CN110985055B - 一种用于控制地表隆起的隧道注浆与排水同步施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于控制地表隆起的隧道注浆与排水同步施工方法，包括如下步骤：从地表向隧道两侧打设旋喷桩，形成止水帷幕；隧道支护完成后，在隧道掌子面上方通过钻孔注浆形成连接两侧止水帷幕的超前反向曲拱；超前反向曲拱形成后，在其底部沿隧道掘进方向钻泄水通道，将聚集的积水通过泄水通道排出；在保证泄水通道开放的同时，对隧道进行全断面注浆作业。本发明中超前反向曲拱为朝向地面开口的弧形，易于聚水，在底部钻孔后排水效果良好；在反向曲拱底部预留泄水通道可将原本封闭的注浆系统开放，因此隧道超前注浆施工时可同步进行排水工作，利用注浆的抬升效应将地层多余积水进一步挤压排出，可显著减小注浆施工引起的超孔隙水压力，达到防止地表过量隆起的目的。
Description
技术领域
本发明属于地下及岩土工程领域，尤其涉及一种用于控制地表隆起的隧道注浆与排水同步施工方法。
背景技术
进入21世纪以来，随着经济的快速发展及国家对交通建设的大力支持，我国隧道及地下工程建设得到空前发展，其中以城市地铁隧道发展尤为迅速。不同于山岭隧道，地铁隧道建设要求对地层及周边环境的扰动更小，其控制标准也更加严格。但由于城市隧道往往埋深较浅(20m左右)，隧道施工更容易对地层甚至上部建筑产生较大影响，因此如何实现施工微扰动是当前城市隧道建设的热门话题。
降水、注浆和开挖是地铁隧道施工过程中对地层扰动最大的几个环节，实际施工时地层受扰动大小往往是多个环节综合影响的结果。隧道超前注浆引起地表隆起原因主要有二：一为浆液的大量流入使得地层得到补充而抬升；二为前期降水效果不佳导致地层中存在积水，浆液的压入引起地层超孔隙水压力剧增，从而造成地表迅速隆起。尤其是当隧道穿越富水松散地层时，往往要加强注浆设计对地层进行超前加固，此时若隧道区域存在多余积水，高强度注浆必然会引起极大的超孔隙水压力导致地面出现大幅度隆起，而注浆结束后地层超孔隙水压力下降又会引起地表下沉，这对施工和环境保护都是十分不利的。
对于附存于地层中的积水，隧道施工中多采用掌子面钻孔泄水的方式排出，然而受限于地质水文条件的复杂性，即使泄水通道不再出水，也不能保证积水排放完毕，且后续隧道超前注浆过程中必须将此泄水通道封堵，地层为一个封闭的系统，若地层中新集聚有积水则无法及时排出。因此，若能在隧道全断面注浆施工时为地层积水预留排出通道，将封闭的注浆系统打开，注浆的抬升效应会使得地层位移逐步向上传递，将地层中的新旧积水沿通道挤出，实现注浆与排水的同步进行，则可大大减小因超孔隙水压力增大导致的地表隆起部分，进而对地表隆起实现有效控制。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种用于控制地表隆起的隧道注浆与排水同步施工方法，通过设置竖向止水帷幕截断水源、设置超前反向曲拱聚水、反向曲拱底部设置泄水通道初步排水和隧道超前注浆施工时同步排水四个环节，以解决地层积水难以排出、隧道注浆引起地层超孔隙水压力剧增造成的地表严重隆起的问题。
为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：
一种用于控制地表隆起的隧道注浆与排水同步施工方法，包括如下步骤：
S1:从地表向隧道两侧打设旋喷桩，形成止水帷幕；
S2:隧道支护完成后，在隧道掌子面上方通过钻孔注浆形成连接两侧止水帷幕的超前反向曲拱；
S3:超前反向曲拱形成后，在其底部沿隧道掘进方向钻泄水通道，将聚集的积水通过泄水通道排出；
S4:在保证泄水通道开放的同时，对隧道进行全断面注浆作业。
进一步的，全断面注浆形成的注浆加固区的轮廓线位于隧道开挖轮廓线外侧3m处。
进一步的，泄水通道的积水入口均匀布置在超前反向曲拱底部，出口位于隧道支护上。
进一步的，超前反向曲拱在水平面投影L等于两止水帷幕的距离，其矢跨比ΔK＝H/L，控制在1/5-1/6，H为超前反向曲拱上圆弧高度H。
