文｜西安市轨道交通集团建设分公司 何小华

在西安城市轨道交通工程建设中，饱和软黄土地层的风险和技术难度远大于其他地层，可以说是西安城市轨道交通建设中风险最大的问题，重点是降水引起的地面沉降过大和暗挖隧道的稳定问题。究其原因，主要是这层土孔隙大，含水量高，强度低，抗变形能力差，呈流塑状态，与其他地层相比，工程性质恶劣很多。在具体工程中，降水引起的地面变形大，时间长，不易稳定，隧道开挖支护收敛变形大，易塌方。这层土在西安分布比较规律，以兴庆公园为中心，方圆10km2内均有层厚不同的饱和软弱黄土。从地质年代上讲，饱和软弱黄土主要有两层：一是新黄土-饱和软黄土，常称为3-1-3 层，均是由于地下水毛细作用或者说地下水抬升过程中，湿陷性没有发生，在长期浸润作用下，黄土中支撑骨架联结作用的盐分进行重分布，强度大幅度降低；二是老黄土-饱和软黄土，常称为4-1-3 层，这层土分布在古土壤层底界的下方，也具有饱和软黄土的性质。

在近几年西安城市轨道交通工程的实践中，饱和软弱黄土地层中发生了多起应急抢险的事故。如一号线某竖井降水开挖后周边建筑物沉降达到超过80mm；三号线某暗挖区间隧道发生塌方，造成较大安全事故；五号线某地裂缝暗挖区间降水和开挖引起沉降超过200mm，严重影响市政设施和周边建构筑物的安全。为此探讨在这种地层中的加固技术有重要的实践价值。本文以地铁三号线饱和软黄土地层中暗挖隧道发生塌方为背景，重点探讨应急加固技术的应用，旨在为同行提供参考。

1 工程概述

1.1 工程概况

图1 穿越地裂缝暗挖段纵断面

西安地铁三号线长乐公园-咸宁路站区间为盾构+矿山法暗挖法，其中区间暗挖段隧道左线长187.187m，右线长194.359m，f5地裂缝穿越该暗挖段，暗挖断面分为两种，一是A 型断面，开挖轮廓为10.1（宽）×10.32（高）m；二是B 型断面，开挖轮廓为9（宽）×9.22（高）m，如图1。支护型式采用复合式衬砌，即以小导管超前预注浆、喷射混凝土、钢筋网和钢架为初期支护，以模筑钢筋砼衬砌为二次衬砌组成，初期支护与二次衬砌间设全封闭防水隔离层。采用CRD施工工法、洞外降水。

1.2 地质情况

该区间暗挖隧道穿越f5地裂缝，通过地段岩性复杂，以f5地裂缝为界，以北地层依次为：人工填土（素填土）、新黄土（水上）、古土壤、老黄土（水下），隧道掌子面土层为老黄土和古土壤，岩性较好；以南地层依次为：人工填土（素填土）、新黄土（水上）、饱和软黄土、古土壤、老黄土（水下）。其中新黄土（水上）具湿陷性及高压缩性，可塑，土质均匀，天然状态下较好，受水浸泡后性质变差，并有可能变为饱和软黄土；饱和软黄土力学性质差、流塑、具高压缩性。f5地裂缝走向NW280°，倾向SE，倾角89°，缝宽3mm，断层涌水量3-5m3/h。f5地裂缝西起蒋家寨，经长乐公园至黄河实验小学，是西安地裂缝活动较强烈地段之一，长乐公园车站附近地裂缝目前仍有明显活动，垂直活动速率约为5mm/a 左右。地下水主要为潜水,区间西侧约1km 处兴庆公园的兴庆湖，水深2m、长乐公园车站东北约400m 处有长乐公园人工湖，水深约2m。施工区域地下水与以上两处湖水有地下水利联系。

1.3 隧道开挖情况

地裂缝影响段坑外降水效果差，洞内开挖临近带水作业。左线隧道开挖至地裂缝附近处，掌子面不断发生细微塌方、涌泥现象，尤其是2013年1月19日凌晨2 时，左线隧道开挖邻近地裂缝时，隧道掌子面后出现大量涌水涌泥现象及塌方，现场立即喷射砼封闭掌子面并及时引、排由地裂缝附近涌出的地下水，如图2。为确保施工安全，保护洞内作业人员及拱顶上方污水、给水、燃气管线安全、维持地面正常的交通秩序，施工被迫停止。

图2 左线隧道地裂缝处掌子面涌泥及局部塌方

2 坍塌原因分析

通过对该暗挖隧道工程现场踏勘及研判后认为，引起塌方和涌泥的主要原因有以下几点：一是饱和软弱黄土呈流塑状，降水效果不好，稳定性差，二是受f5地裂缝的影响，坑外降水无法疏干地裂缝f5内涌出的大量地下水。三是地裂缝贯穿整个开挖的断面，常规的超前小导管压入单液浆无法起到应有的效果。

