一种城市浅埋小净距隧道的中隔岩柱加固方法

摘要

本发明涉及一种城市浅埋小净距隧道的中隔岩柱加固方法，属于隧道施工技术领域，通过在地表设置一至多排注浆孔，按照隔排跳孔的施工顺序，采用无缝钢管作为注浆管，通过花孔注浆加固中隔岩柱，注浆管作为支撑骨架可有效提高中隔岩柱稳定性；在注浆管上通过绑扎多级隔压膨胀模袋，控制浆液在目标区域定域扩散，同时达到控制地面隆起与沉降，减少对地面及其周边的影响的效果；采用以速凝类浆液为主的注浆材料，可根据现场注浆过程的实时反馈来调节浆液凝胶时间，防止浆液过度扩散，节约成本，配合隔压模袋实现中隔岩柱的分段定域加固。

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道中隔岩柱加固方法，特别涉及一种针对城市浅埋小净距隧道中隔岩柱加固的定域控制注浆加固方法，属于隧道施工技术领域。

背景技术

随着我国城市经济的快速发展及城市人口数量的不断增加，大中型城市的交通压力越来越大。地铁作为一种客运量大、方便快捷的交通方式，已成为多数大中型城市重点的建设的公共交通设施。

由于城市空间有限，地铁隧道的埋深与间距普遍较小，因此带来了一系列的问题。城市浅层土多以杂填土、黄土、粉质粘土及碎石土等不良土类为主，若不进行有效加固容易导致隧道塌方、失稳等问题；由于间距小而导致的中隔岩柱不稳定问题，加之地层软弱不良，难以提供较高的强度，使得浅埋小净距隧道中隔岩柱加固存在许多难点；而且隧道上层埋设热力、燃气、电信等管线众多，管线分布与埋设位置仅能参考设计方案，不够清晰准确。

在传统的小净距隧道中隔岩柱加固实例中，通常需要通过高压注浆实现对地层的加固，以解决间距小带来的中隔岩柱不稳定问题。但在城市地铁隧道工程中，由于埋深较小，高压注浆极易导致地表隆起，引发路面破坏、管线破裂、地表建筑物破坏等问题，因此需要控制注浆压力，这与传统施工方法有很大的矛盾。目前已有的小净距隧道施工方法，多针对软弱围岩条件下的山岭隧道，同样的施工工艺难以适用于地铁隧道，原因包括：(1)地铁隧道埋深更小。由于城市空间有限，难以保证隧道有足够的埋深，已有施工方法难以控制地表变形；城市浅层土多为黄土、杂填土等软弱土体，强度极低，已有施工方法难以使中隔岩柱达到强度要求。(2)地铁隧道需要严格控制地表变形。由于地铁隧道环境复杂，地表有建筑物，上覆土层中还埋设有各种管线，因此若没能控制好注浆加固过程，导致地表变形过大，将会造成巨大的损失。

发明内容

针对现有技术的不足，面对传统施工方法的困难与矛盾，本发明方法提供一种针对浅埋小净距隧道中隔岩柱加固的定域控制注浆加固方法。利用速凝类注浆材料在控制注浆材料用量的前提下即能达到注浆加固要求，减少浆液浪费，节约成本，缩短工期；多级模袋控制浆液定域扩散，确保浆液充分加固中隔岩柱；多排注浆管同时发挥骨架支撑作用，提高加固效果；有效控制地层及地表变形，保障地表路面、周边建筑物等不受影响。