进一步的，超前反向曲拱竖向中心线与隧道的竖向中心线共线。
进一步的，旋喷桩中线距离隧道开挖轮廓线距离2-3m，旋喷桩设置为双排，桩径为600mm，间距450mm，浆液材料采用水泥单液浆，水灰比1:1，注浆压力20-30MPa。
进一步的，超前反向曲拱由隧道超前环形注浆孔注浆形成，首个注浆孔位于隧道的纵向中心面内，其余注浆孔以首个注浆孔所在轴线为中轴对称分布，每一注浆孔设置有n个打设角度，以保证浆液在隧道纵向上均匀扩散。
进一步的，隧道支护应根据隧道岩土层强度等级设置，由立钢拱架、施做环向系统锚杆和挂钢筋网喷射混凝土三个环节完成。
进一步的，首先挖掘出隧道毛断面，进行混凝土初喷，然后打环向系统锚杆，挂钢筋网、立钢拱架，最后进行混凝土复喷，完成隧道支护施工。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过止水帷幕将隧道区水域与其他区域隔离，实现局部区域水位控制，通过在隧道掌子面钻孔注浆形成稳定的超前反向曲拱，利用反向曲拱的聚水效应进行排水，可将隧道区水位精确降到曲拱底部位置，实现隧道降水精准控制，具有操作简单方便、降水效果良好、施工成本低的特点，易于推广。
2、本发明中在反向曲拱底部预留的泄水通道可将原本封闭的注浆系统开放，因此隧道超前注浆施工时可同步进行排水工作，利用注浆的抬升效应将地层多余积水进一步挤压排出，可显著减小注浆期引起的超孔隙水压力，达到预防地表过量隆起的目的。
3、本发明中超前反向曲拱以少量注浆方法形成，地层扰动小；超前反向曲拱为朝向地面开口的弧形，易于聚水，在底部钻孔后排水效果良好；
4、本发明在隧道既有场地上实施，不需要额外空间，操作简单方便、施工成本低，易于推广。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的剖视图；
图3为超前反向曲拱钻孔注浆钻杆长度及角度正面示意图；
图4为超前反向曲拱钻孔注浆钻杆长度及角度剖面示意图。
图5为泄水通道布置剖视图；
图6为超前反向曲拱注浆管示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1和图2，一种用于控制地表隆起的隧道注浆与排水同步施工方法，包括如下步骤：
S1、止水帷幕施作
从地表向隧道两侧打设旋喷桩，形成止水帷幕1，竖向旋喷桩旋喷桩中线距离隧道开挖轮廓线距离2～3m，为保证隔水效果良好，旋喷桩应设置为双排。
具体的，竖向旋喷桩施工参数参考常规旋喷桩施工参数：桩径为600mm，间距450mm，浆液材料采用水泥单液浆，水灰比1:1，注浆压力20～30MPa。
S2、超前反向曲拱区域钻孔注浆
隧道初期支护完成后，在隧道掌子面7上方通过钻孔注浆形成连接两侧止水帷幕的超前反向曲拱2，上述环节注浆结束后，应静置2～3日，以使浆液凝固成形，加固区强度逐渐上升，地层逐渐稳定。至此，隧道上方超前反向曲拱注浆加固已完成。
具体的，初期支护6应根据隧道岩土层强度等级设置，通常由立钢拱架、施做环向系统锚杆和挂钢筋网喷射混凝土三个环节完成。首先挖掘出隧道毛断面，进行混凝土初喷，然后打环向系统锚杆，挂钢筋网、立钢拱架，最后进行混凝土复喷，完成初期支护6施工。初期支护6参数，如混凝土初喷和复喷厚度、钢拱架型号及纵向间距、系统锚杆型号及布置等不需要单独设计，依据设计参数施工即可。
S3、超前反向曲拱2形成后，在其底部沿隧道掘进方向钻泄水通道4，将聚集的积水通过泄水通道4排出。
具体的，超前反向曲拱2形成后，在其底部沿隧道掘进方向均匀钻泄水通道4，其间距设置在1m，泄水通道4内塞入钢管，外接水管，超前反向曲拱2上方积水通过水管汇集排出。
S4、在保证泄水通道4开放的同时，对隧道进行全断面深孔注浆作业，形成隧道全断面注浆加固区5。
具体的，进行全断面深孔注浆作业，全断面注浆加固区5为隧道及其开挖轮廓线外3m，注浆参数及浆液配比依据设计参数即可。全断面注浆施工时，保证超前反向曲拱2底部的泄水通道4开放，注浆时提供的注浆压力以及浆液的大量流入都会使地层受到挤压而抬升，位移注浆向上传递，进而将超前反向曲拱上方地层中的孔隙挤密，原本贮存在孔隙中难以排出的水被挤出，顺泄水通道4进一步排出。
