軟流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層注漿加固試驗研究

楊樹才 楊 旭 程 曦 楊 軍

(1南京市地下鐵道工程建設(shè)指揮部，南京 210008)

(2東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 210096)

20世紀(jì)70年代初，國外開始將新奧法應(yīng)用于淺埋地層的研究［1-2］，到70年代末80年代初已基本形成了一套完整的技術(shù).但因國外勞力少、工資高，所以并未廣泛應(yīng)用于城市地鐵、市政工程設(shè)計與施工.20世紀(jì)80年代中期，我國借鑒國外成功經(jīng)驗及我國山嶺隧道硬巖新奧法施工經(jīng)驗，結(jié)合中國國情和地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，先后在大秦線軍都山鐵路隧道和北京地鐵首次應(yīng)用淺埋暗挖技術(shù)并獲得成功.淺埋暗挖法經(jīng)過十多年不斷改進(jìn)和完善，現(xiàn)已在城市地鐵、市政工程、城市熱力與電力管道、城市地下過街道、地下停車場等高水位和中硬巖層工程中推廣應(yīng)用，形成了一套完整的配套技術(shù)［1，3-5］，但在低水位和軟弱土層應(yīng)用此技術(shù)仍是空白.

南京地鐵珠江路站—鼓樓—玄武門站區(qū)間隧道修建在軟流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，因大斷面結(jié)構(gòu)需采用淺埋暗挖施工，該工法成功的關(guān)鍵是對軟流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層注漿改良［6-7］.本文通過室內(nèi)外試驗對注漿加固的可行性、注漿加固范圍、注漿加固原理、漿體材料和配比、注漿壓力、注漿量、注漿施工、注漿效果等進(jìn)行了分析和討論.

1 工程概況

本工程玄武門站至珠江路站區(qū)間隧道為施工難點所在.在珠江路站北端隧道穿過地層為軟流塑狀粉質(zhì)黏土，覆土厚度約9 m，區(qū)間上方有2棟7層和1棟4層建筑物及1條φ700 mm污水管.在玄武門站南端隧道穿過地層為軟流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，覆土厚度約8 m，該區(qū)間上方有2棟2層和3棟5層地面建筑物及1條φ900 mm污水管.

1.1 工程地質(zhì)

區(qū)間隧道穿越的地層為:②-2b3-4粉質(zhì)黏土-淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層厚4.8～12.2 m;②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土-粉質(zhì)黏土，層厚0.5～10.0 m;③-1-2b3-4粉質(zhì)黏土，層厚2.0～5.6 m;③-2-2b3-4粉質(zhì)黏土，層厚2.8～5.4m.地下水位在地下1.0～1.5 m處.

軟流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土土體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示.

表1 軟流塑地層物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 軟流塑地層暗挖隧道施工難點

軟流塑地層暗挖隧道施工難點:(1)圍巖自穩(wěn)能力極差，開挖后易產(chǎn)生坍方，嚴(yán)重時可能發(fā)生涌泥現(xiàn)象，使施工無法進(jìn)行.(2)地面沉降難以控制，在道路區(qū)過大沉降易引起路面開裂，甚至坍陷，影響交通安全;在管線和建筑物區(qū)，地面沉降過大易造成地下管線破壞和建筑物開裂，危及建筑物安全.

1.3 施工方案中加固土體的變形分析

經(jīng)過工程調(diào)研和論證，區(qū)間隧道施工采用全斷面或局部斷面注漿加固土層，輔助工法為大管棚加超前小導(dǎo)管注漿加固［8-11］，其加固施工步序為Ⅰ～Ⅶ，隧道施工步序為1～6(見圖1).

圖1 大管棚加小導(dǎo)管超前預(yù)注漿施工方法示意圖

應(yīng)用于軟流塑地層中的大管棚加超前小導(dǎo)管注漿加固，應(yīng)分析管棚間擠土而引起的地層損失(見圖2).

由圖2(a)可知，大管棚間中心間距為35 cm，管棚本身土柱的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管棚間的土體.該土體的變形量受控于開挖釋放應(yīng)力的大小或地層壓力的大小，其開挖后的應(yīng)力分布［11］可表示為

圖2 大管棚間的擠土原理圖

式中，Su為十字板抗剪強(qiáng)度;a為隧道的等效開挖半徑;r為以洞心為半徑的變量，則擠土體變形量S可表示為

式中，σi為對應(yīng)于σr時ri地層的初始地應(yīng)力，當(dāng)σi=σri時，擠土體變形結(jié)束.

因擠土體變形所產(chǎn)生的地層損失為

管棚徑向?qū)ν馏w的作用力σr可以形成土體的主壓應(yīng)力，當(dāng)大管棚的間距小到一定程度后，2根管棚間土的主壓應(yīng)力可以連成壓力拱，如圖2(b)所示.在2根大管棚之間加入小導(dǎo)管，通過超前注漿提高土體的強(qiáng)度和模量，可以減少擠土體的變形.

