導語：小議地鐵區間隧道特殊地層施工技術一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：結合北京地鐵太陽宮~三元橋站區間隧道施工中對坍塌、流砂治理實踐技術，介紹了超前支護施工技術、隧道開挖方式適應性技術措施，為今后類似地層施工提供借鑒與參考。

關鍵詞：地鐵暗挖坍塌流砂技術措施

1工程概況

北京地鐵十號線太陽宮站~三元橋站區間隧道位于東三環三元橋東南角處的麥子店西路下，呈東西走向；區間暗挖隧道起訖里程K13+851.852~K14+670.150，全長818.298雙線米。隧道斷面有3種形式，其中標準斷面為馬蹄形，開挖尺寸為6.0m×6.33m，全長1376.011m，隧道左右線間距12m，覆土厚度10~14m，縱坡為10.576‰。

隧道穿越的區域有四層地下水，從上至下依次為：①上層滯水，水位高程31.19~36.46m，水位在隧道拱頂上3~6m；②潛水，水位高程26.86~30.68m，水位在隧道拱頂上1~1.5m；③層間潛水，水位高程22.04~24.99m，水位位于隧道開挖斷面中間；④承壓水，水位高程16.53~18.58m，水位在隧道仰拱以下4m。

區間隧道地層自上而下依次是粉質黏土填土、雜填土、粉土、粉細砂、中粗砂、粉質黏土、黏土、粉土、圓礫等地層，其中隧道施工所觸及的土層有粉細砂、中粗砂及粉質黏土層。隧道上方沿左線拱頂存在Ф800污水管及Ф800雨水管道各一條，兩條管道埋深分別為4m、3m；通過檢查，發現管道滲漏嚴重。區間地質、水文見圖1。

2特殊地層施工出現的問題及原因分析

2.1支護設計情況

區間標準斷面設計采用臺階法施工。超前支護為Ф42小導管，注水泥-水玻璃漿液；小導管長度2.5m，搭接長度1m，在拱頂120°范圍按300mm間距布置，小導管施工角度7°~10°。初期支護為250mm厚，鋼格柵+Ф22連接鋼筋+Ф6鋼筋網片+C25噴射混凝土結構；鋼格柵間距75cm，在上下臺階位置45°各打設1根2.5mФ42鎖腳錨管。標準斷面初期支護結構見圖2。

2.2試驗段施工方法

試驗段施工嚴格按照設計要求進行，采用兩臺階法，臺階高度3m，臺階距離控制在2.5~3m；核心土為梯形設置，高度1.5m，上下寬度分別為1.5m、3m；超前支護采用風鎬直接打入小導管，封閉掌子面后采用水泥-水玻璃漿液注漿。

2.3出現的問題及原因分析

隧道試驗段施工中，流砂及坍塌險情不斷，施工效果較差，安全風險較大，主要存在以下問題。

(1)風鎬引入小導管過程中即出現粉細砂坍塌現象，導致小導管加固有效范圍(有效范圍主要為兩榀格柵之間拱頂砂層)加固體缺失，導管裸露；在開挖前清除上循環封閉掌子面的噴射混凝土時產生的振動又造成粉細砂層受到擾動，進而出現坍塌。主要是因為隧道起拱線及拱頂以上為粉細砂層，且砂層松散，補給水易使砂層含水量大，造成砂層自穩能力極差，稍有擾動即會出現掉落。

(2)在小導管注漿加固效果檢查中發現水泥-水玻璃漿液無法通過小導管溢漿孔浸入粉細砂層，漿液主要集中在導管內部，導管外壁只有少量漿液附著管壁，因此加固范圍達不到設計要求，坍塌連續不斷。

(3)根據鋼格柵高度及小導管打設位置計算，設計2.5m小導管，搭接長度1m情況下，小導管實際打設角度為8°~17°(設計為7°~10°)。

小導管打設17°為理想狀態，這種角度可以保證第二榀格柵上部有300mm注漿加固體，且小導管加固范圍底面恰好在格柵頂面；但是在第三榀格柵位置小導管加固范圍底面在開挖面以上386mm位置，那么格柵頂面與加固體底面之間386mm松散砂層依然會出現坍塌。

小導管打設最低限度為8°，否則不但不能確保第二榀開挖面有足夠的注漿加固體，而且會造成拱部開挖線出現欠挖，使鋼格柵架設困難。從圖中可以看出，小導管打設角度直接影響加固范圍，且導管越長，加固效用越差。