本环节是本发明的核心环节，泄水通道的开放为地层中的积水预留了排放通道，将原本封闭的注浆系统开放，避免了注浆抬升引起超孔隙水压力增大，从而大大减小了地表隆起的程度，同时由于超前反向曲拱的阻隔，也避免了浆液扩散至设计加固范围以外，保证了注浆效果。
上述实施例有以下几个明显优点：超前反向曲拱以少量注浆方法形成，地层扰动小；超前反向曲拱为朝向地面开口的弧形，易于聚水，在底部钻孔后排水效果良好；在反向曲拱底部预留泄水通道可将原本封闭的注浆系统开放，因此隧道超前注浆施工时可同步进行排水工作，利用注浆的抬升效应将地层多余积水进一步挤压排出，可显著减小注浆施工引起的超孔隙水压力，达到防止地表过量隆起的目的；另外本发明在隧道既有场地上实施，不需要额外空间，操作简单方便、施工成本低，易于推广。
可以理解的是，超前反向曲拱2由注浆管3注浆形成，其形成时间应介于本循环隧道初期支护6完成和下循环隧道全断面注浆施工之间且最小厚度应不小于2m；泄水通道4在隧道掘进方向上等间距布置，隧道全断面注浆加固区5加固范围为隧道及开挖轮廓线外3m范围。
在实际设计中，超前反向曲拱2在水平面投影L(跨度)等于两旋喷桩净距，其上圆弧高度为H(矢高)，则其矢跨比ΔK＝H/L，控制在1/5～1/6，超前反向曲拱2竖向中心线应与隧道本体的竖向中心线共线。
参见图3和图4，对超前反向曲拱形成时注浆管布置及参数进一步说明。首先要确定钻孔位置，注浆孔等间距分布于隧道初期支护上(注浆孔间距一般设置在50cm，为已知量)，每个注浆孔打入n根注浆管(n的大小依据隧道纵向加固长度而定，为已知量)。
要确保一根注浆管准确无误打入，需要确定以下几个参数：某根注浆管长度lij、某根注浆管与首孔中注浆管的夹角在隧道掌子面平面投影θi和某根注浆管与水平面夹角αij，其中θi与注浆管设置间距有关，为已知量，下面对lij和αij的求出进行说明。
在隧道掌子面投影面上，构造辅助三角形OMN，假设超前反向曲拱半径为R，超前反向曲拱与隧道初期支护拱顶间距为d，隧道轮廓上半圆半径为r，某根注浆管在隧道掌子面平面投影长度为li’，R、d和r为已知量，li’为未知量，则：
OM＝r+li’
MN＝R
ON＝R+d+r
根据三角形正弦定理：
得到
在隧道掘进方向上，同一个注浆孔内打设有n根注浆管，n根注浆管在隧道掘进方向加固长度分别为m、2m、jm…nm(隧道纵向加固长度和n为已知量，m为二者之商)，则注浆管长度分别为：
n根注浆管与水平面夹角分别为αi1、αi2、αij…αin，
参见图5，泄水通道4的积水入口均匀布置在超前反向曲拱2底部，出口位于隧道初期支护6上，泄水通道内应打入钢管并在积水入口处包裹纱网以防止堵塞。
参见图6，常规超前注浆管在其长度范围内均设置有梅花形布置的出浆口，为减小超前反向曲拱形成时注浆对地层的扰动，本发明将注浆管的出浆口分布在注浆管前端y长度段上，满足超前反向曲拱形成即可。
超前反向曲拱2由位于隧道初期支护6上按照一定角度倾斜向上打设的注浆管3注浆形成。首个注浆孔应位于反向曲拱底部的隧道支护结构外侧，其余孔以首孔钻杆所在线为中轴对称分布。每孔设置有n个打设角度(钻杆与水平面夹角)以保证浆液在隧道纵向上均匀扩散，根据每个打设角度打入设计长度钻杆，以后退式方式完成注浆，钻孔注浆时应遵循跳孔施工原则以保证浆液均匀扩散。任意注浆管打设参数，即注浆管长度lij、注浆管与首根注浆管的夹角在隧道掌子面平面投影θi和注浆管与水平面夹角αij，均在前文中进行了说明。
注浆以渗透挤密地层而不发生劈裂注浆为佳，因此注浆压力应小于地层的起劈压力，可通过在现场逐步提高注浆压力看揭露地层是否有浆脉生成判断地层起劈压力大小，有浆脉生成的最小注浆压力为地层起劈压力，注浆压力一般不大于0.5MPa。
注浆材料要求具有一定的速凝性，以普通水泥-水玻璃双液浆和硫铝酸盐单液浆为主，普通水泥-水玻璃双液浆配比：W：C＝(0.8～1)：1，C：S＝1：1，硫铝酸盐单液浆配比：W：C＝(0.6～0.8)：1。
应用例