大管棚超前支護(hù)能夠提高地層的穩(wěn)定性，減少地面沉降;小導(dǎo)管注漿則用于補(bǔ)遺和加強(qiáng).長管全斷面一次注漿采用的是分段后退式注漿，其目的是加固開挖工作面輪廓線以內(nèi)的軟土，防止其發(fā)生洞體內(nèi)突泥.為了提高注漿加固效果，要選擇正確的注漿參數(shù)、探索注漿工藝和性能較優(yōu)的注漿材料;通過劈裂注漿的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場原位試驗，在第1個循環(huán)的注漿試驗段施工數(shù)據(jù)的分析指導(dǎo)下，完善注漿參數(shù)和工藝.

2 室內(nèi)試驗

2.1 試驗設(shè)計

為了選擇合適的漿材及配比，在6種不同水灰比的水泥品種中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水玻璃，對其3，7，14，28 d凈漿抗壓強(qiáng)度、初凝時間、流動性等進(jìn)行考核，同時對所選定的配比進(jìn)行固結(jié)體強(qiáng)度試驗.試驗不同配方的漿材對軟流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的固結(jié)性能，從中選出強(qiáng)度最高的配方.試驗采用的6種水泥品種為HC-T高強(qiáng)注漿材料、HC-T凝結(jié)時間可調(diào)灌漿材料、HC-P超細(xì)灌漿材料、HC-K超細(xì)灌漿材料、42.5號普通硅酸鹽水泥和32.5號普通硅酸鹽水泥;試樣尺寸為40 mm×40 mm×40 mm;考核指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度(28 d)、初凝時間和流動度.

試驗分3批進(jìn)行:第1批確認(rèn)水灰比、水泥品種、水玻璃影響范圍;第2批是在選定水泥品種的情況下，研究水灰比和水玻璃加量對指標(biāo)的影響;第3批是研究漿液與淤泥土結(jié)石體強(qiáng)度的影響因素.所有試驗均采用多指標(biāo)綜合平衡法分析試驗方案結(jié)果.

2.2 試驗方案1

根據(jù)水泥品種、水灰比、水玻璃量及水平個數(shù)，采用L6-3不等水平正交表.試驗方案1和試驗結(jié)果如表2所示.

表2 L 6-3試驗方案與試驗結(jié)果

由試驗方案1結(jié)果的極差計算可知:影響強(qiáng)度的主要因素為水灰比，水泥品種和外加劑(水玻璃)為次要因素;初凝時間和流動度影響因素需進(jìn)一步確認(rèn).

2.3 試驗方案2

因主要考察指標(biāo)為初凝時間，流動度、強(qiáng)度為次要指標(biāo)，為選擇合適漿材及配方，進(jìn)一步對初凝時間、流動度進(jìn)行試驗，試驗方案2及試驗結(jié)果如表3所示.

表3 L 4-3試驗方案與試驗結(jié)果

由試驗方案1和方案2結(jié)果的極差計算可知，影響初凝時間的因素依次為水泥品種、水灰比和水玻璃加量，較優(yōu)條件為HC-P超細(xì)水泥，其水灰比為0.6、水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%;影響流動度的因素依次為水玻璃量和水灰比，水泥品種影響很小，較優(yōu)條件為水玻璃量質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、水灰比1.0.

2.4 試驗方案3

通過室內(nèi)試驗方案1和方案2，初步選定所用漿材為HC-T超細(xì)水泥，水玻璃加量均控制在1%左右.調(diào)整水泥加量，以分析漿液與淤泥土結(jié)石體的強(qiáng)度及其影響.試驗材料配比表如表4所示;現(xiàn)場土樣的物理力學(xué)性能指標(biāo)如表5所示;試驗結(jié)果如表6和圖3所示.

表4 HC-T凝結(jié)時間可調(diào)注漿材料試驗數(shù)據(jù)

表5 土樣物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表6 水泥土試驗數(shù)據(jù)

由表6可知，水泥土的7 d抗壓強(qiáng)度最低也可以達(dá)到0.43 MPa，最高可以達(dá)到0.85 MPa;28 d強(qiáng)度則更高，達(dá)到1.48～3.75 MPa，完全可以滿足隧道開挖的需要.

由圖3(a)可知，隨著水泥量的增加，水泥土的強(qiáng)度也隨著增加.由圖3(b)可知，各個試樣的強(qiáng)度均隨著時間的增加而增加;各試樣的28 d強(qiáng)度是其3 d強(qiáng)度的3～5倍，說明增加水泥的加量能增加結(jié)石體的強(qiáng)度，特別是28 d齡期的強(qiáng)度.但是，增加水泥量有一定的范圍，在該范圍內(nèi)，能大幅度地提高結(jié)石體28 d的強(qiáng)度;超過這個范圍，增加水泥量，結(jié)石體28 d強(qiáng)度增長的幅度將降低.所以，水泥的加量有一最優(yōu)值，從試驗數(shù)據(jù)可知，該最優(yōu)值為15%.

圖3 強(qiáng)度曲線

3 現(xiàn)場試驗與工程實踐

3.1 試驗內(nèi)容與方案

現(xiàn)場試驗內(nèi)容與方案如表7所示.