本发明的技术方案如下：

一种城市浅埋小净距隧道的中隔岩柱加固方法，包括如下步骤：

(1)根据中隔岩柱宽度及地层条件，在地表设计一至多排注浆孔，在注浆孔处的地表进行施工打孔；

(2)结合注浆设计要求与目标区域深度，设计、加工注浆管，参考注浆加固目标区域对注浆管打圆孔，同时绑扎膨胀模袋；

(3)根据地层孔隙率及目标加固区域范围估算注浆量，以速凝类注浆材料对注浆管进行注浆，通过调节浆液凝胶时间，控制实际注浆量与估算注浆量相近。

除注入浆液外，注浆管还可起骨架支撑作用，注入浆液与土体形成固结体，与注浆管共同起到加固中隔岩柱的作用。

注浆管设计、加工主要是注浆管长度设计、管口设计和打圆孔设计，其他注浆管参数可参考行业标准/施工要求。

优选的，步骤(1)中，当在地表设计至少两排注浆孔时，其施工打孔顺序按照隔排跳孔的顺序，先进行1、3、5……奇数排的打孔，再根据实际情况，将偶数排钻孔作为检查孔或补充注浆孔；注浆孔排与排之间间隔为1～2m。排距设计可根据实际情况灵活设计，若地层条件较好，间距可适当加大；地层条件较差，则可设置间距小一些，若有管线需要避让还可适当倾斜0～15°角度。

优选的，步骤(2)中，在注浆管靠近地表的位置绑扎一级隔压区膨胀模袋；在注浆管位于中隔岩柱加固区的、远离地表的一端绑扎二级加固区膨胀模袋。

进一步优选的，步骤(2)中，注浆管绑扎一级隔压区膨胀模袋的位置打圆孔，通过圆孔向模袋中注入液体；在位于中隔岩柱加固区的注浆管上沿注浆管轴向间隔打圆孔；圆孔孔径为10mm，位于中隔岩柱加固区的注浆管上的圆孔间距为20cm。建筑上常将阵列分布的布局设计为梅花形布置，即横竖错位成排、矩阵分布。向模袋中注入液体和向注浆管注浆过程是同时进行的，即注浆的同时模袋膨胀起来挤密土体并起到加固作用，模袋中注入的也是速凝类注浆材料。

进一步优选的，步骤(2)中，一级隔压区膨胀模袋距离地表3～4m。通过模袋膨胀挤密周围土体，有效提高岩柱上部土体强度，从而控制地表不产生变形。

进一步优选的，步骤(2)中，二级加固区膨胀模袋的数量为至少两个；中隔岩柱加固区的上部设置一个二级加固区膨胀模袋，用来隔断浆液向上扩散通道，使浆液都留在目标扩散区；沿注浆管向下设置至少一个二级加固区膨胀模袋，直至中隔岩柱加固区下端；相邻二级加固区膨胀模袋之间的间距为3～5m。

进一步优选的，步骤(2)中，一级隔压区膨胀模袋竖直方向的长度为3～4m，一级隔压区膨胀模袋横向宽度为1.5～2m；二级加固区膨胀模袋竖直方向的长度为1～1.2m，二级加固区膨胀模袋横向宽度为1.5～2m。

优选的，步骤(2)中，注浆管为无缝钢管，注浆管靠近地表的上部一端车丝处理，注浆管靠近地表的上部一端连接设有PVC管，注浆管与PVC管通过连接件连接。注浆结束后PVC管可拆掉，从而使注浆管口不外露于地表。

进一步优选的，步骤(2)中，PVC管的长度为0.5m。

注浆材料方面，本发明方法所使用的速凝类注浆材料，具体浆液配比可根据现场注浆过程实时反馈调节，调节比例主要依据是注浆量，注浆量估算依据包括土体强度、加固范围及注浆材料性能等条件。

注浆参数方面，由于本发明针对小埋深隧道，因此注浆压力不宜过高，优选的，步骤(3)中，当注浆管采用速凝类浆液-水泥浆液双液注浆时，注浆压力为1MPa；当注浆管采用水泥单浆液注浆时，注浆压力为0.5Mpa，拟定注浆扩散半径在0.9～1.2m范围内，在具体实施注浆过程时可根据需要，根据数值模拟、现场检测来动态调整。

优选的，步骤(3)中，注浆结束标准方面，以单孔注浆量、注浆压力以及地表隆起变形作为控制指标，采用“量-压-变形”三控注浆结束标准进行注浆控制，具体标准如下：1)当注浆量未达到设计标准但注浆压力达到设计终压，且维持5min以上，停止注浆；2)供水、电信及雨水等管线附近的注浆孔单孔注浆量不超过估算注浆量的30％，当注浆量接近单孔设计注浆量上限后，若注浆压力未达到设计终压，可通过调整浆液凝胶时间达到设计终压，并停止注浆；3)地表隆起变形上限为2mm/d，累计上限为20mm，当地表变形达到上述标准时，立即停止注浆。

