CN109083649B - 适用复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法，包括开展富水砂层段注浆设计；在目标注浆加固区域上方布设监测点，监测点用于监测注浆过程中的地表隆起变形；在隧道掌子面喷射混凝土封面，制作人工止浆墙，在人工止浆墙上设计孔位；实施钻孔作业并安装孔口管；在钻孔设计分段区域内人工诱导涌砂，形成砂层空洞；在钻孔设计分段区域内通过孔口管进行注浆，形成柱状浆泡、劈裂浆脉及压密砂层区，注浆结束后实施地表变形监测；利用地表变形监测数据反馈调整人工诱导涌砂量及设计注浆量；待浆液凝固后，进行下一设计分段区域的钻孔、人工诱导涌砂、注浆及地表变形监测工作，直至该钻孔注浆结束，完成所有注浆孔的注浆工作。

Description

适用复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法
技术领域
本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种适用于复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法。
背景技术
因城市地铁隧道埋深较浅，常穿越第四系富水砂层，由于该地层具有富水性强、结构松散、粘接能力差等显著特点，在隧道开挖过程中极易诱发隧道溃砂塌方等灾害事故，严重威胁隧道开挖安全。富水砂层治理可采用冻结法、降水法及注浆等方法，冻结法通过人工冷冻技术对目标地层进行循环冷冻处理，以改善地层性能，该方法处理周期长且成本较高。降水法的原理是对目标地层进行抽水以改变地层富水条件，进而达到改善地层性能的目的，该方法不能实现永久加固砂层，且对于涌水量大的地层实施降水会严重破坏原有地下水环境。注浆法的原理是将胶结性注浆材料注入地层中以改变其物理力学性能，达到抗渗加固的目的，由于该方法具有地层改造效果好、成本低廉、施工效率高等优势，目前已成为富水砂层治理的最主要方法。
在城市复杂环境地铁隧道穿越富水砂层段的注浆施工，存在两方面的问题：①注浆过程安全控制问题，由于地铁隧道处于复杂城市环境中，地铁周边环境复杂，建筑林立、市政交通道路与管网密集，针对隧道穿越富水砂层段的注浆施工极易导致隧道上方地层隆起抬升，进而导致地表道路变形、管线变形、建筑物差异抬升，严重时易诱发管线断裂、建筑物倾斜等严重环境灾害，对城市居民人身安全构成严重威胁，然而目前尚缺乏注浆过程中地层隆起抬升的有效控制方法。②注浆加固效果保证问题，浆液在富水砂层中一般以劈裂形式扩散，最终形成由劈裂浆脉及被压密砂层构成的复合注浆加固体，但是由于砂层可压缩性差，浆脉厚度一般较小，骨架支撑作用不显著，另外，砂层结构松散，被压密后力学性能提升不显著，因此注浆加固体难以满足隧道开挖稳定性的要求。
发明内容
为了解决现有针对复杂城市环境地铁隧道穿越富水砂层段注浆技术的不足，本发明提供了一种适用于复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法。
本发明提出的适用于复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法，，包括以下步骤：
步骤一：开展富水砂层段注浆设计，确定目标注浆加固区域；
步骤二：在目标注浆加固区域上方的地表上等间距布设监测点，监测点用于监测注浆过程中的地表隆起变形；
步骤三：在隧道掌子面喷射混凝土封面，制作人工止浆墙，在人工止浆墙上设计孔位；
步骤四：实施钻孔作业并安装孔口管；
步骤五：在钻孔设计分段区域内人工诱导涌砂，形成砂层空洞；
步骤六：在钻孔设计分段区域内通过孔口管采用速凝类浆液进行注浆，形成柱状浆泡、劈裂浆脉及压密砂层区，该分段区域注浆结束后实施地表变形监测；
步骤七：分析地表变形监测数据，利用地表变形监测数据反馈调整人工诱导涌砂量及设计注浆量；
步骤八：待浆液凝固后，进行下一设计分段区域的钻孔、人工诱导涌砂、注浆及地表变形监测工作，直至该钻孔注浆结束；
步骤九：重复步骤四～步骤八，完成所有注浆孔的注浆工作。
步骤十：注浆效果检查。
步骤十一：隧道开挖、支护。
所述步骤一中，富水砂层段注浆设计内容包括：确定单循环注浆段长度及开挖段长度，注浆加固圈厚度，钻孔参数(钻孔孔底间距、钻孔布置、钻孔分段长度)，注浆参数(注浆速率、注浆终压、单孔注浆量)、注浆材料选型等。在城市地铁隧道富水砂层注浆加固工程中，钻孔孔底间距一般为1.2～1.8m，钻孔分段长度一般为2～4m。
