王吉華

(中鐵十八局集團第五工程有限公司， 天津市 300450)

在礦山法地鐵隧道施工中，地下水是制約施工成敗的關鍵因素，需要采取降水、注漿等措施進行治理，方可施工。在各種類型的地下水處理中，對于滯水的處理最為棘手，難度也更大。隨著科技的進步，施工方法的增多，中國學者及工程師不斷研究出處理滯水的實用技術，得到了一些成功案例。韓占波等[1]采取洞內井點真空降水解決了上層滯水和管線滲漏水對隧道施工的危害；張衛(wèi)星[2]采用管井加真空降水的復合降水工藝，解決了存在隔水層的降水難題；邵明利[3]采用針對性的隧道內"井點降水法"治理方案，從根本上解決了地下水水位過高導致的隧道水害問題；劉厚樸[4]通過深孔注漿法解決了北京地鐵礦山法施工區(qū)間隧道層間滯水問題。

同時，隧道施工中一些治理涌水涌砂的成功經驗，也為處理滯水打開了思路。例如：翁敦理[5]、楊建新[6]運用深孔注漿法改善了地層，創(chuàng)造了安全的暗挖環(huán)境；張金夫等[7]針對隧道高壓富水斷層，總結出高壓動水分段引排，超高壓聚合注漿施工技術；陽云等[8]針對現(xiàn)場不均勻軟弱圍巖，采取了以“減少鉆孔、配套優(yōu)化”為主的注漿優(yōu)化措施，降低了涌水量，確保了安全質量，節(jié)約了施工成本。

與前述工程相比，該文案例工程幾乎囊括了礦山法隧道穿越滯水層的所有類型，分析研究需更加全面系統(tǒng)，該文針對性地提出“引水”和“阻水”兩項關鍵技術。以“阻水”技術為母體，細化得出3種分支技術，對差異地層“對癥下藥”，將疑難問題各個擊破，效果將更加明顯。關鍵技術應用后，可達到止水防塌的目的，確保隧道的正常開挖，直至區(qū)間貫通。

1 工程概況

1.1 設計簡介

沈陽地鐵九號線某區(qū)間隧道采用礦山法施工，左線長1 233.274 m，右線長1 259.984 m，左右線均為單洞單線隧道，復合式襯砌，馬蹄形斷面(圖1)。區(qū)間線路縱向呈“V”字形，最大縱坡2.5%，隧道覆土厚度6.6～17.2 m，最小平曲線半徑300 m。區(qū)間設1#、2#兩處施工豎井及橫通道(兼聯(lián)絡通道)，一處區(qū)間渡線。其中穿越滯水層區(qū)段為標準斷面隧道，穿越長度822 m，占區(qū)間隧道總長度的33%。

1.2 工程地質與水文地質

根據(jù)地質勘查報告，地層結構由第四系全新統(tǒng)人工填筑層、第四系全新統(tǒng)渾河高漫灘及古河道沖積層、第四系全新統(tǒng)渾河新扇沖洪積層、第四系上更新統(tǒng)渾河老扇沖洪積層組成。自上而下依次為雜填土、中粗砂(局部細砂、圓礫)、粉質黏土、中粗砂。地下水類型為孔隙潛水，穩(wěn)定水位埋深為6.80～8.90 m。區(qū)間隧道主要穿越中粗砂(局部細砂、圓礫)、粉質黏土層，其中粉質黏土層上方與中粗砂交界位置富含滯水。

圖1 標準段結構橫斷面圖(單位：mm)

2 施工遇上層滯水

某年5月3日，沈陽地鐵九號線某區(qū)間自1#豎井左線向小里程方向施工至里程A(某年5月4日，自1#豎井右線向小里程方向施工至里程B)突遇涌水涌砂，項目部立即停止施工，并封閉掌子面，加強地面、洞內監(jiān)測與巡視。同時，召開專家論證會，研究解決方案。經分析判斷，此處隧道拱部為透水性極差的粉質黏土層，上方富存滯水，施工時挖穿粉質黏土層導致滯水流出。由于滯水較大，開挖存在施工風險，專家一致認為需對上層滯水采取處理措施，避免出現(xiàn)安全事故。