(4)隧道分兩臺階開挖，臺階分界面正好處于粉細砂層與粉質黏土層界面位置，雖然通過降水井進行降水，且水位達到隧道仰拱下1m位置，但是界面水依然很大，極易在界面位置形成流砂。隧道鋼格柵采用對稱設置，鋼格柵與臺階相對位置見圖3。上臺階開挖完成后架設鋼格柵時，存在兩種安裝方式：第一種是先安裝拱頂①號格柵，后安裝②號格柵，此方式安裝時①號格柵懸吊，中心位置及水平難以調整，臨時固定難以達到精度要求，費時費力，②號格柵因底部處于界面位置，開挖時即出現流砂填埋格柵位置，在狹小作業環境下格柵安裝困難，通常在②格柵下部放置后，流砂即將節點板位置掩埋，在后期格柵尺寸調整時，無法搬移，造成上臺階格柵安裝周期長，且砂層長時間暴露及流砂影響下出現：①號格柵所處拱頂范圍出現坍塌，②號格柵下部界面位置流砂引起孔洞，并向四周擴散。第二種格柵安裝方式為，先安裝②號格柵后①號格柵，此方式也存在相同問題，即拱頂①號格柵受②號格柵安裝精度影響大，施工周期長，坍塌、流砂病害嚴重。

(5)兩臺階開挖方式，臺階高度過大，施工人員作業時，頭部以上存在1m高粉質黏土層，且臺階處于粉細砂與粉質黏土界面位置，上臺階開挖速度快，下臺階開挖慢，上臺階后界面水順著下臺階土體下流，長時間浸泡粉質黏土，容易造成下臺階滑塌，施工隱患大。

(6)兩臺階施工只有兩個工作面，施工人員8人即占滿施工空間，每循環施工周期長達12h，且掌子面得不到及時封閉，容易形成流砂、坍塌。

3技術措施

通過對試驗段施工中存在的以上問題進行原因分析，研究采取相應的技術措施，并多次進行現場試驗、改進，最終取得了較理想的效果。即通過加強超前支護效果、控制施工周期，從而減小掌子面暴露時間，是控制坍塌及流砂的重點所在。

3.1超前支護

超前支護在隧道施工“管超前，嚴注漿，短開挖，強支護，早封閉，勤量測”十八字方針中占據首要地位，是保證隧道開挖安全的先決條件，為了確保超前支護效果，可從以下幾個方面入手。

(1)漿液選擇及配制

根據粉細砂層中水泥-水玻璃漿液不能浸入的特性，通過比選，采用了改性水玻璃(水玻璃與硫酸按一定比例配制)作為砂層固化劑。

水玻璃又稱泡花堿，是一種透明的玻璃狀溶化物的工業產品，呈黃色至灰白色；市場出售的水玻璃濃度一般在40Be′左右。硫酸純品為無色、無臭、透明的油狀液體，呈強酸性。市售的工業硫酸為無色至微黃色，甚至紅棕色。相對密度：98%硫酸為1.8365(20℃)，93%硫酸為1.8276(20℃)；熔點10.35℃，沸點338℃。硫酸有很強的吸水能力，與水按不同比例混合釋放大量的熱，稀釋硫酸時必須注酸入水，嚴禁注水入酸，防止酸液表面局部過熱發生爆炸噴酸事故。

水玻璃稀釋時邊加水邊攪拌，邊用波美度測量。硫酸稀釋(10%~20%稀硫酸)：計算所需濃硫酸和加水量，將濃硫酸緩慢倒入水中，攪拌均勻。在快速攪拌的情況下，將水玻璃緩慢地倒入稀硫酸中，試紙測量pH值，以3~4為宜。

(2)小導管加工及安裝

根據小導管打設角度，為了有效利用小導管進行注漿加固，減小不必要的浪費，小導管長度縮短為1.5m，每榀打設，環向間距控制在300mm，必要時適當加密，以提供支護剛度。

小導管采用Ф42鋼管，導管端頭加工成錐型，以便插入及控制漿液集中前沖，小導管中間至端頭間隔200mm梅花形布置Ф6~12溢漿孔，導管出露50cm范圍不鉆孔。

為了避免風鎬引入小導管造成的振動，采用Ф42鋼管做成的風管沿格柵位置調整角度(外插角17°)往復吹孔，吹孔后及時將小導管送入孔內，導管孔口采用棉紗封堵，吹孔及小導管安裝后噴射混凝土封閉。

