軟弱砂層下的地鐵隧道穿越建筑物的加固技術及注漿控制效果分析

許 軍 張開順

(1.重慶工程職業(yè)技術學院建筑工程學院,402260,重慶; 2.中鐵十一局集團第五工程公司,400037,重慶∥第一作者，副教授)

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軟弱砂層下的地鐵隧道穿越建筑物的加固技術及注漿控制效果分析

許 軍1張開順2

(1.重慶工程職業(yè)技術學院建筑工程學院,402260,重慶; 2.中鐵十一局集團第五工程公司,400037,重慶∥第一作者，副教授)

地鐵隧道在富水軟弱砂層下穿越建筑物時,容易引起開挖面涌水突泥、圍巖滑塌失穩(wěn)以及建筑物不均勻沉陷等工程災害。以青島地鐵棗李區(qū)間隧道軟弱砂層帶下穿建筑物工程為例,提出了全斷面超前帷幕注漿、初支背后徑向注漿及洞內補償注漿聯合加固技術。通過數值計算考慮注漿膨脹作用,分析了隧道下穿施工過程的地表變形及建筑物穩(wěn)定性特性。研究表明:隧道在軟弱砂層中采用全斷面超前帷幕注漿會引起地表隆起現象,雙線隧道地表呈現M型隆起變形,后開挖隧道變形值較大;地表建筑物在注漿膨脹作用下表現出正曲率變形,后開挖隧道正上方建筑基礎最易發(fā)生破壞;穿越富水軟弱砂層時不能一味提升注漿壓力來提高地層剛度,應與現場監(jiān)測結合進行施工控制。

地鐵隧道； 軟弱砂層; 下穿建筑物; 注漿效果; 數值模擬

First-author′s address School of Architectural Engineering,Chongqing Institute of Engineering,402260,Chongqing,China

隨著我國軌道交通建設的蓬勃發(fā)展,地鐵隧道下穿建筑物的情況也愈發(fā)頻繁。尤其在富水軟弱砂層地質,受夾層孔隙率大、膠結性差、建筑物超載作用、含水層承壓性等因素的影響,容易引起隧道拱頂圍巖大變形,致使開挖面與富水軟弱夾層貫通形成滲水通道,造成掌子面涌水突泥、拱頂圍巖滑塌失穩(wěn)、地表建筑傾斜沉陷等工程災害[1-3]。因此,制定合理的加固技術與控制措施,對確保隧道施工安全及建筑物穩(wěn)定具有重要現實意義。

目前,關于富水軟弱地層隧道加固技術及施工穩(wěn)定性分析方面的研究已經取得了大量研究成果。張頂立等[4]依據軟弱夾層與掌子面圍巖的典型組合情況,建立了含軟弱夾層圍巖的力學模型,探討了含軟弱夾層圍巖變形破壞的形成演化過程。李術才等[5]建立單一平板優(yōu)勢劈裂注漿擴散模型,推導了考慮漿液流變特征的優(yōu)勢劈裂注漿擴散控制方程,發(fā)現注漿速率、注漿壓力及漿液黏度是影響注漿擴散的3個主控因素。李沿宗等[6]針對海底隧道軟弱破碎地層特點,從超前地質預報、注漿方案選擇、注漿材料、注漿參數、注漿工藝以及注漿效果檢驗等方面進行了分析,提出了軟弱破碎地層注漿加固堵水技術和總體對策。漆泰岳等[7]通過數值模擬和模型試驗對軟弱巖層大跨地鐵車站的開挖步序進行了工法優(yōu)化,確定了最優(yōu)工法和關鍵工序。周鑫[8]提出并分析了超前預加固方案為全環(huán)水平旋噴樁加固、拱墻大管棚超前支護、掌子面水平旋噴樁預加固的綜合加固技術。

上述研究成果對軟弱巖層隧道下穿建筑物支護加固及穩(wěn)定性控制具有重要指導作用,但很少涉及富水軟弱夾層隧道下穿建筑物的防控技術以及注漿控制效果分析。本文以青島地鐵富水軟弱砂層下穿建筑物為依托,提出了多種注漿加固技術,并著重分析了其注漿作用效果,為富水砂層隧道的支護優(yōu)化以及安全控制提供了技術指導和借鑒作用。

1 工程概況

青島地鐵2號線棗山路—李村站區(qū)間隧道起訖里程YSK47+251～YSK48+074,主要位于棗山路下方,在YSK47+885～YSK47+990下穿多棟6～7層住宅樓。該穿越段隧道埋深18.2～26.4 m,隧道拱頂上方2～5 m范圍含有一富水軟弱砂層。該軟弱夾層孔隙率大、膠結性差、剪切強度低,隧道開挖容易引起拱頂圍巖大變形,致使開挖面與富水軟弱夾層貫通形成滲水通道,造成掌子面涌水突泥、拱頂圍巖滑塌失穩(wěn)、地表建筑傾斜開裂等工程災害,是本工程的重大風險施工段。