所述步骤二中，监测点布置边界应从注浆加固区域的平面投影边界外扩3～5m，监测点间距为2～3m。
所述步骤三和步骤四中，喷射混凝土的厚度为20～40cm；孔口管长度为1.5～2m，孔口管与钻孔之间的空隙采用速凝类浆液充填封固，确保孔口管稳固，孔口管端部焊接法兰盘，法兰盘应连接阀门，该阀门可用于封堵涌水溃砂或控制注浆。
所述步骤五中，当钻头进入钻孔设计分段区域时，提高钻机供水流量、供水压力及钻头转速，扰动富水砂层，将该设计分段区域内的富水砂层由静止状态转变为流动状态，处于流动状态的砂层颗粒随水流由钻杆与孔口管之间的空隙中涌出，形成砂层空洞，当人工诱导涌砂量达到0.5～1m3时，退出钻杆并关闭孔口管端部的阀门。
所述步骤六中，采用速凝类浆液的主要目的是利用其快速凝胶特性限制浆液扩散范围，最大限度地将浆液扩散范围限制在注浆加固圈内部。速凝类注浆材料可采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆液水灰比控制在W/C＝0.8～1之间，水泥浆液与水玻璃浆液的双液体积比控制在C:S＝3～4:1之间。
所述步骤六中，注浆结束标准采用“量、压双控”结束标准：当注浆压力达到设计注浆终压而注浆量达到设计注浆量80％时可停止注浆；当单孔注浆量达到设计注浆量的1.5倍而注浆压力未达到设计注浆终压时也停止注浆。
所述步骤七中，当一次注浆引起的地表最大隆起值超过0.3cm时，需增加人工诱导涌砂量并降低设计单孔注浆量；当一次注浆引起的地表最大隆起值为负值时，需减小人工诱导涌砂量并提高设计单孔注浆量。
本发明的技术原理：
利用富水砂层在外力扰动作用下易流动的特点，通过人工诱导涌砂在钻孔周围形成砂层空洞，浆液扩散过程中首先充填砂层空洞形成柱状浆泡，之后在注浆压力作用下以劈裂形式进入砂层形成劈裂浆脉并压密浆脉两侧砂层，形成由柱状浆泡、劈裂浆脉、被压密砂层构成的复合注浆加固体。
由于一部分砂层介质被通过人工手段带出原始地层，后续注浆首先需要填满人工诱导涌砂所形成的砂层空洞，故注浆导致的地表隆起值可以控制在极小的范围内，从而确保整个注浆过程所引起的地表总隆起值不超限，保证注浆过程中不会发生管线变形断裂、建筑物倾斜等灾害事故。另外，相比传统注浆方式，相当一部分砂层被浆液结石体所置换，注浆加固圈内的浆液留存率得到极大提高，可充分发挥浆液结石体(包括柱状浆泡、劈裂浆脉)的骨架支撑作用，从而保证注浆加固效果。
本发明的有益效果是：
①可有效控制地铁隧道穿越富水砂层段注浆过程中的地表隆起变形，确保地表总隆起值不超限，保证注浆过程中隧道上方管线及邻近建筑物的安全。
②极大提高了注浆加固圈内的浆液留存率，充分发挥浆液结石体的骨架支撑作用，保证注浆加固效果，确保隧道开挖安全。
③同时保证了注浆加固效果满足隧道开挖要求以及地表隆起变形不超限，解决了复杂城市环境下富水砂层注浆加固效果与地表隆起变形难以协调的工程难题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为富水砂层超前注浆加固区域纵剖面图；
图2为富水砂层超前注浆加固区域横剖面图；
图3为地表监测范围平面布置图；
图4为富水砂层超前钻孔原理；
图5为富水砂层超前注浆加固原理。
1——富水砂层，2——目标注浆加固区域，3——地表，4——监测点，5——隧道，6——人工止浆墙，7——钻孔，8——孔口管；9——注浆孔，10——砂层空洞，11——柱状浆泡，12——劈裂浆脉，13——压密砂层区，14——监测点布置边界，15——注浆加固区域的平面投影边界，16——法兰盘，17——阀门，18——钻头，19——钻杆，20——第一设计分段区域，21——第二设计分段区域，22——第三设计分段区域，23——隧道掘进方向。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术所介绍的，现有技术中在城市复杂环境地铁隧道穿越富水砂层段的注浆施工，存在两方面的问题：①注浆过程安全控制问题，由于地铁隧道处于复杂城市环境中，地铁周边环境复杂，建筑林立、市政交通道路与管网密集，针对隧道穿越富水砂层段的注浆施工极易导致隧道上方地层隆起抬升，进而导致地表道路变形、管线变形、建筑物差异抬升，严重时易诱发管线断裂、建筑物倾斜等严重环境灾害，对城市居民人身安全构成严重威胁，然而目前尚缺乏注浆过程中地层隆起抬升的有效控制方法。②注浆加固效果保证问题，浆液在富水砂层中一般以劈裂形式扩散，最终形成由劈裂浆脉及被压密砂层构成的复合注浆加固体，但是由于砂层可压缩性差，浆脉厚度一般较小，骨架支撑作用不显著，另外，砂层结构松散，被压密后力学性能提升不显著，因此注浆加固体难以满足隧道开挖稳定性的要求。