(3)小導管注漿

拔出導管封口棉紗，將注漿膠管插入導管口部并用鐵絲擰緊，防止漿液從管口溢出；將已調好的改性水玻璃倒人牛角泵內，漿液占泵體積的2/3，關閉泵蓋和放風閥，打開注漿管閥門。一切就緒后，打開送風閥注漿，在氣壓推動下，改性水玻璃注入小導管內加固拱部地層，注漿完成后再次用棉紗堵塞管口。為了防止漿液逆流，每個導管注漿完成后將放風閥打開，使泵內氣體揮發出去。下一導管注漿前，重新加入改性水玻璃進行注漿。

注漿順序自下而上、間隔進行，注漿壓力控制在0.3~0.5MPa，每孔注漿量80~120L，其加固半徑可達到為30~35cm，且各孔漿液互相浸入，將拱頂范圍砂層固結成拱殼形式。

(4)注漿注意事項

①注漿時應注意壓力表的壓力讀數，防止壓力失控；注漿管管口嚴禁對人放置，且注漿管在未打開放風閥前，禁止移動。注漿前應檢查注漿泵密封蓋，確保密封效果良好，防止出現高壓噴出物射出傷人。

②注漿時發生漿液從其他小導管流出的現象，應在出現串漿的導管口處用木楔堵塞管口，待該管注漿時再拔下木楔，并以高壓風和高壓水清洗管內雜物，然后再注漿，直至全部注漿結束。

③為了確保注漿效果，每次注漿可對前一循環小導管再次注漿，加強超前支護效果。

3.2三臺階施工

根據現場施工情況，為了縮短每循環施工周期及避免發生臺階界面位置因流砂引起孔洞及坍塌，采用了一些措施進行處理。

(1)臺階高度選擇

選擇三臺階施工，其根本目的主要是在兩臺階施工基礎上增加施工作業面，增加作業面人員數量，降低臺階高度，確保施工安全。

三臺階施工將隧道開挖分成上臺階、中臺階及下臺階，臺階高度分別為2m、2m、2.33m，臺階高度的降低，可以避免施工作業盲區，施工作業方便。通過調整臺階高度，上臺階范圍全部處于粉細砂層，中臺階存在1m粉細砂層及1m粉質黏土，下臺階全部為粉質黏土。三臺階施工時，采取上、中、下同時施工，上臺階在施工中主要控制超前支護，界面水因在臺階下1m位置，對上臺階不能造成任何影響；中臺階施工時僅有1m粉質黏土，通過先中部后兩側的開挖方式，極大縮短掌子面暴露時間，且中臺階開挖后空間大，格柵架設方便，能快速封閉，界面水形成的流砂影響很小；下臺階高度降低后，施工人員可自上而下開挖，不但風險降低，而且開挖速度相應提高。

(2)鋼格柵位置調整

鋼格柵位置調整主要是避免兩臺階施工中上臺階拱部格柵分割數量多，格柵難以定位安裝及格柵適應三臺階臺階位置確定的。

鋼格柵位置調整后，各臺階均存在兩片格柵，各臺階開挖成型后，地質水文對格柵安裝及定位影響非常小，施工周期短。

(3)施工組織

三臺階與兩臺階相比，同期施工人員由8人增加到13人，每循環施工由12h縮短為8h。具體施工組織如下所述。

①上臺階為粉細砂層，開挖不受影響，施工作業4人開挖成型約需1.5h；中臺階開挖5人，其中3人包含將上臺階翻至中臺階的砂土直接裝車，開挖需時約2.5h；下臺階施工4人，主要為開挖下臺階粉質黏土、清理中臺階遺撒土體及清理道路，需時約4h。

②三個臺階開挖存在一定時差，因此開挖結束的人員即進行本臺階格柵安裝，一般在下臺階開挖完成時上、中臺階格柵也安裝完畢，并處于連接鋼筋、網片焊接作業中，待下臺階格柵安裝及相應工作完成后，整個三個臺階作業時間約為6h，噴射混凝土約需2h，總計作業時間約8h(其中包含上臺階超前小導管安裝)。

②三臺階施工根據掌子面距離，配備機動三輪車，實際施工中每輛車在6~8min即可裝滿，車輛選擇根據掌子面出土不受限制為宜，一般2~3輛車可滿足施工需要。

通過對超前支護及臺階改造，對坍塌及流砂病害進行了有效控制，施工平均進度達到2m/d的高速度；超前支護及三臺階措施消除了隧道施工的安全隱患，地面沉降量明顯減少。

參考文獻：

[1]申夢華，徐仲春.大年嶺隧道進口滑坡的綜合治理.鐵道建筑技術，2003(2)。