下穿铁路暗挖隧道WSS无收缩全断面超前加固技术 下穿铁路暗挖隧道WSS无收缩全断面超前加固技术
李延华
（中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州 072750）
［摘要］环岛路道路工程II标主线暗挖隧道下穿高崎铁路货场、鹰厦线、联络II线等共计10股铁路，穿越的地层主要为砂质粘性土及全风化花岗岩，且地下水丰富，前期采用局部注浆和帷幕注浆，未能解决地下水问题，后采用WSS无收缩注浆对地层进行加固，能够很好解决地下水及地表沉降问题。
［关键词］暗挖隧道；地下水；地表沉降；WSS注浆加固
环岛路（鳌山路-高殿二号路段）工程是厦门本岛环岛路的重要组成部分。
本工程重难点为暗挖隧道下穿铁路股道多、范围大；隧道洞身穿越的地层主要为砂质粘性土及全风化花岗岩，且存在大量孤石，地下水丰富，水位较高，流动性好；铁路既有线施工标准高，沉降控制要求严格，施工中存在极高的安全风险。
1 地下水对岩层稳定性的影响
在实际施工过程中，由于施工的扰动，地下水与岩土发生相互作用，改变了岩土初始的三相结构，进而改变岩土的当前性质，也决定了之后岩土三相性质的变化趋势［1-2］。受地下水影响，围岩失去自稳能力，在施工过程中出现掉块、涌水、坍塌以及隧道拱顶沉降造成的初支严重破坏等现象，隧道施工进展缓慢。岩土与地下水的相互作用复杂，下面从三个方面分别进行阐述。
1.1 太沙基有效应力理论
此理论把岩土视为一种在固液两种状态下相对饱和的组成结构，在这种假定下能相对容易得出固态和液态两种组成成分在相互影响下所满足的客观规律，它是在工程界用以指导岩土施工的重要理论［1］。太沙基有效应力认为液体不承受压应力，完全不承受剪应力，在此基础上，可以把岩土中应力分为液相孔隙压力u和固相有效应力σ＇，用公式表述为σ=u+σ＇。由此理论分析可知，岩土的液体成分具有流动性，施工开始后，在施工荷载的作用下岩土的液态部分会发生流动，从而造成岩土整体稳定性的降低和应力强度的损失。
1.2 地下水运动规律
地下水的运动规律可以用式（1）来描述［2］：
其中，V——水的移动速度；
K——岩土的渗透系数；
i——水力梯度；
m—— 参数，综合反映了流速、地下水的流动方式和岩土三相特征；层流状态下m取1；紊流状态下m取1～2。
1.3 岩土的强度理论
目前应用最普遍的岩土强度理论是摩尔—库伦强度理论，其公式为
其中，t——岩土抗剪强度；
φ——岩土内摩擦角；
σ——剪切面法向应力；
c——黏土黏聚力。
由于剪切破坏是最常见的岩土破坏形式，所以以抗剪强度作为主要理论基础的摩尔-库伦理论已成为工程界最为重要的理论之一。
工程实践中应用以上三个重要理论时，应该做到统筹兼顾综合考虑。
根据以上理论基础，结合本项目实际地质情况，只有增加岩土的抗渗透力，确保抗剪强度，才能提高岩土稳定性，解决地下水及地表沉降问题，而解决这些问题的关键在于注浆方案的选择。
2 方案比选
前期的局部止水注浆和帷幕注浆施工，都未能解决地下水对隧道施工的影响。根据地下水对工程施工的影响分析，并结合太沙基理论，决定采用WSS注浆施工工艺，对隧道围岩进行加固。通过现场ZK1+783～ZK1+746段隧道施工实践，很好解决了地下水对于隧道开挖以及地表沉降带来的对行车安全的影响。图1、2可见前后变化。
图1 未采用WSS注浆（开裂流泥）
图2 采用WSS注浆（稳定无水）
3 WSS注浆工艺
3.1 注浆技术原理及特点
W S S是中文无收缩双液注浆的拼音缩写［3-6］。技术施工原理是采用二重管钻机钻孔至预定深度后，采用一台同步注浆机注浆。浆液有两种，即A液和B液（或C液），两种浆液通过二重管端头的浆液混合器充分混合。注浆时采用电子监控手段设施定向、定量、定压注浆，使岩土层的空隙或空隙间充满浆液并固化，以达到改变岩土层性状的目的。
根据不同工程的要求以及地层的特点，注浆前将预先特殊配制好的浆液分别盛于不同容器内。
浆液可分为悬浊型（有A液和C液组成，简称AC液）和溶液型（有A液和B液组成，简称AB液）两种。AB液强度较低，但止水效果好；AC液强度较高，加固效果好。为了达到止水加固的目的，采用AB液与AC液交互使用。
当采用WSS专用钻机将双壁钻杆钻至设计深度后（钻机的钻杆也是双重注浆管，到达指定位置后即可注浆，不存在塌孔、成孔难等技术问题），利用双液高压输送泵分别将浆液泵送至双壁钻杆内外环状间隙。当经过钻杆上方钻头处配置的双液混合器后，二者迅速均匀混合，在高压作用下，浆液扩散，渗透至周围砂土层，并在可控与可调的时间内定位、定向、定量与砂土层发生反应，产生凝胶作用，起到土砂体改良、止水固结地层、强化地质作用，从而达到注浆加固目的。同时根据注浆扩散范围，将注浆范围相互重叠，形成隧道周边止水帷幕，使之共同联合形成整体性的加固止水区域，保证隧道围岩安全稳定。
3.2 注浆工艺
3.2.1 孔位布置
