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注浆在地铁矿山法隧道中的应用
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内容提示：研究目的随着我国城市轨道交通的快速发展,在城市地铁中按喷锚构筑法原理进行设计和施工的浅埋暗挖矿山法隧道越来越多,本文旨在分析在矿山法隧道中各种辅助施工措施的特点、适用条件。
摘要:研究目的:随着我国城市轨道交通的快速发展,在城市地铁中按喷锚构筑法原理进行设计和施工的浅埋暗挖矿山法隧道越来越多,本文旨在分析在矿山法隧道中各种辅助施工措施的特点、适用条件。（参考《建筑中文网》）
研究方法:通过对多个矿山法隧道的调查研究,对不同文地质条件、周边环境下的注浆措施进行分析对比和总结。
研究结论:在城市地铁中的矿山法隧道,需根据工程的周边环境、隧道埋置深度、工程及水文地质条件、隧道断面尺寸,结合隧道施工的基本工法,选择合理的注浆参数,对地层及围岩进行必要的加固和止水,不但可以避免较多的施工风险,节约工程投资,而且还可以减少对周边环境的影响及破坏,满足工期的要求。
关键词:地铁;暗挖隧道;矿山法;注浆;措施
随着我国城市轨道交通的快速发展,采用矿山法施工的隧道越来越多。在人口密集、交通繁忙、建筑物集中的地段采用何种辅助施工措施,对降低工程造价、减少对周边环境的影响至关重要。
1 地铁矿山法隧道所处的环境及特点
矿山法施工的不少地铁隧道,由于埋深浅,处于第四系各种土层、砂层或岩石全、强风化的软弱围岩中;一般地下水位较高,地下水丰富,且多位于繁华都市区,地面道路纵横交错,建筑物密集,地下管线众多,地面沉降控制严格;因此,在矿山法隧道设计和施工中选择合理的辅助施工措施,对围岩进行加固和止水,以保证隧道的施工安全和减少对周边环境的影响。在众多辅助工程措施中,本文主要针对注浆措施的特点、适用条件及应用展开论述,为在矿山法隧道中采用注浆措施提供参考。
2 注浆
注浆是通过外界压力将浆液压入到土体中,经渗透及劈裂作用,使土体粒子间的水或空气被强行排挤出加固范围之外,并充填土粒之间的空洞、孔隙;利用胶凝材料将周围的土粒胶接为一个整体;改善土体的物理力学性能,提高土体强度和地层的整体稳定性,降低地层的渗透性,堵断地下水渗透的通路;从而保证隧道在开挖后地层的稳定,保证施工及周围环境的安全。
2.1 注浆工艺
根据浆液与土体的相互作用方式,一般可分为渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆3大类,其特点如下:
2.1.1 渗透注浆
浆液将土中的自由水和气体排挤出去,通过充填裂隙或空隙,胶结周围土体,形成较密实的固化体,从而提高土层的抗压强度和抗渗性。渗透注浆不会引起土体体积大的变化。当地层为砂层、卵石层、碎石土等第四系地层(渗透系数大于10-4cm/s)时,宜采用渗透注浆方式。
2.1.2 劈裂注
浆液在较高的压力下,注入到孔隙率较小的地层中。浆液在高压力作用下,沿地层的结构面产生劈裂流动,在地层中形成脉、网状分布。不规则的脉、网状固结物和由于浆液压力而挤密的土体构成复合地层,从而具备一定的承载能力和止水能力。当地层为粘性土地层、埋深较大、渗透系数较小(小于10-5cm/s) 时,宜采用劈裂注浆方式。
2.1.3 压密注浆
采用有一定稠度或速凝型的浆液,通过压力对土体产生压密效应,从而改善土体的物理力学性能,其固结体在土体中一般呈似球体或块体状分布。压密注浆主要用于地基加固中,对于矿山法隧道中的注浆加固地层及止水,主要为渗透注浆和劈裂注浆2种方式。
在实际注浆中,浆液往往是以多种运动方式作用于土体的,仅以某种单一方式作用于土体的情况几乎很少。因此,平常的设计和施工中,所谓的渗透注浆或劈裂注浆,是指注浆过程中,浆液以渗透形式为主,或以劈裂方式为主的注浆方式,往往会伴有其它方式的发生。
2.2 注浆工艺
根据注浆工艺的不同,可以分为花管注浆、套管注浆、埋管注浆等几种形式。
2.2.1 花管注浆
注浆主要通过钻机钻孔后,插入注浆花管进行注浆,此种注浆是采用全孔一次性注浆方式,注浆孔孔径一般为40~70mm,此种注浆主要用于注浆段不长的情况。
2.2.2 套管注浆
套管注浆也叫袖阀管注浆。当钻孔到设计深度后,从钻杆中灌入封闭泥浆,并在封闭泥浆中插入塑料单向袖阀管,在塑料管中插入双向密闭注浆芯管再进行注浆。此种注浆是采用全孔分段注浆方式,分段长度一般为2~3m一段;注浆钻孔孔径一般为70~110mm,注浆袖阀管直径一般为40~80mm。该工艺的特点是能很好地控制浆液的凝固时间和扩散范围,对不同地层和地段,可采用不同的注浆压力、注浆量及浆液类型。