图3 区间左右线全断面注浆平面图

3 加固处理技术

坍塌情况出现后，项目部立即上报业主，由业主主持召开了专题会议，监理、工点设计、总体设计单位、施工单位等相关人员共同参与研究制定了加固处理技术方案。主要有两种方案，方案一是持续降水；方案二是全断面压入双液浆。降水方案由于地层为饱和软黄土，降水可能引起的沉降较大，类比同类工程经验，预期会超过50mm，在交通主干道，风险较大，且依据本段降水经验看，降水后，地裂缝带内水无法完全疏干。最终选择采用方案二，具体为在区间左、右线f5地裂缝前后8m 进行全断面注浆加固，加固范围为隧道开挖面及上下、左右各2m。全断面注浆孔按1m×1m 梅花形布置，注浆管采用6m 长Φ48×3.5mm 钢管。注浆材料为双浆液（水泥:水玻璃为1:1），全断面注浆分4 个循环施作。施工时，打设6m 钢花管，注浆完成后，开挖进尺4m，余2m 止浆墙，然后开始下一循环。根据隧道的CRD 开挖工法，每个导洞每循环注浆结束并查明确认加固效果后再进行开挖，若加固效果不佳则应补注。如图3所示。

图4 掌子面注浆孔、超前地质探孔分布图

3.1 注浆孔位布设

施工时注浆孔位布设分为两部分，第一部分为开挖轮廓线外。第二部分为预留核心土西侧、顶部的掌子面范围内。

第一部分注浆管（原设计超前小导管）采用6m 的注浆花管（以6m 花管为主要注浆管，若6m 无法打设，可打入3m 花管），在开挖轮廓线处注浆花管布设环向间距15-20cm、打设花管时尽量向开挖轮廓线外倾斜，（角度15-20°）。第二部分注浆花管沿预留的核心土西侧、顶部间隔1m 梅花形打设6m 钢花管。如图4所示。

3.2 注浆配比及凝结时间

将40Be 的水玻璃稀释成30Be，水玻璃模数为2.4，盛放在带标签的容器内待用。根据现场试验，按一定比例将稀释硫酸与水玻璃配制成水玻璃溶液，通过双液注浆泵将水泥-水玻璃双液浆注入前方预加固土层。水泥浆水灰比1:1-0.6:1，水泥标号425，注浆材料应根据地质条件反复试验比选确定，最终配比为：水泥浆水灰比1:1；水泥浆水玻璃体积比1:1，缓凝剂掺量为1.9%，凝胶时间为60s。

3.3 钻孔及设备

TXU-75D 钻机1 台、SJB-300×2 连续供料搅拌器2 台、ZTGZ-60/210 型注浆泵1台，测定仪1 台。

图5 30BE 水玻璃不同水灰比下凝结时间折线图

图6 上导洞掌子面双液注浆

3.4 注浆压力及压力控制

起始注浆压力0.2～0.4mPa，最大注浆压力2～3.5mPa。在进行浆液压注时，压力控制采用一次升压法，注浆开始短时间内将压力升到最大压力，并一直保持至压浆结束。在恒定的压力下每一级浓度浆液累计吸浆量达到一定限度后由试验部门调整配比。

3.5 注浆顺序

首先对掌子面及拱腰位置的明水进行集中明排，注浆时先对开挖轮廓线的花管注浆，再注掌子面。先注无流水孔，后注有流水孔，从拱顶向下的顺序依次注浆。如图6。

3.6 注意事项

（1）注浆过程中为防止掌子面冒浆，对掌子面挂网喷射150mm 左右的砼对其封闭。

（2）注浆首先采用1:1 单液浆填充隧道塌方形成的空洞，待空洞填充密实后，压注双液浆加固开挖掌子面。

（3）下导洞打设2 个Φ108 排水孔，使前方地层水沿排水孔集中明排。下导安排专人将积水抽至横通道排水沟。

3.7 注浆后开挖

注浆后通过超前地质探孔查明地层加固情况，并观察掌子面是否有渗漏水现象。若加固情况良好则进行开挖。为加快封闭成环速度尽量避免过大范围的扰动加固地层，开挖时CRD 工法的上部两个导洞各分两次进行。首先开挖CRD 工法的左上导洞拱顶下2m 高范围掌子面土方，然后初喷混凝土，再架设此部分格栅，预埋超前小导管套管（2 榀一道），喷射格栅混凝土，同时封闭上半部分掌子面；开挖上导下半部分掌子面，边开挖边初喷掌子面，1m（高）/1 次，开挖完成后，架设下半部分钢格栅，预埋超前小导管套管（2 榀一道），并及时架设临时仰拱，喷射砼封闭。上下导洞错开3m 后，开始下部导洞全断面注浆、开挖方法同上部导洞。同样的方法全断面注浆后施工右上、右下导洞初期支护。

3.8 加固效果评价

注浆后隧道开挖过程中持续对影响范围洞内收敛及地表沉降进行监测，已加固段开挖过程监测数据稳定，净空收敛及地表沉降较未加固段效果明显，初支结构及地表沉降得到很好地控制。监测数据分析如下：

4 结语

经双液浆加固后，地裂缝段饱和软弱黄土加固体强度高、密实度好，止水效果佳、施工效率、开挖的安全性显著提高，确保了区间如期穿越了f5地裂缝段，开挖的安全风险得到较好控制。对于西安浅埋暗挖穿越地裂缝类似工况，在洞外降水无法达到预期效果时，采取双液注浆措施固结土体能保证无水作业。f5区间隧道的顺利实施所积累的经验对设计、施工均有一定的指导意义。

图7 注浆前后地表沉降日数据周变化曲线对比图

图8 注浆前后净空收敛日数据周变化曲线对比图