广州地铁集团有限公司广州510330
摘要：花岗岩残积土具有遇水后迅速软化、崩解的工程特性，经常会给地下工程施工带来较大的困难。广州地铁某区间矿山法隧道段主要位于花岗岩残积土层范围内，通过采取WSS注浆工艺进行全断面深孔注浆取得了良好的加固和止水效果，有效地降低了隧道开挖的安全风险。该项施工技术为类似特殊地质条件下的矿山法隧道施工提供了宝贵的经验，在地铁和其它工程领域施工中具有较好的借鉴意义和广泛的应用前景。
关键词：花岗岩残积土；矿山法隧道；全断面注浆；WSS注浆工艺
1、工程概况
广州地铁某盾构区间隧道因部分线路下穿山岭段而调整为“矿山法+盾构空推法”施工，同时由于前期征地困难而不得不调整该段矿山法隧道施工竖井的场地位置。调整后的施工场地平坦且周边无重要构筑物及管线影响，而竖井位于区间右线隧道正上方，净空为5.6m×7.2m，埋深为27.42m，其围护结构采取“800mm厚地下连续墙+四道环框梁”的支护形式。但位置调整后施工竖井所处的地质条件较差，自上而下主要位于人工填土层<1-2>、可塑状残积土层<5Z-1>、硬塑状残积土层<5Z-2>、全风化花岗片麻岩层<6Z>以及强风化花岗片麻岩层<7Z>等。由于该段矿山法隧道区间地下水位埋深较浅，地层渗水性强，需在隧道开挖前对施工竖井沿小里程方向68m的矿山法隧道（隧道洞身主要位于<5Z>、<6Z>地层）进行注浆加固确保施工安全。
2、花岗岩残积土层的工程特性
花岗岩残积土是一种结构性很强的特殊土，具有不均匀性和各向异性、软化和崩解性、扰动性等工程特性；而且其抗水性能极差，遇水后吸水膨胀使得土体内产生不均匀应力以及胶结物溶解，进而迅速软化、崩解并导致其工程性能急剧变差[1，2]。矿山法隧道全断面注浆段主要位于花岗片麻岩风化残积土层以及全风化、强（土状）风化带地层范围内，主要为砂质黏性土，土质的均匀性差。在天然状态下具有较好的力学性质，但遇水会软化、崩解，强度急剧降低。此外，其具有颗粒组成“两头大，中间小”的特点，即颗粒成分中，粗颗粒（＞0.5mm）的组分及颗粒小的组分（＜0.005mm）的含量较多，而介于其中的颗粒成分则较少；这种独特的组分特征，使其既具有砂土的特征，亦具黏性土特征，同时也为小颗粒从大颗粒的孔隙中涌出提供可能性，当动水压力过大时，容易产生管涌、流土等渗透变形现象。
3、WSS全断面深孔注浆施工技术应用
3.1、注浆机理及注浆工艺选择
通常注浆加固改良土体的理论将注浆机理分为三种：渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆[3]。但是实际上，由于浆液在地层中往往以多种形式运动，而且这些运动形式随着地层的变化、浆液的性质和压力变化而相互转化或并存，例如在渗透注浆过程中存在劈裂现象，在劈裂注浆过程中存在渗透流动，在压密注浆过程中存在劈裂或渗透流动。针对广州地铁该区间矿山法隧道段，由于隧道洞身所穿越的花岗片麻岩原岩结构已完全风化破坏且裂隙发育，主要以粉黏粒为主，遇水易软化、坍塌造成工程性能急剧降低。因而在此种地质条件下隧道开挖前应进行全断面注浆加固，通过注浆能够把结构疏松的风化土层变得致密、均匀，从而有利于减少滑动面的产生；另外还可以使土体中一定量的空隙水排出，使固结度逐渐提高，抗剪强度逐渐增长；此外通过注浆增强土层的摩擦角，减小渗透系数，改变地层的性质，以确保隧道开挖时发生涌水涌砂或坍塌现象。
由于WSS注浆工艺（采用钻注一体后退式注浆）具有注浆系统设备简单（二重管钻机+双液注浆泵）、凝胶时间可以根据需要从瞬结到缓结自由调节、单孔加固范围大和经济性较好、对不同地层的适应能力极强能够有效保证钻进时的作业安全、注浆材料环对周边施工环境不会造成污染、注浆加固效果好且不易流失等优点，经综合比选后拟采用WSS注浆工艺进行全断面注浆加固。其注浆工艺流程如下图所示：
图2全断面注浆孔布置及注浆范围示意
3.2.3、注浆参数
（1）浆液配比选定
