某地铁车站小导洞超前支护施工工艺探索

周开洪

中铁七局集团西安铁路工程有限公司

摘要：超前小导管注浆施工技术已广泛应用于城市地铁小导洞施工中。超前小导管保证了地铁小导洞施工后续作业的安全。超前小导管注浆施工是将水泥浆、水玻璃等材料注入因风化、积岩、裂隙发育等原因难以自稳的施工面，防止渗水。岩石是胶结的。它能提高围岩的抗剪强度，进而对围岩进行加固，使岩体完整性完整，同时能抗渗，岩体结构稳定。本文以丰禾路地铁站小导洞超前支护为例,阐述了超前小导管注浆中小导管的制作、安装和注浆施工方法,旨在对其超前小导管支护的施工工艺加以探讨,以供类似工程参考。

关键词：地铁工程；超前支护；小导洞施工

1工程概况

丰禾路站为洞桩法暗挖施工（“PBA”三导洞），车站长度237.2 m，标准段宽21.3 m。共设置了3座暗挖竖井横通道。车站共设置3个小导洞，小导洞净空尺寸为4m（宽）×5m（高），拱顶覆土埋深9.4m～10.2m，采用上下台阶法施工，初期结构支护采用喷射0.3m厚C25网喷混凝土，采用超前小导管+格栅钢架组成联合支护；其中超前小导管采用φ42*3.25mm，长度L=3.0m，纵向安装间距分为1.0m（中导洞232.012m长和西侧导洞98.533m长范围）和1.5m（导洞353.455m长范围）两种。车站位于西安市西二环沣惠北路，地面交通压力大，其中车站南端下穿开远门立交引桥段，纵向约100米长，拱顶覆土约9.1米。车站主体侧穿东侧家属楼，结构边缘距离家属楼水平净距约1.17m～4.91m。同时车站影响范围内周边地下管线较多，主要为雨水、污水、天然气、自来水。

2工程地质与水文地质情况

丰禾路站位于西二环与丰禾路十字南侧，地势南高北低，地面高程介于394.55～395.60m，属皂河Ⅰ级阶地。

拟建场地地层组成自上而下为：第四系全新统1-1杂填土、1-2素填土，2-1-1黄土状土（具湿陷性，为Ⅰ级非自重湿陷性黄土场地），2-2粉质黏土；上更新统2-5-2及2-5-3中砂，3-4粉质黏土，3-7-3中砂；中更新统4-4粉质黏土，4-7-3中砂。

其中车站主体小导洞拱顶埋深9.4m～10.2m，根据地勘报告和现场实际开挖核实，车站小导洞拱顶部位位于砂层中，为2-5-2层中砂（黄色，长石----石英质，含少量粉土，级配不良。湿，中密。该层与2-1层混层）力学性能见下表所示，厚度约为2.6m～3.9m，拱腰部位为2-2层粉质黏土、2-5-3层中砂。地下水位位于地下10.7m～13.10m，相应高程382.27-384.32m。

3施工过程中遇到的问题及处理措施

现场施工时，超前小导管注浆后开挖第一榀时，拱顶砂层凝结效果理想，拱顶砂层稳定。开挖第二榀时，在开挖过程中拱顶即出现局部掉块甚至较严重坍塌现象。针对以上现象展开了如下处理措施：