为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法。
本申请的一种典型的实施方式中，隧道拱顶埋深15m，隧道5拱顶揭露富水砂层1，富水砂层1上边界距离隧道拱顶3m，下边界在隧道拱顶以下并距离隧道拱顶1m。
步骤一：开展富水砂层段注浆设计，确定目标注浆加固区域2；
确定单循环注浆段长度为12m，开挖长度为9m，注浆加固圈厚度为3m，钻孔孔底间距为1.5m，钻孔分段长度为4m，注浆速率80L/min，注浆终压为1.5MPa，单孔注浆量1m3，注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆液水灰比W/C＝1，水泥浆液与水玻璃浆液的双液体积比C:S＝4:1。
步骤二：在目标注浆加固区域上方的地表3上等间距布设监测点4，监测点布置边界14从注浆加固区域的平面投影边界15外扩3m，监测点间距为2m。
步骤三：在隧道掌子面喷射混凝土封面，喷射混凝土厚度为40cm，制作人工止浆墙6，在人工止浆墙6上设计孔位；
步骤四：实施钻孔作业；并安装孔口管；
通过人工止浆墙6上设计的孔位向隧道内部进行钻孔；并在钻孔内安装孔口管8，孔口管8长度为1.5～2m，孔口管8与钻孔7之间的空隙采用速凝类浆液充填封固，确保孔口管稳固，孔口管端部焊接法兰盘16，法兰盘16应连接阀门17。
步骤五：在钻孔设计分段区域内人工诱导涌砂，形成砂层空洞。当钻头18进入设计分段区域时，提高钻机供水流量、供水压力及钻头转速，扰动富水砂层，将该设计分段区域内的富水砂层由静止状态转变为流动状态，处于流动状态的砂层颗粒随水流由钻杆19与孔口管8之间的空隙中涌出，形成砂层空洞，当人工诱导涌砂量达到0.5m3时，退出钻杆19并关闭孔口管端部用法兰盘16连接的阀门17。
步骤六：在钻孔设计分段区域内采用水泥-水玻璃双液浆进行注浆，水泥浆液水灰比W/C＝1，水泥浆液与水玻璃浆液的双液体积比C:S＝4:1，水泥-水玻璃双液浆初凝时间为18s，终凝时间为30min，注浆后形成柱状浆泡11、劈裂浆脉12及压密砂层区13，该分段区域注浆结束后实施地表变形监测。
步骤七：分析地表变形监测数据，利用地表变形监测数据反馈调整人工诱导涌砂量及设计注浆量。当一次注浆引起的地表最大隆起值超过0.3cm时，需增加人工诱导涌砂量并降低设计单孔注浆量；当一次注浆引起的地表最大隆起值为负值时，需减小人工诱导涌砂量并提高设计单孔注浆量。在本实施例中，每次注浆结束后监测地表最大隆起值在0.1～0.3cm之间，故未调整人工诱导涌砂量及单孔注浆量。
步骤八：待浆液凝固后，进行下一设计分段区域的钻孔、人工诱导涌砂、注浆及地表变形监测工作，直至该钻孔注浆结束。
步骤九：重复步骤四～步骤八，完成所有注浆孔9的注浆工作，所有注浆孔的注浆工作结束后，测量地表最大隆起值为2.5cm，在规范允许地表变形范围内，地表隆起变形得到成功控制。
步骤十：采用检查孔检查、钻孔电视、地球物理探测等手段对掌子面前方砂层注浆加固效果进行注浆效果检查。检查结果表明检查孔结构完整、无塌孔现象，根据检查孔渗水情况计算地层渗透系数小于0.1cm/d，地球物理探测表明掌子面后方不存在地下水聚集区，注浆加固效果良好。
步骤十一：隧道开挖、支护。隧道开挖掌子面显示浆脉充填效果较好、掌子面稳定、干燥无水，通过上述注浆保证了隧道开挖安全。
本发明利用富水砂层在外力扰动作用下易流动的特点，通过人工诱导涌砂在钻孔周围形成砂层空洞10，浆液扩散过程中首先充填砂层空洞形成柱状浆泡，之后在注浆压力作用下以劈裂形式进入砂层形成劈裂浆脉并压密浆脉两侧砂层，形成由柱状浆泡、劈裂浆脉、被压密砂层构成的复合注浆加固体。
由于一部分砂层介质被通过人工手段带出原始地层，后续注浆首先需要填满人工诱导涌砂所形成的砂层空洞，故注浆导致的地表隆起值可以控制在极小的范围内，从而确保整个注浆过程所引起的地表总隆起值不超限，保证注浆过程中不会发生管线变形断裂、建筑物倾斜等灾害事故。另外，相比传统注浆方式，相当一部分砂层被浆液结石体所置换，注浆加固圈内的浆液留存率得到极大提高，可充分发挥浆液结石体(包括柱状浆泡、劈裂浆脉)的骨架支撑作用，从而保证注浆加固效果。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.适用复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：开展富水砂层段注浆设计，确定目标注浆加固区域；
