古运河浅埋暗挖超前支护效果影响因素分析

康国强，沈延梅，武 佳

（1.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250；2.石家庄市鹿泉区水土保持综合管理办公室，石家庄050200；3.河北省水文水资源勘测局，石家庄 050031）

工程地质

古运河浅埋暗挖超前支护效果影响因素分析

康国强1，沈延梅2，武 佳3

（1.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250；2.石家庄市鹿泉区水土保持综合管理办公室，石家庄050200；3.河北省水文水资源勘测局，石家庄 050031）

根据浅埋暗挖区工程地质条件和固结注浆原理，分析了超前小导管注浆效果不明显的主要原因，并为改善注浆效果提出了建议。

古运河枢纽；浅埋暗挖；超前小导管注浆；原因分析

1 工程概况

南水北调中线京石段应急供水工程古运河枢纽穿石太高速公路段，为使施工期间高速公路不断交，故此段暗渠采用浅埋暗挖施工方案。原设计暗挖起点桩号为（237+442.6）″，终点桩号为（237+522.6）″，对应19#～26#管节，每节长10m，总长80m。 为改善暗挖进、出洞口条件，19#约一半管节及25#管节中部至26#管节改为明挖，实际暗挖起点桩号（237+448.6）″，终点桩号（237+507.6）″，实际暗挖长度59m。浅埋暗挖段平面布置如图1。

图1 浅埋暗挖施工平面布置

2 工程地质条件及评价

穿石太高速公路的工程区由第四系松散层组成，为粘性土、砂性土碎石土组成的土体多层结构。根据地层时代、岩性及土体空间分布特征，将建筑物区地层划分为10个工程地质层，其中①～⑥层构成浅埋暗挖穿越岩土主体，分述如下。

第①工程地质层：黄土状壤土（Q2apl3），层厚0.6～8.6m，层底高程74.92～81.0m。局部夹薄层粘土。产状直立，稍湿，坚硬～硬塑，有利于洞挖施工。

第②工程地质层：黄土状砂壤土（Q2apl3），层厚0.6～6.5m，层底高程74.32～78.77m。 稍湿，产状不明显，可塑性较差，局部可见粉细砂透镜体，洞挖掌子面较稳定。

第③工程地质层：中砂（Q1apl3），层厚2.5～9.8m，层底高程65.1～71.7m。中砂层沉积产状不稳定，中密～密实，多与细砂互层分布，砂质纯净，不均匀，开挖临空面自稳性较差。

第④工程地质层：壤土（Q1apl3），层厚0.5～5.85m，层底高程67.4～71.32m。

第⑤工程地质层：细砂（Q1apl3），层厚2.15～12.5m，层底高程64.78～69.37m。以透镜体形式存在，水平沉积层理明显。

第⑥工程地质层：中砂（Q1apl3），层厚1.75～7.2m，层底高程62.89～67.62m。

该区地层具有岩性复杂、厚度变化大、尖灭与相变频繁、透镜体分布广的特点。结构基础持力层为第⑤工程地质单元细砂层及第⑥工程地质单元中砂层，其承载力为200～230kPa。施工揭露地层分布与初设勘察资料一致。详见图2、图3。

地下水位低于浅埋暗挖工作面，不影响洞挖施工。

图2 浅埋暗挖段工程地质纵剖面图（（237+448.6）″～（237+507.6）″）

图3 浅埋暗挖段工程地质横剖面图（（237+448.6）″、（237+507.6）″

太平河（生态河）曾经超堤高（堤顶高程82.0m）蓄水，使施工区岩土的含水率明显提高。后期太平河停止蓄水。

3 注浆固结原理及影响因素分析

3.1 超前小导管注浆

小导管注浆超前支护是浅埋暗挖施工方案中不可或缺的工艺环节。就是在短进尺开挖前，通过水平向小口径注浆导管对拟开挖岩土周边进行固结注浆，增强岩土强度和自稳性，降低渗透性，为开挖后进行初期支护创造条件。超前小导管注浆孔布置如图4。

图4 超前小导管注浆孔布置

3.2 注浆固结原理

注浆固结即在一定压力下通过注浆管将水泥系浆材或混合型浆材压入岩土体孔隙或裂隙，在浆液的固结作用下增强岩土体强度和稳定性的地基处理方法。可分为渗入性注浆、劈裂注浆、压密注浆、电动化学注浆四类。本案主要是利用渗入性注浆（砂土）、劈裂注浆（砂壤土）原理。

3.3 注浆效果影响因素分析

古运河浅埋暗挖超前小导管支护首先采用水泥浆。通过实际应用发现设计压力下注浆量小、浆液渗透半径小且不均一、浆液凝固体在土层中分布不均、注浆加固后的土体稳定性较差等几个方面的问题，成为一衬拱脚稳定性差，从而导致高速公路较大沉降的原因之一。

