地铁隧道浅埋暗挖施工和深孔注浆加固技术研究

李京阳

摘要：简述浅埋暗挖施工技术和淺埋暗挖施工步骤，详细阐述深孔注浆前的各项准备工作和深孔注浆施工方法，通过深孔注浆加固技术的应用实例，深入开展了地铁隧道浅埋暗挖施工深孔注浆加固的技术研究，以有效控制地铁隧道大断面开挖施工的安全和质量，对促进地铁隧道工程建设具有一定的应用价值。

关键词：地铁隧道；浅埋暗挖；深孔注浆；技术研究

0   引言

地铁隧道施工过程中，受到隧道管线结构与地质条件等影响，施工难度较大[1]。地铁隧道内的地层扰动较强，土体状态容易出现失衡、沉降与收敛情况，由此造成隧道开挖施工时存在塌方、地表沉降、涌水等安全风险隐患[2]。为了解决上述问题，本文在传统浅埋暗挖施工技术的基础上，进行优化设计，以北京地铁8号线三期隧道工程为例，开展地铁隧道浅埋暗挖施工和深孔注浆加固技术的研究。

1   浅埋暗挖施工技术

1.1   具有的优点

浅埋暗挖施工技术在隧道工程施工中占据了重要地位，适用于距离地表较近的地下。通过浅埋暗挖施工技术，可开挖各种不同类型、结构、软弱地层的地下洞室。浅埋暗挖施工技术遵循新奥法原理、依据十八字法则开展施工。施工过程中将喷锚作为支护手段，可保证浅埋暗挖施工的质量与安全。

1.2   存在的问题

传统的地铁隧道浅埋暗挖施工技术多数采用文献[3]提出的技术。隧道浅埋暗挖施工技术虽然具有诸多优点，但是在实际隧道施工过程中也表现出不足之处，主要体现在施工流程复杂、破坏原有地面环境、占用资源较多、施工周期较长，以及无法显著提升隧道内土层的自稳能力与承载能力，加固效果不佳[4]。

2   浅埋暗挖施工步骤

在地铁隧道深孔注浆加固前，采用浅埋暗挖施工方法对地铁隧道进行开挖施工，并根据开挖施工的实际需要进行注浆加固。浅埋暗挖施工步骤如下：

首先，选用挖掘机配合人工开挖的方式，根据设计图纸要求和地层开挖的实际情况，判断是否需要进行超前支护。

其次，在地铁隧道内开挖出环形拱部，并预留核心土。地层开挖面的台阶长度一般控制在1～1.5倍洞径范围之内。

再次，核心土距离拱顶约1.6m，其两侧距边墙约0.8m，长度为1～1.5m，核心土边缘应设安全坡度。

接着，架设拱部格栅钢架，挂钢筋网片，均匀喷射混凝土[5]，打设锁脚锚杆[6]，开挖核心土，施作临时仰拱。

最后，开挖隧道下部台阶土体，安装钢格栅，挂钢筋网片，施作边墙，仰拱初期支护，管片封闭成环。

3   深孔注浆加固技术

3.1   深孔注浆前的准备工作

3.1.1   选择施工方法

隧道全断面深孔注浆选用后退式（WSS）注浆施工方法，分节钻孔，每节长度为2m，两节之间采用双孔专用接头，使用专用钻头钻孔。单根注浆管长度为2m，钻孔角度为15°。每个注浆循环段之间搭接2m，下一段注浆前应施作止浆墙。

3.1.2   计算注浆比

深孔注浆应选择流动性、渗透性和充填性较高的注浆材料。计算深孔注浆加固的注浆比，其计算公式如下：

（1）

式中：N1表示深孔注浆加固的注浆比；D15表示大于注浆材料粒径的砂粒质量占总质量的15%；d85表示小于注浆材料粒径的砂粒质量占总质量的85%。

根据注浆比计算结果，选择符合粒径要求的高性能注浆材料，保证注浆材料充填到浅埋暗挖深孔后，能够达到较高的固结强度，且能够在地铁隧道环境内长期处于稳定[7]。

3.1.3   计算注浆量

在进行深孔注浆之前，应计算注浆量，其计算公式如下：

（2）

式中：Q表示深孔注浆加固的注浆量，R表示深孔注浆浆液扩散半径，H表示深孔分段注浆长度，φ表示地铁隧道地层空隙率，δ表示地铁隧道空隙充填率，η表示注浆浆液损失率。通过计算，获取地铁隧道浅埋暗挖施工深孔注浆量。

3.1.4   确定注浆方法

根据该工程的实际情况，采用扇形方式布置预留注浆深孔，控制深孔注浆的间距不超过0.4m，末端间距不超过1m[8]。

采用后退式分段注浆方法，配套选用止浆阀、接头管和孔口管，将其放入注浆管中，随后布设在隧道浅埋暗挖深孔内。沿着地铁隧道的前进方向，进行超前注浆加固土体。地铁隧道浅埋暗挖深孔后退式分段注浆原理如图1所示。