2.2.3 埋管注浆
埋管注浆是通过埋设密封管和特制注浆芯管,将浆液注入地层,以达到加固地层的目的。此种注浆工艺主要用于跟踪注浆技术,对于隧道中加固地层及止水则较少使用,而是主要用于隧道施工中引起周边建(构)筑物的沉降后的补救措施。
2.3 浆液类型
主要采用的注浆材料为水泥浆或水泥-水玻璃浆液。纯水泥浆的成本较低,流动性较好,结石强度较高,可灌性也较好,但析水率较大,稳定性较差,结石率较低,早期强度一般较低,凝结时间较长,一般需添加早强剂;水泥-水玻璃浆液除具有水泥浆的全部优点外,还兼有某些化学浆液的优良性能,凝结时间可以调节,能可较好地控制浆液的扩散半径,结石强度较高。
一般当隧道在地下水位以下、地下水具有一定的流动性、地层的渗透系数和空隙率较小时可采用水泥-水玻璃浆液;根据地层情况,为了提高浆液的可灌性,也可以考虑采用超细水泥-水玻璃浆液;当位于地下水位以上,孔隙率较大时可采用水泥浆。
2.4 注浆压力
注浆压力是用浆液进入地层孔隙及裂隙的一种动力,根据不同的注浆类型、地质条件和周边环境不同而不同。一般说来,注浆压力一定要大于地层的水压力、地层压力等各种阻力值的总和。从浆液扩散效果方面考虑,注浆压力大,扩散范围越大,注浆孔可相应减少,注浆速度提高;但注浆压力过大会造成窜浆,扩散至设计注浆范围以外,既浪费材料,并且可能造成地面超标准的隆起,影响周边建(构)筑物、地下管线的安全。
确定合适的注浆压力,从理论上讲是很困难的,因为影响的因素较多,如工程及水文地质条件、浆液类型、注浆工艺、埋置深度等。通常,注浆压力设计根据经验选取,并通过现场试验确定;其中,渗透注浆的终压力一般应大于静水压力的2~3倍。
2.5 注浆孔的布置
布孔原则是使浆液扩散范围相互重叠,避免出现“盲区”,造成隧道开挖时涌水或坍塌。浆液的扩散半径一般随渗透系数的增大而增大,由于地质条件的复杂多变,理论计算的半径参数不易选准,又因有多种地层,各地层的参数各不相同,常常偏差较大,设计时可采用工程类比,并根据现场试验选取合理的注浆扩散半径。一般采用渗透注浆时,注浆孔间距为0.5~1.0m;劈裂注浆时,注浆孔间距为0.8~2.0m。
主要为洞内深孔注浆、洞内浅孔注浆、地面注浆等3种注浆类型。
2.6.1 洞内深孔注浆
主要用于地面无注浆条件的情况。每个注浆循环长度约20~40m,开挖一定距离,留约3.0~5.0m左右作为下一循环的止浆墙。注浆范围一般为隧道开挖范围外2.0~4.0m线范围内土层和全、强风化岩层,加固体抗渗系数一般要求达到10-5cm/s,做到隧道在开挖过程中仅有极少量渗水,不能形成有危害性的渗流。
深圳地铁一期工程的老大区间隧道,隧道所处地层主要为花岗岩的残积层(砾质粘土层)。当2号竖井向两端进行暗挖隧道施工中,竖井东端隧道拱部施工进至8m时,掌子面土石分界线位置出现涌泥、涌砂现象,施工受阻;2号竖井以西段拱部施工进至7m时,亦在掌子面土石分界线位置出现一直径约20cm的孔洞,地下水携带粗砂急速涌出。经分析,由于地层含水量较高的,且水压较大,超前小导管注浆效果差,地下水从支护缺陷处渗出,形成潜蚀,最后扩大涌出。从现场实际施工情况看,砂质粘土层及花岗岩全风化层透水性强,尤其是砾质粘土层性质变化大(可认为是“似土非土、似砂非砂、似石非石”,是一种特殊的不良地质),干燥状态下稳定性好、硬度大,但在含水状态下,施工开挖及支护扰动后迅速软化成泥浆,且长时间不易失水干燥;同时由于地表水补给充足(紧邻布吉河),地下水渗出量比预计的要大,采用单一的超前小导管注浆较难阻止地下水渗入坑道和保证掌子面的稳定。
为保证隧道施工安全,在竖井两端各100m范围内采用洞内深孔注浆加固地层及止水措施。加固范围为隧道开挖轮廓线外3.0m线以内的土层和全风化层;浆液为水泥-水玻璃浆液;浆液扩散半径为80cm,梅花型布置;注浆压力为初压0.3~0.4MPa,稳压:1.2~1.5MPa;水灰比为1∶1,水玻璃浓度:30°Be′,模数:2.6;注浆采用分段长套管护壁后退式注浆工艺(袖阀注浆),主要采用劈裂注浆方式。每个注浆段长35.0m,每两个注浆段的搭接长度为4.0m;注浆顺序为先隧道周边后中间,隔孔交替注浆。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200807/1187.htm
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