通过对原施工方案中使用浆材（水泥浆）、注浆环境和注浆固结原理分析，笔者认为影响注浆效果的主要原因有地层土的渗透性、浆材性质、注浆压力、注浆工艺、外界环境及人为因素等几个方面。

3.3.1 土层渗透性

本案浅埋暗挖区地层岩性主要为黄土状壤土、砂壤土、细砂和中砂。

黄土状壤土为黏性土，渗透系数k=2.65×10-5cm/s，具弱渗透性；黄土状砂壤土为少黏性土，渗透系数k=1.12×10-4cm/s，具中等偏弱透水性。对弱～中等透水性的岩土来说，水泥浆对其渗入性影响微乎其微，只有在较高压力下的劈裂注浆才有效。本案拱顶部位为黄土状壤土，未进行小导管注浆。

细砂、中砂层沉积中密～密实，渗透系数k=5.0×10-3～2.0×10-2cm/s，具中等透水性，理论上有利于渗透注浆。但是国内外常用的水泥浆难于进入渗透系数低于5.0×10-2cm/s的砂土。再加之砂土不纯净、不均匀，且局部存在黏性土夹层，降低了其实际渗透性能，致使导洞拱脚注浆效果并不理想。

3.3.2 浆材可灌性

一般情况下化学浆材（如水溶性聚氨酯、无毒丙凝、酸性水玻璃等）比水泥系浆材具有更好的流动性和流动性维持能力，以致对同地质条件土体有更好的可灌性。本案暗挖土体大部分具中～弱渗透性，因此选择流动性较好的硅胶或树脂类浆材更适宜现场地层。各种浆材的适用范围如表1。

表1 各种浆材的适用范围

3.3.3 注浆压力

本案采用3.0m浅孔注浆，由于封孔难度和浅部土体强度较小，在不造成喷孔和土体破坏的前提下，注浆压力是很有限的，一般不超过0.2MPa。因此，直接影响注浆有效半径，一般不超过0.4m。

3.3.4 注浆工艺

对于水平沉积土层，水平向平均渗透系数取决于最透水土层的渗透系数和厚度，而竖向平均渗透系数则取决于最不透水土层的渗透系数和厚度。因此，一般情况下水平沉积地层竖向渗透性要弱于水平向渗透性。本案中的水平注浆花管的径向渗透半径，势必会呈现上、下渗透半径小、水平向渗透半径大的规律，影响注浆范围有效衔接。

3.3.5 岩土含水率

施工过程中由于太平河蓄水影响，大大提高了洞挖土体含水率，这是影响浆液分散状态、浆液浓度和凝固强度的原因之一。

3.3.6 其他

注浆持续时间及浆液的调配质量等也会影响注浆效果。

首先，由于浆液的沉淀析水性，注浆持续时间太长会使浆液沉淀分层，从而引起机具管路和地层孔隙的堵塞，严重时还可能造成灌浆过程的过早结束。

另外，由于浆液的凝结性，当注浆持续时间过长，浆液会初凝，流动性减少，致使泵送和灌注效能降低。

浆液调配水灰比、浓度、温度、材料的细度和品种等条件都会影响设计浆液的质量，最终会影响到注浆效果。

4 结语

通过理论分析，比较全面地分析了超前支护效果的影响因素。实践证明，采用可灌性较好酸性水玻璃等化学浆材作为水泥浆的替代浆材，可以有效地改善注浆效果，增强围岩土体和衬砌稳定性，为配合其他施工沉降处理措施，有效控制高速公路沉降，保证公路通车和洞挖安全起到了重要作用。

［1］龚晓南.地基处理手册［K］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［2］陈国兴，樊良本，等.土质学与土力学［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［3］河北省水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程（石家庄至北拒马河段）古运河枢纽初步设计工程地质勘察报告［R］.2004.

［4］河北省水利工程局.南水北调中线京石段应急供水工程古运河枢纽穿石太高速公路暗挖段施工方案［R］.2006.

［5］中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司古运河项目经理部.南水北调中线京石段应急供水工程古运河枢纽工程25#～26#及18#管节变更方案［R］.2006.

Analysis of the shallow tunnel section of ancient canal control project forepole effect factors

KANG Guo-qiang1，SHEN Yan-mei2，WU Jia3
（1.Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower,Tianjin 300250,China;2.The Comprehensive Management Office of Soil and Water Conservation of Luquan District,Shijiazhuang 050200,China;3.Hydrology and Water Resources Suruey Bureau of Hebei Province,Shijiazhuang 050031,China）

According to the engineering geological conditions of the shallow tunnel and consolidation grouting theory,analyzes the main cause of small duct grouting effect is not obvious in advance,and puts forward suggestions to improve the grouting effect.

ancient canal hub;the shallow tunnel;advanced small duct grouting;cause analysis

B

1672-9900（2015）02-0094-03

2014-10-17

康国强（1977-），男（汉族），河北平山人，高级工程师，主要从事工程地质勘察工作，（Tel）13820975755。