3.1.5   设置止浆墙

进行深孔注浆前，需要在上台阶核心土范围外的掌子面设置厚度为0.3m的止浆墙。止浆墙设置双层?6@150×150钢筋焊接网和?22@500×500钢筋加强。采用C20喷射混凝土进行喷射加固。核心土范围采用厚度为50mm的C20喷射混凝土喷射加固。封闭地铁隧道浅埋暗挖掌子面，形成封堵墙，在墙内预埋符合加固施工要求的钢管，便于钻机开孔施工[9]。

3.1.6   钻进成孔

注浆孔采用地质钻机成孔，钻杆采用?50双重管钻杆，钻机按照指定的位置就位，调整钻杆角度，对准孔位后，钻机不得移位。注浆孔分3层布置，层间距为0.5m×0.5m，孔间距为0.5m×0.5m呈梅花型布孔。

钻进成孔过程中，按注浆长度及注浆范围要求，严格控制钻杆深度，保持慢速运转，掌握地层对钻机的影响情况，以确定该地层条件下的钻进参数。密切观察溢水、出水情况。若出现大量溢水，应立即停钻，查清原因后方可继续施工。

退出钻杆过程中严格控制钻杆的退出速度，每次退出不大于200mm，均速后退。退出后的钻杆应及时清洗干净。

3.2   深孔注浆施工方法

注浆压力为0.2～0.8MPa；采用速凝浆液，其凝固时间为1～2min；钻杆回抽幅度约15～20cm。注浆速度与地层的孔隙、连通情况和密实度有关，因此将注浆速度暂定为10～20L/min。

注浆采用注浆量和注浆压力双控注浆，每根导管注入规定浆液，压力达到注浆终压时，即可结束注浆。如注浆压力长时间不上升，流量不减少，可能出现跑浆现象，此时采用间歇注浆。由深孔孔底向外分段注浆加固。按照分段注浆顺序，循环加固施工，直至整个地铁隧道加固区段完成深孔注浆，即结束深孔注浆加固施工。

4   深孔注浆加固技术应用实例

在将深孔注浆加固技术投入地铁隧道工程施工之前，需模拟浅埋暗挖施工流程，对该技术的有效性及施工加固效果進行测试，确认该项技术的施工加固效果能够达到预期要求后，方可投入工程应用。

4.1   工程概况

选取北京地铁8号线三期隧道工程作为实例进行应用分析研究。该隧道工程庞大、结构复杂，本次试验从中选取一个区间，即木樨园桥南站至大红门站区间。选取的隧道区间始于京煤二厂中街与南苑路相交路口，由北往南敷设，直至南苑路与石榴庄路相交路口。8号线地铁隧道区间段的工程参数如表1所示。

选取的区间段为正线下穿凉水河隧道工程，其包括D2000污水管、D3000污水管、3400mm×1600mm雨水方沟等管线。在掌握地铁隧道工程相关情况后，参照浅埋暗挖施工方法和深孔注浆加固技术，开展分析研究。

4.2   分析实验结果

为了增强应用分析测试结果的说服力，引入对比实验。将8号线地铁隧道区间段设置为实验组，将文献[2]、文献[3]提出的施工技术，分别设置为对照组1与对照组2。模拟上述3组的浅埋暗挖施工加固全过程，获取加固结果，并作出客观评价。

选取地铁隧道地表沉降值作为此次应用分析的评价指标，隧道地表允许的最大沉降值为30mm。根据该地表沉降监测基准，判断本文提出的浅埋暗挖施工深孔注浆加固技术是否可行。

随机在北京地铁8号线三期隧道工程中布设沉降监测点，保证每15m布设1个隧道地表断面沉降监测点，将沉降监测点标记为D-01、D-02、D-03、D-04、D-05、D-06。使用精密水准仪，监测北京地铁8号线地铁隧道区间段地铁隧道的地表沉降值，得出的地铁隧道3组地表沉降值，如图2所示。

通过图2可知，这3组浅埋暗挖施工加固技术应用后，隧道地表沉降值存在较大差异。北京地铁8号线应用地铁隧道浅埋暗挖施工及深孔注浆加固技术后，6组监测点所在隧道地表位置对应的沉降值，始终小于对照组1与对照组2的沉降值。北京地铁8号线地铁隧道地表沉降变形较小，最大沉降变形小于0.5mm。

从对比结果可知，本文提出的浅埋暗挖施工深孔注浆加固技术具有较高的可行性，隧道地表的自稳能力与承载能力较强，确保了地铁隧道开挖施工标准段结构的安全性与稳定性，加固施工效果优势显著。

5   结束语

综上所述，为了优化地铁隧道浅埋暗挖施工深孔注浆加固效果，提高隧道地表土层的自稳能力与承载能力，控制地表沉降变形。

本文以北京地铁8号线三期隧道工程中的一个区间段为例，开展了地铁隧道浅埋暗挖施工深孔注浆加固技术研究，有效控制了隧道大断面开挖施工的安全和质量，对促进地铁工程建设具有积极意义。

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