1）对掌子面进行了封闭，并埋设回喷管和注浆管，回喷管距离坍塌部位顶部30cm，按照方向不同埋设3根，注浆管埋设至坍塌部位顶部，按照方向不同埋设3根。

2）掌子面封闭完成后通过回喷管进行了回喷处理。

3）通过测量放线找到坍塌区域相对应的地面位置，对地面交通进行临时疏导（经放线确定坍塌正上方位于路缘石靠人行道侧）。

4）在坍塌的正上方采取人工探孔探测坍塌的空腔区域，探孔探至坍塌空腔后，采用混凝土砂浆进行了回灌处理，保证空腔回填密实。

5）在空腔回填完成并达到初凝时间后，洞内通过预先埋设的注浆管进行补浆处理。保证回灌混凝土砂浆收缩的缝隙填充密实。确保坍塌区域不留下隐患。

4小导洞注浆材料的探索

结合本工程现场情况和以往地铁暗挖施工注浆材料使用情况，原设计中的采用水泥浆和水泥水玻璃双液浆都不满足施工的需要，现场试验水泥浆配比为水泥:水=1:0.5～1:1（重量比），现场逐步增加浆液中水的用量； 现场试验水泥浆液配比为水泥:水=1:0.7～1:1（重量比），水玻璃波美度为20～30Be，水泥浆:水玻璃=1:0.5～1:1（体积比），现场逐步提高水玻璃在浆液中的占比，凝结时间逐渐加长。经本工程实践发现丰禾路站小导洞拱顶基本位于2-5-2中砂层，该层与2-1黄土层及2-2粉质黏土层混层，中砂层的天然重度均大于黄土层及粉质黏土层天然重度，中砂层密实度较高，孔隙率较低，且不同地层之间具有明显界限。现场采用水泥浆与水泥-水玻璃双液浆分别作为注浆材料注浆材料时，两种浆液在粉质黏土层与黄土层以及层间具有良好的劈裂效果，在中砂层中浆液基本不扩散，注浆效果很差，适当提高注浆压力后，只能加强黏土层与黄土层以及层间的注浆效果，浆液在中砂层仍无法扩散。开挖时拱顶范围内砂层固结效果不佳，拱顶很容易发生砂层坍塌现象，且由于注浆过程对层间空隙的劈裂效果，加剧了拱顶砂层的坍塌，无法保证施工安全。

经专家伦证后确定采用改性水玻璃化学浆液进行注浆。传统的改性水玻璃化学浆液以硫酸及水玻璃作为主要的原材料，目前市场上难以购得硫酸，且硫酸的贮存风险较大，遂采用磷酸代替硫酸作为改性水玻璃的原材料。

在进行施工时，通过控制磷酸浓度、水玻璃波美度、磷酸和水玻璃配比以及磷酸和水玻璃的配置，结合相似工程的经验，得出：磷酸（原始浓度为80％）的稀释程度为1:20，水玻璃稀释至波美度20Be，将稀释好的水玻璃缓慢倒入稀释好的磷酸中，边倒入边搅拌，当稀释磷酸与稀释水玻璃的体积比达到1:1时，搅拌桶中出现絮状物，注入试验砂堆后出现更明显的絮状物，加固效果较好。固结好的砂堆在8～10h后固结性明显减弱，呈松散状。同时发现该浆液在干砂层中有一定扩散作用，其浆液扩散半径浆可以达到18～20cm，液固结效果比较明显，在开挖支护过程中砂层的稳定性较好，但固结时间有限（约8～10h），只能保证注浆后第一榀开挖支护期间形成较好的超前支护效果，按照原设计使用3m长小导管，注浆后第一榀开挖支护完成（注浆完成约8h后）继续开挖，砂层固结效果明显减弱，原本固结的砂层重新变得松散，导致第二榀开挖时出现塌方现象。根据注浆浆液的对比试验，水泥浆或水泥水玻璃双液浆注浆材料，在干砂层中基本不扩散。采用改性水玻璃化学浆液在砂层中具有一定的扩散作用，且能达到固结的效果。

5小导洞超前小导管长度的探索

由于3m长小导管施工过程中对拱顶砂层的扰动较大，使得砂层更加松散。且小导管因外插角影响，导致3m长小导管后半段上挑高度过大，但注浆加固半径有限，无法形成有效的超前支护，受小导管施工对砂层的扰动和浆液扩散半径不足的共同影响，拱顶砂层注浆加固的效果本身有一定的减弱。现场施工时能保证第一榀格栅开挖、支护过程中砂层稳定，在第二榀和第三榀格栅开挖过程中砂层还是发生坍塌现象（超过化学浆液的固结时间后固结效果明显减弱），无法保证施工安全。

根据试验效果，现场对超前小导管长度进行调整，由原来3.0m调整为1.8m（保证小导管水平投影搭接长度不小于1m的规范要求），即每榀格栅均打设超前小导管，注浆浆液采用改性水玻璃化学浆液，充分利用注浆加固的有效时间及扩散半径，确保开挖支护在改性水玻璃化学浆液的固结时间有效范围内。试验结果显示开挖过程中砂层稳定情况良好，不易发生坍塌现象，能保证现场施工安全。

结论：

为保证砂层的固结稳定性，保证周边环境及现场施工安全，采用每一循环施做1.8m短导管，及时进行改性水玻璃浆液注浆加固，在固结有效时间内加固效果明显，稳定性好。采用短导管进行每一循环注浆后及时完成开挖支护作业，是减少砂层扰动比较好的控制措施。能保证周边环境和掌子面作业人员的安全。

参考文献：

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