暗挖隧道洞内径向WSS注浆加固：为上导断面注浆加固（钻机钻孔角度可调整水平及180°钻孔注浆）。在隧道开挖完成后的上导洞径向梅花型布设，间距为800～1200mm，外插角2°～5°，孔深4～6m；梅花型布置固结隧道开挖断面范围外1～8m的地层，达到土体改良、地质强化止水的作用。
技术参数：采用压力注浆处理，注浆压力为0.5～3.0MPa，确保土砂体固结强度不小于1.0MPa；钻孔孔径φ42，梅花形排布注浆孔，注浆孔按照单孔放射状注浆，水平单一注浆。上断面每循环孔位布置示意图见图3。
图3 上断面每循环孔位布置示意图
3.2.2 材料配比
WSS无收缩注浆属于安全性、高渗透性的注浆材料，团结硬化时间可根据实际工程需要进行调整［7-12］。WSS无收缩注浆液分为超高强度型CW-3A、高强度型CW-3B、普通型CW-3C三种类型。
（1）无收缩注浆液特点。
①团结硬化时间容易调整，设计硬化时间长的注浆液也具有很高强度。
②渗透性良好，特别是对微细砂层的渗透性优异。
③地层中有流动水的情况下具有很强的团结性能。
④浆液强度、硬化时间、渗透性能可根据现场实际需要任意调整。
⑤浆液不流失、团结后不收缩，硬化剂无毒，对地下水不会造成污染。
（2）标准浆液的性质见表1。
表1 标准浆液的性质
比重（20℃）黏度（cps.20℃）PH值A B A+B A B A+B A B A+B CW-3A 1.30 1.05 1.18 18.1 1.84.21.3 11.57.5 CW-3B 1.26 1.04 1.15 12.0 1.44.21.5 11.27.2 CW-3C 1.20 1.03 1.12 4.11.42.411.5 1.47.2
（3）无收缩注浆液标准配比见表2。
表2 注浆液标准配比
名称内容密度/（kg/L）体积/L质量/kg备注硅酸钠ρ=1.37220301.4 A液500L稀释剂ρ=1280280水泥ρ=1.3200200 C液H剂ρ=131.1831.18 C剂ρ=1.4510.3415 P剂ρ=12626稀释剂ρ=1232.48232.48 B液H剂ρ=169.869.8500L 500L
3.2.3 施工工艺
（1）施工工艺流程见图4。
（2）施工机械设备包括TXU—75A型钻机、ZBSB双液变量注浆泵、SJY—双层立体式搅机、旋转二重管、注浆液混合器等。
图4 施工工艺流程图
（3）注意事项。
①钻孔。
在断面位置选设钻机工作平台，安放于有利于按照预设方向进行注浆施工的位置。
采用TXU-75A型钻机双管单动回转钻机进行钻孔。钻机就位后，钻头对准孔位，同时钻机平面应调放平稳、水平，钻孔应与施放孔位一致；成孔后，由技术人员对孔深、孔位进行验收。
在预定的注浆位置处，在钻机动力扭矩带动下，利用钻具带动钻头进行钻孔。钻进时钻杆应与设计注浆孔保持一致，与设计偏差不应大于1.5%；并应准确地钻到设计要求的地层和设计深度。
当施工遇到不明障碍物时，马上停钻，待查明后方可继续作业，以免对地下管线造成破坏。
②提拔与冲洗高压管汇。
严格控制回抽幅度，每步不大于20cm，匀速回抽，注意钻机参数变化。
开始注浆时，根据地层情况采用小压力慢速注浆，当提升到特定土层时进行封孔。注浆利用浆液自身特性进行封孔，使浆液充分渗流入土层。严格控制注浆压力，同时密切关注压力表。当压力突然上升或从孔壁溢浆时，应立即停止注浆，查明原因后，采取调整注浆设计参数或移位等措施重新注浆。
在注浆施工过程中，可能因某原因而导致工程暂停，为此在进行施工时，搭接长度不小于20cm。单孔注浆满足设计注浆效果后，将钻具提升至地面，该孔的注浆即告结束。将拆卸的钻具逐节拆下，进行冲洗，以防浆液在高压管汇和钻杆内凝结堵塞影响下道工序的使用。
4 结束语
隧道ZK1+783～ZK1+746段采取WSS超前注浆措施后，土体孔隙得到强填充，水渗透作用减小，止水效果明显，围岩得到有效加固，开挖过程中围岩能够自稳，隧道收敛变形、拱顶及地表沉降能够有效控制在安全范围之内，确保铁路线行车安全。
环岛路下穿铁路暗挖隧道WSS无收缩全断面超前加固技术，提升了隧道施工及软弱富水地段施工综合技术水平，为后期施工和类似围岩条件下隧道暗挖积累了丰富的施工经验。
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Advancing reinforcement technique of WSS without shrinkage whole section undergroud excavated tunnel passing through railways
LI Yan-hua
［中图分类号］TU744
［文献标识码］B
［文章编号］1001-554X（2017）04-0091-04
DOI：10.14189/j.cnki.cm1981.2017.04.011
［收稿日期］2017-03-13
［通讯地址］李延华，河北省涿州市冠云路中铁十八局集团第一工程有限公司