WSS注浆工艺主要采用AB液、AC液双液浆，其中A液为稀释后的水玻璃，B液主要成分为稀酸类并掺入一定量的外加剂，C液为水泥浆并掺入一定量的外加剂。注浆浆液的固结受到地下水流速、凝胶时间、灌浆量、注入速度等影响，但最大的影响因素是流速和凝胶时间。通过调节注浆浆液的配比可以根据需要有效地将凝胶时间从瞬结到缓结自由调节，最终确定的浆液配比为AB液中的水玻璃与稀酸类体积比为1：1，AC液中的水玻璃与水泥浆体积比为1：1，水泥浆液水灰比的水与水泥质量比为1：1，水玻璃的凝结时间一般选45S。实际注浆施工过程中可以根据进浆量和注浆压力变化及时调整浆液浓度，如果长时间注浆压力无变化且注浆量大，则可以适当调高AC液中的水玻璃含量以缩短凝结时间（调整至20S内）。
（2）注浆压力的选定及扩散范围
注浆浆液的扩散能力与注浆压力的大小密切相关，而注浆压力又与地层的密度、强度和初始应力等物理力学指标、地下水流速、浆液材料的凝胶时间等密切相关，难以准确计算和确定。由于目前国内在花岗片麻岩残积土及全风化土层采用WSS注浆工艺进行注浆加固的案例在较少，最终拟定的注浆压力为0.4Mpa～1.5Mpa，扩散范围为0.4m～2m。施工过程中必须严格控制注浆压力，同时密切关注注浆量，当压力突然上升或从孔壁、断面溢浆时，应立即停止注浆，查明原因后采取调整注浆参数或移位等措施重新注浆。
3.2.4、注浆施工流程
WSS工艺注浆的原理是利用钻注一体机在钻进到设计孔深时，通过钻杆和芯管分别压入不同的浆液，浆液在压出钻头后形成混合液，将土层颗粒间的水强迫挤出，使颗粒间的间隙充满浆液并使其固结，加固一段，后退一定距离后继续注浆，直至完全退出钻杆，最终达到改良土体和止水的目的。
现场根据要求完成放线并确定孔位后，钻机按指定位置就位并按照不同入射角度钻进，要求孔位偏差为±3cm，入射角度偏差不大于1°，每钻进一段，检查一段，及时纠偏，孔底位置应小于30cm。钻孔施工时要慢速运转，掌握地层对钻机的影响情况以确定在相应地层条件下的钻进参数。钻孔完成后进行注浆的过程中，当钻孔内存在压力水时先采用AB液注浆封堵，持续10min待钻杆外壁无流水溢出停止注AB液，而后再注AC液进行加固，注浆持续10min后注浆完成，移至下一个注浆孔位作业。钻孔和注浆顺序由外向内，同一圈孔间隔施工。而回抽钻杆时必须严格控制提升幅度，每步不大于15～20cm，匀速回抽，过程中严密关注注浆参数变化。
3.2.5注浆结束及注浆效果检查
随着注浆压力逐渐升高至设计终压并继续注浆10min以上，且注浆量不小于设计注浆量的80％时，就可以停止注浆。隧道开挖前应设置若干个检查孔钻芯取样对注浆效果及涌水情况进行检验，确认达到预期的加固地层及有效止水的注浆效果后才可以开挖。最终隧道开挖时发现掌子面无明显滴漏且土体稳定，并可清晰看见浆液充满土层缝隙，浆脉成带状分布且较为均匀、完整。
4、结束语
广州地铁该区间矿山法隧道通过采用WSS注浆工艺对花岗片麻岩风化土层进行全断面深孔注浆，注浆完成后发现围岩整体性较好，地下水涌出量大大降低，较好地达到了加固地层和有效止水的预期效果，确保了隧道开挖施工的安全。该项施工技术为类似特殊地质条件下的矿山法隧道施工提供了宝贵的经验，在地铁和其它工程领域施工中具有较好的借鉴意义和广泛的应用前景。
参考文献：
[1]戴继，高广运，王铁宏．花岗岩残积土的地区差异及对其工程特性的研究[J]，港工技术，2009，46（1）
[2]简文彬，陈文庆，郑登闲．花岗岩残积土的崩解试验研究[A]．中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集．2003
[3]贺佳佳．深孔注浆在城市地铁暗挖隧道施工中的应用[J]，城市建设理论研究（电子版）2015（2）
[4]柴聚奎，孟超．WSS工法注浆在城际铁路隧道中的应用[J]，铁路技术创新，2013（5）
作者简介：
莫崇杰（1984—），男，工学硕士，工程师，现主要从事地铁施工技术管理工作。