3 滯水產生原因分析

開挖面遇較大滯水，分析原因為以下3種：

(1) 局部降水不到位，未能將地下水位降至指定標高，存在降水井抽水不暢或降水井數(shù)量不足等因素。

(2) 外來水源補給，周圍存在地下暗河、水囊、市政管線滲漏等因素。

(3) 自然形成的上層滯水，指包氣帶內局部隔水層之上積聚的具有自由水面的重力水，由雨水、融雪水等滲入時被局部隔水層阻滯而形成，消耗于蒸發(fā)及沿隔水層邊緣下滲[9]。

4 影響因素排查及處理措施

4.1 影響因素排查

(1) 降水效果排查

經檢查降水井完好、水泵運行正常，通過預留水位觀測井測量，以及挖探粉質黏土夾層下方原狀砂層，探明地下水位已在隧道底部1 m以下，滿足正常降水要求。

(2) 外來水源排查

經排查發(fā)現(xiàn)，距離隧道右線約5 m(左線約11 m)位置道路下方的一條DN800混凝土雨水管道由于年久失修管節(jié)接縫處存在滲漏，滲漏水沿孔隙較大的雜填土地層流入隧道內，此處滲漏需要處理。

(3) 地表水(自然形成的上層滯水)下滲排查

勘察報告及降水井鉆孔揭露的地面以下雜填土主要由碎磚塊、建筑垃圾、紡織布條、腐殖質生活垃圾、灰黑色粉質黏土等組成，結構疏松，孔隙較大，欠壓密[10]。地表水下滲通暢，且易形成大范圍的“海綿狀”存儲水囊。

4.2 處理措施

3種因素排查后，得出初步結論：地表水、管線滲漏水以及部分潛水被阻隔在粉質黏土層上方，降水井穿越粉質黏土隔水層區(qū)域，不能形成有效降水漏斗，存在降水盲區(qū)，水流不能被徹底降排，存留在粉質黏土層上方形成滯水。決定采取以下處理措施。

4.2.1 切斷外來水源補給

對滲漏的DN800混凝土雨水管道內水流進行臨時導排，管內淤泥清理，對管節(jié)接縫進行了水泥砂漿勾縫封堵處理，之后施做了柔性防水內襯[11]，內襯材料選用PVC涂塑高強滌綸防水布。同時，對檢查井裂縫進行了水泥砂漿封堵，并整體抹面處理。對滲漏管線進行內襯處理后，隧道內左右線滯水流量均有不同程度減少，但剩余滯水仍制約開挖。

4.2.2 降低滯水水頭壓力

① 選取掌子面前100 m作為試驗段加密降水井，將降水井間距由12 m調整為6 m，數(shù)量增加1倍；② 施做透水井，即降水井穿透粉質黏土層，促使上方滯水通過透水井流入下方砂礫層；③ 在隧道兩側增加淺井，即降水井底部嵌入粉質黏土層且不穿透該層，下水泵進行滯水抽排。

新增降水井、透水井、淺井正常工作后，經水位觀測井測量，水位有所下降，但下降緩慢。嘗試破除掌子面開挖，開挖過程中滯水并沒有明顯減小，制約施工安全。之后，嘗試了地面真空降水、洞內自吸泵抽排滯水彌補管井降水盲區(qū)，也未取得成功。要想徹底解決滯水對開挖的影響，必須在隧道內采取其他技術措施。

5 關鍵技術

結合隧道線形、斷面設計與地層起伏變化的關系，進行滯水層地質素描，并根據(jù)滯水層素描線，判斷其對隧道開挖的影響程度。經素描后，將隧道穿越滯水層分為4種差異區(qū)段類型，采取“引水”與“阻水”兩種針對性技術措施。

5.1 “引水”技術

5.1.1 滯水層位置在起拱線以下范圍內

當粉質黏土層在隧道作業(yè)范圍內，滯水層位于隧道開挖起拱線以下時(圖2)，由于滯水層距離拱部較遠，且滯水層以上的圓礫及中粗砂層具有一定的自穩(wěn)性，拱部開挖時幾乎不受滯水影響，可按原設計方案施工。側墻及仰拱開挖時受到滯水影響，當滯水層位于側墻開挖位置時，受滯水持續(xù)沖刷的粉質黏土層槽壁成片狀層層滑落，使上部砂體垮塌，形成流砂造成塌方。當滯水層位于仰拱開挖位置時，造成開挖槽內積水，影響仰拱鋼格柵安裝及焊接，長時間浸泡會使槽底粉質黏土層變軟，影響支護強度。