步骤二：在目标注浆加固区域上方的地表上等间距布设监测点，监测点用于监测注浆过程中的地表隆起变形；
步骤三：在隧道掌子面喷射混凝土封面，制作人工止浆墙，在人工止浆墙上设计孔位；
步骤四：实施钻孔作业并安装孔口管；
步骤五：在钻孔设计分段区域内人工诱导涌砂，形成砂层空洞；
步骤六：在钻孔设计分段区域内通过孔口管采用速凝类浆液进行注浆，形成柱状浆泡、劈裂浆脉及压密砂层区，该分段区域注浆结束后实施地表变形监测；
步骤七：分析地表变形监测数据，利用地表变形监测数据反馈调整人工诱导涌砂量及设计注浆量；
步骤八：待浆液凝固后，进行下一设计分段区域的钻孔、人工诱导涌砂、注浆及地表变形监测工作，直至该钻孔注浆结束；
步骤九：重复步骤四～步骤八，完成所有注浆孔的注浆工作；
步骤十：注浆效果检查；
步骤十一：隧道开挖、支护。
2.如权利要求1所述的适用复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法，其特征在于，在步骤一中：富水砂层段注浆设计包括确定单循环注浆段长度及开挖段长度、注浆加固圈厚度、钻孔参数、注浆参数和注浆材料选型。
3.如权利要求1所述的适用复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法，其特征在于，所述步骤二中，监测点布置边界应从注浆加固区域的平面投影边界外扩3～5m，监测点间距为2～3m。
4.如权利要求1所述的适用复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法，其特征在于，所述步骤四中，孔口管与钻孔之间的空隙采用速凝类浆液充填封固，确保孔口管稳固，孔口管端部焊接法兰盘，法兰盘应连接阀门，该阀门封堵涌水溃砂或控制注浆。
5.如权利要求1所述的适用复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法，其特征在于，所述步骤五中，当钻头进入设计分段区域时，提高钻机供水流量、供水压力及钻头转速，扰动富水砂层，将该设计分段区域内的富水砂层由静止状态转变为流动状态，处于流动状态的砂层颗粒随水流由钻杆与孔口管之间的空隙中涌出，形成砂层空洞，当人工诱导涌砂量达到0.5～1m3时，退出钻杆并关闭孔口管端部的阀门。
6.如权利要求1所述的适用复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法，其特征在于，所述步骤六中，速凝类注浆材料可采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆液水灰比控制在W/C＝0.8～1之间，水泥浆液与水玻璃浆液的双液体积比控制在C:S＝3～4:1之间。
7.如权利要求1所述的适用复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法，其特征在于，所述步骤六中，注浆结束标准采用“量、压双控”结束标准：当注浆压力达到设计注浆终压而注浆量达到设计注浆80％时可停止注浆；当单孔注浆量达到设计注浆量的1.5倍而注浆压力未达到设计注浆终压时也停止注浆。
8.如权利要求1所述的适用复杂城市环境地铁隧道的富水砂层超前注浆加固方法，其特征在于，所述步骤七中，当一次注浆引起的地表最大隆起值超过0.3cm时，需增加人工诱导涌砂量并降低设计单孔注浆量；当一次注浆引起的地表最大隆起值为负值时，需减小人工诱导涌砂量并提高设计单孔注浆量。
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Assignee: Jinan Li Wen geotechnical engineering Co., Ltd

Assignor: China University of Petroleum (East China)

Contract record no.: X2019370000022

Denomination of invention: Water-rich sand layer advance grouting reinforcing method suitable for complicated urban environment subway tunnel

Granted publication date: 20190813

License type: Common License

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