.5cm注浆铁管，大部回喷完成后，在回喷窗口处塞进锚喷枪头通过回喷管进行细部回喷，最后通过回填注浆管压注水泥浆，每立方米水泥掺量控制为300kg。

预留回喷管要求：管材为直径100mm pvc管，回喷管尽量保证斜向，保证回填料前行，回填料为干料，高度不宜大于1.8米，根据空压机（充气量为18立方米/min）压力、管道承压及混凝土标号（重量）确定，在进行回填时尽量加大细骨料用量，即降低混凝土中石子用量，依据试验确定配比600kg碎石、800kg中砂、200kg P.O42.5水泥、15kg速凝剂。

预留注浆管至少两根，在进行注浆时采用水玻璃水泥混合浆液，为保证初衬开挖尽快进行，可采用高铝水泥或超细水泥，采用普通水泥需在注浆完成后使浆液静止6小时以后方可进行初衬开挖作业。

五、开挖面失稳产生较大高度塌方后采取措施

为保证地上物安全，产生大部塌方后需及时进行雷达探测，依据探测结果对开挖面失稳产生较大空洞部位采用复合浆液进行回填，回填完成后，对地面下严重疏松土体及回填不密实部位采用地表回填细石混凝土、砂浆、水泥混合浆进行加固。例如地层中存在多处道路支护结构，潜埋暗挖完成后短时间内不产生地面塌陷，但会遗留巨大安全隐患，此时需依据施工过程中的施工记录进行地面回填；依据探测结果进行地表打孔回填加固。

（一） 加固流程：

测量定位 孔位布置 混凝土回填 注浆加固

（二）孔位布置

1、钻设回填孔孔径为φ120mm，延发生塌方部位进行布置，纵向间距为2m，并参照雷达探测结果进行加密布置；回填材料为复合浆液。

2、回填加固管采用Φ45钢管，在钢管四周布孔（孔距100mm～200mm,孔眼直径为8mm），注浆管下端砸扁封闭。

注浆管延塌方部位进行布置，相邻注浆管间距2m，直线型布置（见管孔布置示意图），注浆管垂直打设，深入塌孔内即可。 在回填管外侧布设注浆孔进行再次加固。

注浆采用商品浆液进行加固。注浆压力在1.0～2.5Mpa，单位时间注浆量控制在15～30L/min。采用“分排分级升压法”进行注浆压力控制，压力由低到高逐渐提高，在注浆压力没有明显增长时，稳压在10min后停止注浆。

注浆孔平面布置见下图示意：

地面注浆及混凝土回填剖面示意见下图：

（三）钻孔施工

施工准备:在钻孔前使用水钻进行开孔，保证开孔面完整，便于封孔，开孔尺寸为直径12cm圆孔。

钻机安装:平整、加固处理地面，钻架前部孔口附近采取扩散应力措施。钻孔就位时保持底盘平稳、钻架直立、钻头中心对准桩位中心，并将钻架可靠固定。

成孔: 钻孔作业应分班连续进行，填写钻孔施工记录，交接班时应交待钻进情况及下一班应注意事项。应经常对钻机对位进行检测，不符合要求时，应及时改正。应经常注意地层变化，在地层变化处应捞取样渣保存。

钻孔过程中应观察主机所在地面和支脚支承地面处的变化情况,发现沉降现象及时停机处理。因故停机时间较长时，应将套管口保险钩挂牢。

导管安装：钻孔完成后下放φ100mm的PVC管防止塌孔。

安装注浆管：放入45mm注浆管，四周用快凝水泥进行封闭。

浆液灌注：导管使用前组装编号，并进行拉力和水密性试验。下放导管时小心操作，避免挂碰孔壁造成塌孔。浆液在混凝土搅拌站生产供应，由混凝土搅拌运输汽车运输至孔位处，灌入压浆搅拌机，由注浆泵压入塌方孔。拔管前准备足够的水泥浆储备量，保证拔管后导管的埋置深度大于0.5m以上。

（四）注浆工艺

（1）注浆管制作示意

注浆管采用长Ф45热轧钢管加工而成，管长3米，管前端加工成锥形，以便插打，并防止浆液前冲。中间部位钻Ф8mm溢浆孔，呈梅花形布置（防止注浆出现死角），间距100～200mm，尾部1.0m范围内不钻孔防止漏浆，顶部焊接固定横杆，以防打设注浆管时端部开裂，影响注浆管联接。

注浆管制作示意图

(2)注浆材料和注浆压力：

水泥选用普通硅酸盐水泥，不得采用矿渣硅酸盐水泥。注浆压力1.0～2.5MPa。浆液的配比要根据不同的土质情况进行调整，前期先进行试验，根据试验值调整相应的参数。

(3)注浆量的计算（根据理论值进行备料，本区域土质为严重疏松，最终注浆量以实际发生量为准）

注浆量可根据公式

其中：

Q――注浆量

R――扩散半径

L――注浆长度

α――浆液充填系数

β――注浆材料损耗系数

n――孔隙率

(4)注浆终结

当某个注浆孔达到如下的注浆效果时，即可停止注浆

1）注浆压力逐步升高，当达到设计终压并继续注浆10分钟以上，注浆压力无明显下降。

2）有一定的注浆量，与设计注入量大致接近，注浆结束时进浆量一般在20～30L/分钟以下。

(5) 注浆质量控制

注浆时浆液必须在规定的时间内用完，不得任意延长停放时间。注浆时应注意检查各联接管件的联接状态，对注浆速度应严格控制。注浆压力经试验确定，注浆厚度即注浆浆液扩散半径应不小于400mm。

六、结束语

砂卵地层进行潜埋暗挖施工极易产生开挖面失稳现象，为降低此现象的发生几率，需时刻保持开挖面上拱颗粒间嵌挤能力和摩擦力度，降低开挖完成后开挖面暴露时间，充分利用砂卵地层较短的自稳时间，如未及时处理，切忌塌方后盲目施工；初衬完成后及时背后补浆，并进行雷达探测，依据探测结果采取不同措施，减少安全隐患的存在。

参考文献：

[1]《铁路隧道工程施工技术指南》，中国铁道出版社，2008

[2]《营业线施工安全管理实施细则》，京铁师函【2012】755号，2012

[3]《铁路隧道锚喷构筑法技术规范》，铁道专业设计院主编，中国铁道出版社，2002