淺埋暗挖隧道雙液注漿加固數(shù)值模擬分析

呂 緯， 吉小明

（廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006）

地下水的存在和活動是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素，含水砂層地質(zhì)中的淺埋暗挖隧道修建時極易發(fā)生破壞，有效的注漿加固技術(shù)能大大提高隧道圍巖的穩(wěn)定性。關(guān)于這方面的研究也越來越多，文獻［1］以廣州地鐵5號線珠江新城站－獵德站淺埋暗挖區(qū)間隧道地面高壓旋噴樁加固飽和動態(tài)含水砂層工程為例，對原設計雙重管高壓旋噴樁現(xiàn)場試驗與單管、雙重管和三重管改進高壓旋噴樁現(xiàn)場試驗成樁質(zhì)量進行對比分析。文獻［2］通過對TSS型注漿管的研制，以及其在飽和含水砂層的應用，成功地解決了單向袖閥式小口徑注漿管工藝，大大地提高了工程進度，降低了造價。文獻［3］以北京“復－八”線地鐵施工資料為基礎，總結(jié)飽和土層因水而造成的砂土懸涌塌方事故情況，探討了北京陸相河流沖積扇地層懸涌塌方的機理。文獻［4］通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析凍土帷幕各種參數(shù)，指導隧道修復工作的進行，并考察了隧道修復工作對凍土帷幕溫度的影響。文獻［5］采用非線性有限元法對硬質(zhì)圍巖鐵路隧道進行了大斷面開挖－錨噴支護施工全過程分析，并分析了圍巖的位移變形、應力和塑性區(qū)分布等特征。國外的研究中，補償注漿技術(shù)［6］被成功運用于倫敦Jubilee線的續(xù)建工程。文獻［7］通過室內(nèi)試驗研究了不同漿液在砂層中進行滲透注漿的注漿效果。文獻［8］提出了水泥漿液在粒狀介質(zhì)懸浮流的理論模型，在模型中考慮了水泥漿滲入速度及粒狀體滲透性的變化，給出了一維情形下的解析解，并將其結(jié)果與室內(nèi)試驗結(jié)果進行了對比。本文結(jié)合廣州地鐵5號線珠江新城至獵德段項目，采用有限差分軟件FLAC 3D模擬不同的隧道加固情況（是否采用二重管無收縮雙液注漿）對地表沉降及變形的影響，以期為同類工程的設計和施工提供科學依據(jù)和技術(shù)指導。

1 工程概況及注漿方案

廣州地鐵5號線珠江新城至獵德區(qū)間隧道在大里程方向至獵德站約200m長隧道上方為不穩(wěn)定地層，拱部地層主要為沖積－洪積粉細、中粗砂層、硬塑狀黏性土、中密狀粉土、紅色砂巖類強風化帶，隧道下部主要為中風化帶砂巖和微風化帶砂巖。隧道上覆蓋土層距離透水砂層厚度小，砂層水量大且具有一定的承壓性，不利于隧道開挖。

區(qū)間隧道過砂層段地面條件較為復雜，砂層厚度為2～3m，含水量大，并受到動水的影響，砂層處理十分困難，左線ZDK16＋507～16＋530.3過砂層段局部地方砂層侵入拱頂，右線隧道里程YDK16＋480～YDK6＋530.3，砂層已進入拱頂最深處達1.5m，嚴重影響隧道初期支護的施工，需要對砂層進行加固處理。

根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況，注漿材料漿液采用AB、AC液雙液漿。注漿材料參數(shù)為：A液為40Bé水玻璃175kg；B液為Gs劑8.5kg，P劑4.5kg，DHP劑 6.7kg；C液為P.O.42.5水泥250kg，外加劑6.9kg。溶液由A、B液組成，懸濁液由A、C液組成。漿液種類為水泥－水玻璃雙液漿，水泥品號為P.O.42.5，原水玻璃型號為40Bé，水灰比為1.5∶1～2.0∶1，體積比為1∶1，注漿用水玻璃型號為30～35Bé。

根據(jù)已有的施工經(jīng)驗和隧道3臺階開挖的實際情況，結(jié)合隧道開挖時暴露的地質(zhì)及地下水情況，確定垂直方向加固范圍為拱頂上方3.0m，設計采用9排孔注漿，每排孔位環(huán)向間距為600mm，具體施工過程中可根據(jù)注漿情況進行調(diào)整。鉆機在同一位置以不同的角度、不同的深度進行鉆孔注漿。每循環(huán)注漿段長度為10m，開挖7m，留下3m作下一循環(huán)段注漿的止?jié){墻?？孜徊贾眉跋嚓P(guān)參數(shù)如圖1和圖2所示，WSS注漿孔位參考角度見表1所列。

注漿順序由兩側(cè)到中間，由下而上，如圖2所示。由于漿液的擴散情況不同，可根據(jù)現(xiàn)場實際地層情況調(diào)整注漿孔位，以達到更好的注漿效果。主要的注漿參數(shù)有：注漿壓力為0.5～2.0MPa，注漿終壓為2.0MPa，漿液擴散半徑為500mm，漿液初凝時間為10s～1min，注入率為40%左右，注漿管孔徑為Φ42mm。