采取措施：① 在側墻位置埋設引排管，將水流引排至臨時集水坑，集中抽排至洞外；② 開挖仰拱基槽時，在仰拱前方靠近掌子面?zhèn)仁┕づR時集水坑，深度低于仰拱基槽，將水流引排至臨時集水坑內集中抽排至洞外；③ 迅速進行洞身開挖與支護；④ 初期支護封閉成環(huán)后及時進行背后注漿，封堵隧道外水流通道。

在已施工完成的初期支護側墻上布設臨時排水管，或在隧道仰拱側角砌筑臨時排水溝，排水管(排水溝)沿隧道長度方向布設，一端連接掌子面附近臨時集水坑，一端連接至施工豎井內集水坑。隧道拱部、側墻部位的滯水通過引排管，引排至掌子面附近臨時集水坑(仰拱部位的滯水直接抽排至臨時集水坑)，再通過集水坑內的水泵將水流泵送至排水管(排水溝)，輸送進施工豎井內的集水坑，最終抽排至地面指定排水系統(tǒng)里。

5.1.2 滯水層位置在起拱線至拱部以下1 m范圍內

滯水層位于拱部開挖范圍內(圖3)，對拱腰、拱腳位置開挖產生影響，開挖暴露時間過長，水流持續(xù)沖刷，會使粉質黏土層拱壁片狀滑落形成流砂，影響范圍沿拱部逐漸向上擴大，引發(fā)塌方。

圖3 滯水層位置在起拱線至拱部以下1 m范圍地質示意圖

采取措施：① 在拱腰、拱腳滯水層位置埋設引排管，將水流引排至臨時集水坑，集中抽排至洞外，減小水流沖刷的影響；② 為防止流砂形成時對拱部的影響，在拱部施工時，提前采用雙排小導管注漿加固地層，增強加固措施；③ 為縮短拱部土體開挖暴露時間，將拱部分兩次開挖，即在拱腰位置增設一處連接板(連接板進入粉質黏土層)，開挖至拱腰位置及時進行鋼格柵安裝及噴射混凝土隱蔽，之后再向下開挖至拱腳，完成整個拱部施工；④ 及時施做初期支護，待仰拱跟進封閉成環(huán)后及時進行背后注漿，封堵隧道外水流通道。

5.2 “阻水”技術

5.2.1 基本原理

在粉質黏土層上方富存滯水的砂層內鉆孔注漿，將地層顆粒間的滯水強迫擠出，取而代之的是注入的漿液，漿液充填于顆粒間隙中，將顆粒膠結成整體，增加了地層的黏結強度及密實度，使地層的透水性降低，從而形成相對隔水層。同時，通過注漿，堵塞了遠處水源的補給通道，阻止了水源向注漿加固區(qū)補給[12]。

5.2.2 注漿方式

漿液對地層的加固狀況主要表現(xiàn)為填充擠壓和剪切劈裂兩種方式。采用填充擠壓為主、輔以剪切劈裂注漿方式。主要在砂層與粉質黏土層的界面位置進行填充擠壓注漿，其次漿液在較高壓力下形成劈裂脈，以脈狀擴散形式形成網狀加固結構[13]。

5.2.3 “阻水”設計

(1) 滯水層位置在拱部以下1 m開挖可見范圍內

滯水層位于拱部開挖范圍內(圖4)，對拱頂位置開挖產生嚴重影響，會直接形成流砂，造成拱部坍塌。

圖4 滯水層位置在拱部以下1 m開挖可見范圍地質示意圖

當滯水主要集中在隧道開挖面兩側拱肩位置(隧道開挖面左上角與右上角的地層交界面)時，采用“雙排小導管+洞內局部深孔注漿” 加固措施。首先采用雙排小導管注漿加固砂礫石地層，提前預防流砂形成時對拱部的影響；其次在拱肩進行局部深孔注漿，形成阻水屏障，暫時切斷兩側外來水源的補給，為開挖提供時間上的支持。