本发明的有益效果在于：

在隧道工程施工中，浅埋隧道的地表隆起与沉降往往难以控制，而且小净距隧道中隔岩柱加固需要加固地层，容易导致地表隆起，相比于已有的小净距隧道施工方法，本发明方法的优势在于：(1)本发明方法针对地铁隧道，即针对城市环境下的浅埋小净距隧道，这是其他发明难以适应的施工环境。

(2)面对中隔岩柱不稳定问题，本发明方法中注浆管在注浆完成后可起到骨架支撑作用，与浆液-土体固结体共同作用，大大提高了中隔岩柱的强度和稳定性，在一定程度上弥补了表层软弱土体强度不够的劣势，有效提高加固效果。

(3)本发明方法引入了多级模袋的设计，通过在注浆管上绑扎多级隔压膨胀模袋，既能有效控制浆液定域扩散，有效地隔断了浆液的向上扩散通道，控制浆液留存在目标加固区域内，确保注入的浆液能够充分加固中隔岩柱，避免其过度扩散影响周围管线等设施，还能弹性控制地层及地表变形，保障地表路面、周边建筑物等不受影响，同时改变土体的密实性，同时通过控制注浆压力，同时达到控制地面隆起与沉降，减少对地面及其周边建筑的影响的效果，能挤密加固区土体并发挥一定加固作用。加固效果更好，保证工程施工、运营期间的安全性。

(4)本发明方法将注浆材料考虑在内，使用速凝类注浆材料为主的加固效果优良的注浆材料，能够有效控制浆液凝结，容易控制注浆扩散半径且加固效果优良，在控制注浆材料用量的前提下即能达到注浆加固要求，减少不必要的浆液流失，根据现场注浆过程的实时反馈来调节浆液凝结时间，防止浆液过度扩散，充分发挥浆液加固作用，缩短工期，节约成本，提高土体强度，配合隔压膨胀模袋实现中隔岩柱的分段定域加固。

本发明中多级模袋可分为隔压区模袋和加固区模袋，两类模袋作用、位置、形态各有不同，其中隔压区模袋长度较长，位于较浅地层，适用于地铁隧道所处的复杂城市环境，主要作用为控制地表变形，当地表发生沉降时可通过隔压区模袋挤密周围土体，尤其可以挤密抬升模袋上层土体，使地表抬升，保证地表变形处于可控范围之内，保证城市地表管线的安全；加固区模袋长度较短，位于中隔岩柱加固区，适用于城市浅埋小净距隧道的软弱地层环境，主要作用为隔断浆液扩散通道，保证其在中隔岩柱加固区内定域扩散，充分加固岩柱，同时膨胀后的模袋本身也可和浆液-土体固结体共同作用一起增加中隔岩柱强度。

附图说明

图1是本发明城市浅埋小净距隧道的中隔岩柱加固方法的注浆管示意图；

图2是本发明在具体模拟城市环境中进行中隔岩柱加固方法示意图。

其中：1、PVC管，2、连接件，3、注浆管，4、一级隔压区膨胀模袋，5、二级加固区膨胀模袋，6、花孔，7、中隔岩柱加固区，8、路面，9、道路边线，10、雨水管线，11、路灯管线，12、供电管线，13、电信管线，14、给水管线，15、热力管线，16、污水管线，17、天然气管线，18、煤气管线，19、起拱线，20、右线中心线，21、右线设计线，22、左线中心线，23、左线设计线。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种城市浅埋小净距隧道的中隔岩柱加固方法，包括如下步骤：

(1)根据中隔岩柱宽度及地层条件，在地表设计两排注浆孔，在注浆孔处的地表进行施工打孔；其施工打孔顺序按照隔排跳孔的顺序，先进行奇数排的打孔，再根据实际情况，将偶数排钻孔作为检查孔或补充注浆孔；注浆孔排与排之间间隔为1m。