本发明在深圳某地铁暗挖隧道全断面注浆施工中得到应用，在暗挖隧道第一、第二循环施工时未采用本发明所提供的方案，在后续循环施工时采用了本发明所提供的方案。
隧道设计采用传统井点降水方法，隧道施工前施做地表旋喷桩将隧道区与其他地区水域隔离，沿隧道两侧各均匀设置28口降水井抽水。但降水过程中出现水泵烧坏、泥浆进入水泵导致堵塞、部分水泵抽水量极少等现象，实际降水效果远不及设计。于是在隧道全断面注浆前通过掌子面钻孔泄水的方式将多余积水排出，但实际出水量不大，第一、第二循环隧道全断面注浆环节，大量、高强度注浆引起地层超孔隙水压力急剧上升，地层从而产生明显隆起，监测数据显示地表最大隆起超过50cm。
在上述严重地表隆起现象发生后，各方积极寻求补救方法，最终采用本发明内容，即在隧道全断面注浆同时保留地层泄水通道，边注浆边排水的施工方案。
通过实施隧道注浆与排水同步进行的方案，地层因注浆的抬升挤压效应排出的水量较大，地表虽出现一定隆起，但最大隆起量为18.7cm，相较方案采用前，地表隆起减小63％，本发明提供的一种用于控制地表隆起的隧道注浆与排水同步进行的施工方法起到了良好的抑制地表隆起的效果。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种用于控制地表隆起的隧道注浆与排水同步施工方法，其特征在于,包括如下步骤：
S1:从地表向隧道两侧打设旋喷桩，形成止水帷幕；
S2:隧道支护完成后，在隧道掌子面上方通过钻孔注浆形成连接两侧止水帷幕的超前反向曲拱；
S3:超前反向曲拱形成后，在其底部沿隧道掘进方向钻泄水通道，将聚集的积水通过泄水通道排出；
S4:在保证泄水通道开放的同时，对隧道进行全断面注浆作业；
超前反向曲拱由隧道超前环形注浆孔注浆形成，首个注浆孔位于隧道的纵向中心面内，其余注浆孔以首个注浆孔所在轴线为中轴对称分布，每一注浆孔设置有n个打设角度，以保证浆液在隧道纵向上均匀扩散。
2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：全断面注浆形成的注浆加固区的轮廓线位于隧道开挖轮廓线外侧3m处。
3.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：泄水通道的积水入口均匀布置在超前反向曲拱底部，出口位于隧道支护上。
4.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：超前反向曲拱在水平面投影L等于两止水帷幕的距离，其矢跨比ΔK＝H/L，控制在1/5-1/6，H为超前反向曲拱上圆弧高度H。
5.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：超前反向曲拱竖向中心线与隧道的竖向中心线共线。
6.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：旋喷桩中线距离隧道开挖轮廓线距离2-3m，旋喷桩设置为双排，桩径为600mm，间距450mm，浆液材料采用水泥单液浆，水灰比1:1，注浆压力20-30MPa。
7.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：隧道支护的具体过程如下：首先挖掘出隧道毛断面，进行混凝土初喷，然后打环向系统锚杆，挂钢筋网、立钢拱架，最后进行混凝土复喷，完成初期支护施工。
8.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：隧道支护应根据隧道岩土层强度等级设置，由立钢拱架、施做环向系统锚杆和挂钢筋网喷射混凝土三个环节完成。
9.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于：首先挖掘出隧道毛断面，进行混凝土初喷，然后打环向系统锚杆，挂钢筋网、立钢拱架，最后进行混凝土复喷，完成隧道支护施工。
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