局部深孔注漿加固范圍為地層交接處左右兩側各1 m×1.4 m范圍(圖5)，注漿處必須咬合至少200 mm粉質黏土層，以保證交界面不漏水。注漿深度為3～4 m，每開挖2 m進行一次注漿。

圖5 局部深孔注漿加固(單位：mm)

當滯水布滿隧道開挖面內整條地層交接線，并沖刷下方粉質黏土流入洞內時，采用“洞內上半斷面深孔注漿”加固措施。對隧道上半斷面及開挖輪廓外3 m范圍進行注漿加固(圖6)，形成一道較厚的阻水墻，將滯水阻隔在墻外，為拱部開挖贏得充裕時間。注漿沿隧道掘進方向10 m一循環(huán)段，一個注漿段完成后，開挖8 m，預留2 m作為下一循環(huán)的止?jié){巖盤。

圖6 上半斷面深孔注漿加固(單位：mm)

(2) 滯水層位置在拱部以上1 m開挖不可見范圍內

滯水層雖未在拱部開挖范圍內(圖7)，但對拱頂位置開挖產生嚴重影響，極易造成粉質黏土隔層被挖穿，形成流砂，造成拱部坍塌，采取“上半斷面輪廓外深孔注漿”加固措施。

一般在超前探測后，對區(qū)間隧道上半斷面輪廓外3 m范圍內土體進行深孔注漿加固(圖8)。根據(jù)滯水層高低起伏的特點及隧道外地層的不可見性，可適當加大土體加固范圍。

圖8 上半斷面輪廓外深孔注漿加固(單位：mm)

5.2.4 “阻水”施工

(1) 施工方法

先進行超前鉆孔探測，探明掌子面前方地質及富存滯水情況，之后動態(tài)調整優(yōu)化注漿孔位布設及漿液配比參數(shù)。

采用ZLJ-350型坑道鉆機、SYB-60/5型雙液變量注漿泵進行鉆孔與注漿。按照自下而上隔孔鉆進，由外至內逐步加密注漿的原則，后退式注漿，先注磷酸-水玻璃漿液“擠水”，再注水泥-水玻璃漿液“加固”。注漿完畢鉆孔檢查地層加固效果，做開挖前的安全條件驗收。

具體工藝流程如下：封閉掌子面(預留止?jié){巖盤)→搭設注漿操作平臺→鉆機就位→鉆孔(含超前探測孔)→注漿→下一循環(huán)鉆孔、注漿→注漿完畢，安全條件驗收→撤離鉆機、拆除作業(yè)平臺→破除掌子面(開挖作業(yè))。

(2) 注漿參數(shù)

選用質量分數(shù)85%的工業(yè)磷酸，P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥，40Be′水玻璃為制漿原料，稀釋至不同濃度配置成磷酸-水玻璃、水泥-水玻璃兩種漿液。根據(jù)不同地質區(qū)段及滯水流量情況，通過注漿試驗選取最佳配比參數(shù)，并進行動態(tài)調整與優(yōu)化。

該工程采用漿液配比情況為：V磷酸(4%～14%)∶V水玻璃(20Be′～40Be′)=1∶1，V水泥漿(水灰比0.8～1.2)∶V水玻璃(20Be′～40Be′)=1∶1。初凝時間：磷酸-水玻璃漿液20～40 s，水泥-水玻璃漿液40～90 s。注漿壓力：磷酸-水玻璃漿液0.5～1.0 MPa，水泥-水玻璃漿液1.0～1.5 MPa。

(3) 洞身開挖與支護

嚴格按礦山法“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”十八字方針要求進行開挖與支護，科學合理組織施工，及時封閉成環(huán)，縮短掌子面暴露時間。

6 效果檢驗

在采用洞內深孔注漿加固的 “阻水”區(qū)段內，每種差異的地質區(qū)段都要先進行注漿試驗，均選取30 m(3個注漿循環(huán))作為試驗段進行效果檢驗。