(2)结合注浆设计要求与目标区域深度，设计、加工注浆管，参考注浆加固目标区域对注浆管打圆孔，同时绑扎膨胀模袋；在注浆管靠近地表的位置绑扎一级隔压区膨胀模袋，一级隔压区膨胀模袋距离地表3m；在注浆管位于中隔岩柱加固区的、远离地表的一端绑扎二级加固区膨胀模袋。

一级隔压区膨胀模袋竖直方向的长度为3m，一级隔压区膨胀模袋横向宽度为2m；二级加固区膨胀模袋竖直方向的长度为1m，二级加固区膨胀模袋横向宽度为2m。

(3)根据地层孔隙率及目标加固区域范围估算注浆量，以速凝类注浆材料对注浆管进行注浆，通过调节浆液凝胶时间，控制实际注浆量与估算注浆量相近。注浆管采用速凝类浆液-水泥浆液双液注浆，注浆压力为1MPa；拟定注浆扩散半径在0.9m范围内。

注浆结束标准方面，以单孔注浆量、注浆压力以及地表隆起变形作为控制指标，采用“量-压-变形”三控注浆结束标准进行注浆控制，具体标准如下：1)当注浆量未达到设计标准但注浆压力达到设计终压，且维持5min以上，停止注浆；2)供水、电信及雨水等管线附近的注浆孔单孔注浆量不超过估算注浆量的30％，当注浆量接近单孔设计注浆量上限后，若注浆压力未达到设计终压，可通过调整浆液凝胶时间达到设计终压，并停止注浆；3)地表隆起变形上限为2mm/d，累计上限为20mm，当地表变形达到上述标准时，立即停止注浆。

除注入浆液外，注浆管还可起骨架支撑作用，注入浆液与土体形成固结体，与注浆管共同起到加固中隔岩柱的作用。注浆管设计、加工主要是注浆管长度设计、管口设计和打圆孔设计，其他注浆管参数可参考行业标准/施工要求。

实施例2：

一种城市浅埋小净距隧道的中隔岩柱加固方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(1)中，注浆孔排与排之间间隔为2m。

实施例3：

一种城市浅埋小净距隧道的中隔岩柱加固方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中，注浆管绑扎一级隔压区膨胀模袋的位置打圆孔，通过圆孔向模袋中注入液体；在位于中隔岩柱加固区的注浆管上沿注浆管轴向间隔打圆孔；圆孔孔径为10mm，位于中隔岩柱加固区的注浆管上的圆孔间距为20cm。

实施例4：

一种城市浅埋小净距隧道的中隔岩柱加固方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中，一级隔压区膨胀模袋距离地表4m。

实施例5：

一种城市浅埋小净距隧道的中隔岩柱加固方法，其步骤如实施例3所述，所不同的是，步骤(2)中，二级加固区膨胀模袋的数量为两个；中隔岩柱加固区的上部设置一个二级加固区膨胀模袋，用来隔断浆液向上扩散通道，使浆液都留在目标扩散区；沿注浆管向下设置至少一个二级加固区膨胀模袋，直至中隔岩柱加固区下端；相邻二级加固区膨胀模袋之间的间距为3m。

实施例6：

一种城市浅埋小净距隧道的中隔岩柱加固方法，其步骤如实施例5所述，所不同的是，步骤(2)中，相邻二级加固区膨胀模袋之间的间距为5m。

实施例7：

一种城市浅埋小净距隧道的中隔岩柱加固方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中，一级隔压区膨胀模袋竖直方向的长度为4m，一级隔压区膨胀模袋横向宽度为1.5m；二级加固区膨胀模袋竖直方向的长度为1.2m，二级加固区膨胀模袋横向宽度为1.5m。

实施例8：

一种城市浅埋小净距隧道的中隔岩柱加固方法，其步骤如实施例5所述，所不同的是，步骤(2)中，注浆管为无缝钢管，注浆管靠近地表的上部一端车丝处理，注浆管靠近地表的上部一端连接设有PVC管，注浆管与PVC管通过连接件连接，PVC管的长度为0.5m。注浆结束后PVC管可拆掉，从而使注浆管口不外露于地表。