表7 現(xiàn)場試驗內(nèi)容與方案

3.2 現(xiàn)場試驗與工程實踐結(jié)果

工程開挖后進(jìn)行目測觀察注漿加固范圍，開挖到止?jié){巖盤，量測加固體的直徑.從掌子面開挖效果看，劈裂注漿起到了加固土體的效果.漿脈分布明顯，注漿孔周圍有明顯的擠密漿體(見圖4)，工程實施結(jié)果如圖5所示.

圖4 注漿孔周圍擠密漿體塊

圖5 漿脈分布圖

4 結(jié)論

1)在高水位軟流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層采用淺埋暗挖法成功修建地鐵區(qū)間隧道是對該工法的拓展，對類似工程的建設(shè)具有指導(dǎo)和推廣意義.

2)采用大管棚加超前小導(dǎo)管注漿加固支護(hù)，掌子面全斷面或局部斷面注漿能有效加固軟流塑土層，防止隧道開挖時發(fā)生坍塌及洞內(nèi)涌泥現(xiàn)象，控制地面沉降變形.

3)軟流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層全斷面注漿選擇應(yīng)滿足強(qiáng)度、初凝時間、流動度條件的要求，即用HC-P超細(xì)灌漿材料，水灰比0.6，水玻璃加量1%～5%，其28 d強(qiáng)度15.2 MPa;初凝時間45 min;流動度20.0 cm..

4)該地層的非全斷面注漿，考慮到工期問題，采用初凝時間短的漿液配方;水泥品種為HC-T凝結(jié)時間可調(diào)灌漿材料，水灰比0.6，水玻璃加量1%～3%.此時28 d凈漿強(qiáng)度22.0 MPa(40 mm×40 mm×40 mm)，初凝時間18 min，流動度26.5 cm.

References)

［1］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2004.

［2］McGillivray R T.Design of grouting procedures to prevent ground subsidence over shallow tunnels［J］.Geotechnical Special Publication，2003(120Ⅱ):1557-1569.

［3］胡仕濤.高壓施噴注漿技術(shù)在隧道泥砂地層加固中的應(yīng)用［J］.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報，2011，24(1):10-13.

Hu Shitao.Application of high pressure jet grouting technology for mud and sand stratum strengthening in tunnel construction［J］.Journal of Shijiazhuang Tiedao University，2011，24(1):10-13.(in Chinese)

［4］王衛(wèi)軍，彭剛，黃俊.高應(yīng)力極軟破碎巖層基道高強(qiáng)度耦合支護(hù)技術(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報，2011，36(2):223-228.

Wang Weijun，Peng Gang，Huang Jun.Research on high-strength coupling support technology of high stress extremely soft rock roadway［J］.Journal of China Coal Society，2011，36(2):223-228.(in Chinese)

［5］逢鐵錚.全程注漿在隧道穿越即有建筑物中的試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29(12):3451-3458.

Pang Tiezheng.Experimental study of whole process grouting used in tunnel passing through existing structures［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29(12):3451-3458.(in Chinese)

［6］王杰.巖土注漿理論與工程實例［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

［7］黃強(qiáng)兵，彭建兵，樊紅衛(wèi)，等.西安地裂縫對地鐵隧道的危害及防治措施研究［J］.巖土工程學(xué)報，2009，31(5):781-788.

Huang Qiangbing，Peng Jianbing，F(xiàn)an Hongwei，et al.Metro tunnel hazards induced by active ground fissures in Xi'an and relevant control measures［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(5):781-788.(in Chinese)

［8］彭正勇.三重管施噴注漿技術(shù)在隧道圍巖加固中的應(yīng)用［J］.地下空間與工程學(xué)報，2010，6(6):1215-1225.

Peng Zhengyong.Application of triplex pipe jet grouting in tunnel wall rock reinforcement［J］.Chinese Journal o f Underground Space and Engineering，2010，6(6):1215-1225.(in Chinese)

［9］周梁，廖少明，史寧強(qiáng)，等.隧道軟弱下臥地基注漿加固試驗［J］.重慶交通大學(xué)報，2010，29(6):880-884.

Zhou Liang，Liao Shaoming，Shi Ningqiang，et al.In-situ test of grouting reinforcement for subway tunnel foundation in soft ground［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2010，29(6):880-884.(in Chinese)

［10］陳煒韜，王明年，張磊，等.預(yù)加固措施對隧道開挖穩(wěn)定性的影響研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(8):1640-1645.

Chen Weitao，Wang Mingnian，Zhang Lei，et al.Influence of pre-reinforcement measures on excavation stability of tunneling［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(8):1640-1645.(in Chinese)

［11］周順華，張先鋒，佘才高，等.南京地鐵軟流塑地層淺埋暗挖法施工技術(shù)的探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(3):526-531.

Zhou Shunhua，Zhang Xianfeng，She Caigao，et al.Study on excavation method under shallow overburden of soft-flow ground［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(3):526-531.(in Chinese)