一般采取3種方法對加固效果進行檢驗：① 在注漿過程中，通過后續(xù)注漿孔對前序孔注漿效果進行驗證；② 注漿完畢后，通過打設鉆探孔進行效果驗證；③ 通過開挖土體進行效果驗證。前兩種方法驗證無流水后，破除封閉的掌子面，發(fā)現(xiàn)固結的漿液脈絡明顯，紋理清晰，尤其漿液固結砂卵石后呈樹根狀牢牢嵌在粉質黏土中。在開挖過程中，掌子面穩(wěn)定，無流水，滿足施工要求。同時，監(jiān)測到的地面最大累計沉降3.69 mm，拱頂最大沉降0.96 mm，結構最大收斂0.29 mm，均遠小于監(jiān)測控制值，符合要求。試驗段成功后，正式開啟“阻水”注漿模式施工，并規(guī)定此后每開挖完成30 m召開一次階段性會議，對該區(qū)段施工進行技術總結，并指導下一區(qū)段施工。

7 經濟分析

在礦山法隧道穿越滯水層施工處理中，通常根據(jù)滯水層勘察及影響程度，并結合技術可行性、經濟可行性等因素，制定最優(yōu)解決方案。一般解決方案分兩類，第一類為“大手術”，即改變原有施工工法，如將礦山法改為明挖法、盾構法；第二類為“小療法”，即在現(xiàn)有礦山法基礎上，增加補強輔助措施。

針對該工程特點，若采用“大手術”改變工法，將對周邊環(huán)境、工期、費用等產生較大影響，尤其經濟投入加大，同時增加了新的施工風險和社會影響，“性價比”差，不建議采取。該工程滯水處理主要集中在“阻水”階段，對擬采取的阻水措施進行了綜合比選(表1)。

表1 阻水措施綜合比選

由表1可知：通過對6個比對項的綜合比選，最終選定洞內水平深孔注漿為最佳處理方案。

8 結論與建議

在上層滯水存在的差異地質區(qū)段下采取的多種技術措施，創(chuàng)造了“開挖穩(wěn)定，過程可控”的施工環(huán)境，確保了暗挖隧道安全穿越滯水層，進而順利實現(xiàn)區(qū)間貫通。區(qū)間貫通后，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示地面最大累計沉降23.24 mm，拱頂最大沉降8.96 mm，結構最大收斂5.96 mm，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)均在設計及規(guī)范允許范圍內。一定程度上，為后續(xù)類似工程設計與施工提供了借鑒與參考。得到的結論與建議如下：

(1) 滯水處理首要任務是切斷市政管線滲漏補給途徑，管線滲漏造成滯水流量加大，增加暗挖施工風險。同時，由于管線滲漏使管底水土流失，造成管線沉降過大，極易發(fā)生管線斷裂，出現(xiàn)涌水事故，進一步加劇施工風險，引發(fā)大范圍坍塌。

(2) 每循環(huán)的超前探測工作十分重要，是指導注漿施工的重要依據(jù)；注漿過程監(jiān)控與注漿效果檢查十分關鍵，是安全開挖的重要保障；開挖過程中仍需密切觀察掌子面滲漏水情況，發(fā)現(xiàn)異常及時封閉；每循環(huán)留置的止?jié){巖盤必須滿足深孔注漿壓力要求，必要時再次進行網噴混凝土補強。

(3) 繼續(xù)采取“動態(tài)設計與施工”的理念，對實際揭露的地質情況進行素描，并與勘察情況進行比對，更好地反饋及指導設計與施工，優(yōu)化方案。

(4) 洞內深孔注漿方式與洞內開挖作業(yè)產生交叉影響，一定程度上增加了施工工期。以“上半斷面深孔注漿”加固措施為例，每循環(huán)注漿長度10 m，注漿時間7～10 d(含開挖過程中出現(xiàn)盲區(qū)時的補充注漿)，每循環(huán)開挖8 m，開挖時間8～10 d，工效較正常地層暗挖施工減少一半。地面具備施工條件時，可嘗試在地面鉆孔進行深孔注漿方式，并輔以洞內注漿加固，該注漿方式不占用洞內正常施工工期。

(5) 嚴格控制開挖進尺，合理留置臺階長度(3～6 m)，及時封閉成環(huán)，防止未成環(huán)部分的“懸臂”過長及懸空擱置時間過久，使“懸臂”開裂折斷，造成嚴重安全事故。