注漿量根據(jù)注漿壓力或溢漿情況進行控制，若注漿壓力穩(wěn)定在2.0MPa、孔口返漿量較大、注漿壓力高于2.0MPa時注入困難，即可認為此孔注漿完成。每個循環(huán)注漿10m，開挖7m，留3m的止?jié){墻。

圖1 WSS注漿加固縱斷面

圖2 WSS注漿加固剖面圖

表1 WSS注漿孔位參考角度

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型及參數(shù)

根據(jù)不同的地質(zhì)條件及單元所在的地質(zhì)情況，賦予土層不同的材料參數(shù)。本文建模采用Mohr－Coulomb模型。首先，執(zhí)行滲流分析，將各節(jié)點的孔隙水壓力和水頭儲存起來；然后通過總水頭值計算各節(jié)點的水頭梯度值，將計算得到的滲流力作為節(jié)點力儲存起來；最后將滲流分析得到的滲透力作為力邊界條件施加到應力分析中。

建模時，為了減小模型邊界的效應影響，把計算模型的范圍設定為：上至隧道地表，下至隧道地面以下32.047m，水平方向至隧道兩側(cè)各33.22m。取隧道總長度為66m。位移邊界條件為：兩側(cè)限制水平位移，底面限制豎向位移，地表取為自由邊界，對二重管無收縮雙液注漿加固過的圍巖按采用提高參數(shù)值的方法進行模擬，計算模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示，土層材料參數(shù)見表2所列。

隧道開挖前，隧道所處的圍巖為飽和圍巖，滲流邊界條件在地下水處為自由邊界，左右兩側(cè)及底部邊界為不透水邊界，隧道開挖前圍巖孔隙水壓力為靜水壓力，水壓力場與深度成正比。隧道開挖施工后，地下水在隧道開挖輪廓的邊界上為自由透水邊界，圍巖的滲流場發(fā)生了改變。

圖3 計算模型及網(wǎng)格劃分

表2 土層材料參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)建立的模型，分有、無預加固（WSS加固）措施2種情況進行數(shù)值模擬，分別監(jiān)測各橫斷面的地表沉降和隧道圍巖塑性區(qū)，并進行比較。不同工況時各橫斷面拱頂最大沉降量見表3所列。

比較2種不同工況所引起同一橫斷面的沉降曲線，如圖4所示，從圖4可看出，隧道開挖過程中，不采用預加固和采用預加固在橫斷面所引起的地表最大沉降值分別為2.2cm和4.0cm，兩者相差近一倍；各工況引起的地表沉降規(guī)律基本相同，地表橫向影響范圍約為30m。有無預加固情況下圍巖豎向位移及圍巖狀態(tài)如圖5、圖6所示。從圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn)，采用二重管雙液注漿加固的圍巖塑性區(qū)明顯小于加固時圍巖塑性區(qū)。開挖面上一點的水平位移圖（z軸方向）如圖7所示，從圖7可以看出，隨著開挖的進行，采用預加固時開挖面的最大水平位移為2.7cm，不采用預加固時開挖面最大水平位移為3.5cm，這表明雖然效果不是很明顯，但 WSS預加固對開挖面的水平位移也能起到一定的抑制作用。

由于開挖后，實際進行初次支護的時間比模擬時有所推遲，會導致圍巖產(chǎn)生松弛效應，引起拱頂沉降增加，所以實測的沉降可能比模擬時有所增大，但可以判斷，采用二重管無收縮雙液注漿加固對含水砂層隧道地表沉降有很好的控制作用。

表3 不同工況時各橫斷面拱頂最大沉降量 mm

圖4 橫向地表沉降曲線

圖5 圍巖豎向位移

圖6 圍巖狀態(tài)

圖7 開挖面水平方向位移

3 結(jié)論

二重管無收縮雙液注漿技術(shù)（WSS）比其他類型地基處理方法在處理復雜地質(zhì)情況時適用性更強，可以滿足越來越復雜的工程地基處理要求，能有效地改變含水砂層圍巖的物理力學性質(zhì)，在隧道開挖面上部形成剛度較大和整體性較好的預支護結(jié)構(gòu)，對隧道圍巖塑性區(qū)和地表拱頂沉降都有著很好的控制作用，同時，也能在一定程度上減小開挖面水平方向的位移。而且，其漿液混合方式和注漿的方向性可隨時調(diào)節(jié)，注漿材料的凝膠時間可以從瞬結(jié)到緩結(jié)，配比可任意搭配，使用電子監(jiān)控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)定向、定量、定壓注漿施工，更有利于施工。

FLAC 3D的計算結(jié)果顯示，該數(shù)值分析方法分析邊坡的穩(wěn)定性時不需要事先指定破壞面的范圍，能自動找到多重破壞面，坡體的破壞按自然的方式發(fā)生，在此基礎上還可大致確定不穩(wěn)定區(qū)域及其運動趨勢，因此，在巖土工程分析中，較其他方法有更好的適用性。

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