实施例9：

一种城市浅埋小净距隧道的中隔岩柱加固方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，注浆管采用水泥单浆液注浆时，注浆压力为0.5Mpa，拟定注浆扩散半径在1.2m范围内，在具体实施注浆过程时可根据需要，根据数值模拟、现场检测来动态调整。

实验例1：

在具体路段进行隧道中隔岩柱加固施工，该路段地下道路暗挖段长2335米，埋深为6～10米，道路宽度为32米，其中隔岩柱宽2～3m，平均宽度为2.1m，由于其上方埋有管线，注浆孔不能垂直打入，因此共设有三排注浆孔，分别按一定倾斜角度打入。上方路段交通繁忙，地下管线密集，关键管线距隧道拱顶约8m。隧道两侧建筑物林立(局部地段距离隧道边线最小距离为2米)。沿线地质复杂，土、石间隔分布，土质段主要以粘土为主，有黄土侵入；岩石段以石灰岩(沉积岩)为主，岩溶发育，基岩面起伏变化较大。

表1原状土基本物理力学参数表

由于隧道埋深6～10m，注浆管需长16～20m，管的下端要低于隧道底板，使用Φ42×4mm的钢管，在深5～6m处需要加工花孔，作为向一级隔压区膨胀模袋注浆的通道；管的下方10m要加工花孔，作为向二级加固区膨胀模袋注浆的通道，且主要用于加固中隔岩柱。一级隔压区膨胀模袋上端距地表3～4m，长4m，直径为1.5m；二级加固区膨胀模袋最上部一个与隧道拱顶齐平，长1.2m，直径为1.5m，向下每隔4～5m设置一个，由于本隧道拱顶与底板距离8m左右，因此在隧道起拱线深度设置另一二级加固区膨胀模袋。

由表1可知，地层孔隙率为44.73％，目标加固区域即为中隔岩柱，除此之外还有少量模袋中的浆液，使用量等如表2，其中C为单液水泥浆，GT为GT-1速凝类注浆材料(可于力稳岩土工程有限公司市购)，C-GT为水泥-GT双浆液。控制注浆压力在0.5～1Mpa，注浆结束标准为：供水、电信及雨水等管线附近的注浆孔单孔注浆量结束标准约为1.5吨；煤气及热力等关键管线附近的注浆孔单孔注浆量结束标准约为1吨；当注浆量未达到设计标准但注浆压力达到设计终压，且维持5min以上，停止注浆；地表隆起变形上限为2mm/d，累计上限为20mm，当地表变形达到上述标准时，立即停止注浆。按照现有的无模袋注浆方法来估算该路段工程的浆液使用量，与使用多级模袋后的实际浆液使用量做对比，如表2所示，优化明显。

表2注浆优化实际完成工程量与设计量的对比

该路段场内填土以下第四系覆盖层为湿陷性黄土、粘性土及碎石土，黄土呈可塑性状态，局部呈坚硬状态，强度一般，湿陷性中等，属中等压缩变化较大型，粘土呈可塑性状态，属中轴压缩土，受厚度影响大，局部缺失，压缩性低。场地内岩体自上而下为强风化辉长岩，中风化石灰岩，中风化泥灰岩，基岩承载力一般，岩体完整性为0.13～0.36之间，岩石质量等级为Ⅲ～Ⅳ类。该治理区段水文条件复杂，地层为饱水地层，含水丰富，主要来源为原地层中储存的水、管道泄漏水以及雨季强降雨造成的下渗雨水。该治理段土层基本为湿陷性黄土层，遇水易发生显著变形，原有结构被破坏，自稳能力迅速降低，易造成地基沉降、隧道坍塌等附加危害。

对隧道上覆致灾软弱地层进行系统加固，改善土层物理力学性能，使其具有可靠地承载能力。利用本发明方案设计分区分段对地层进行注浆治理，采用膜袋注浆工艺，实现浆液的深部定域扩散。通过10天的系统注浆加固，该治理段地层得到较大改善、渗透性及土体含水量均大幅降低。通过物探分析及检查孔取芯情况分析，该区域注浆加固效果良好，基本达到验收条件。