本區(qū)間為馬蹄形斷面,跨度5.96 m,總高度6.43 m,拱頂距建筑物基礎底面垂直凈距11.2 m,兩隧道凈距8.6 m。隧道采用臺階法鉆爆施工,錨噴支護,復合襯砌暗挖結構。地層從上至下依次為雜填土、粉質黏土、礫砂層、強風化花崗巖下亞帶、花崗巖中風化帶,為青島地區(qū)典型的上土下巖地質特征,隧道施工對上部建筑影響較為劇烈。隧道下穿段地質情況及其相對位置如圖1所示。

圖1 隧道地層分布及與建筑物相對位置

以隧道下穿書院路4號院5號樓為研究對象,該建筑建于1991年,為6層鋼筋混凝土框架結構,該住宅樓樓板及陽臺板為預應力空心板,多存在順板裂縫。地表建筑老化嚴重,經鑒定為Bsu級危房,安全風險等級高,施工要求控制嚴格。

2 軟弱砂層下隧道施工的支護加固技術

本施工段隧道下穿建筑物的施工難點在于,隧道拱頂上方含有富水軟弱夾層帶,力學性質不穩(wěn)定,受施工荷載及爆破擾動易發(fā)生裂隙貫通及滑移失穩(wěn),且受上部建筑物超載作用,圍巖壓力較大,軟弱夾層中的地下水呈現一定承壓性,易引發(fā)掌子面涌水突泥災害。因此,制定合理的隧道下穿加固措施以確保隧道施工安全及建筑物穩(wěn)定至關重要。

結合本區(qū)間富水軟弱砂層地質特點,下穿段ZSK47+956～ZSK47+988采用了多種注漿加固技術。

2.1 全斷面超前帷幕預注漿加固技術

由于該施工段隧道拱頂上方2～5 m范圍為富水軟弱砂層,為確保拱頂圍巖穩(wěn)定,防止掌子面發(fā)生涌水涌砂事故,采取了后退式WSS(二重管無收縮注漿技術)超前帷幕注漿技術,注漿范圍為區(qū)間上斷面開挖輪廓線5 m范圍,其注漿加固如圖2所示。

圖2 全斷面帷幕注漿加固示意圖

2.2 初支背后徑向注漿堵漏

該下穿段爆破施工不可避免地對圍巖產生擾動,將導致拱頂上方富水砂層沿裂隙滲入隧道內部。為控制地表沉降及二襯防水質量,采取徑向注漿的方式堵水。

鉆孔注漿根據圖2所示預留錨桿孔進行,鉆孔直徑50 mm,孔深3 m,間距1.5 m×1.5 m，呈梅花形布置。注漿材料以超細水泥為主,水灰質量比為1∶1。超細水泥初凝時間較短,要注意控制注漿攪拌時間,盡量不超過10 min,以避免發(fā)生水泥水化反應,出現漿液稠度增大難以注入的現象。

2.3 洞內補償注漿

初支開挖完成后,針對區(qū)間上、下斷面交界處及初支仰拱部位等防水薄弱處,進行洞內補償注漿,以防止發(fā)生滲漏水情況。

補償注漿采用孔口管注漿,孔口管采用長度2.5 m、直徑50 mm的無縫鋼管,注漿材料為水泥-水玻璃雙液漿速凝材料,孔口管布置如圖3所示。

圖3 洞內補償注漿示意圖

為了分析上述加固技術對軟弱砂層隧道的變形控制效果及上部建筑物穩(wěn)定性影響,下面通過數值模擬進行下穿隧道注漿效果分析。

3 隧道下穿建筑物的注漿效果數值分析

3.1 建立計算模型

以棗山路—李村站區(qū)間隧道下穿建筑物段為研究對象,所建立模型尺寸為80 m×40 m×40 m。邊界條件為上邊界自由面,四周水平約束,底面豎向約束。

隧道圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性模型,上部建筑物采用6層的框架結構,梁、柱分別采用Beam(梁)與Pile(柱)結構單元,基礎與地基的接觸面采用Interface(界面)模擬,隧道初支采用shell(殼體)單元,二襯采用實體彈性單元,錨桿采用cable(繩索)單元,超前支護及帷幕注漿通過提高其加固區(qū)的力學參數來模擬。

建立三維計算模型如圖4所示。地層物理力學參數如表1所示。

圖4 數值計算模型

表1 模型物理力學參數表

3.2 注漿壓力膨脹效果分析

根據以往施工經驗及本區(qū)間現場監(jiān)測發(fā)現,在淺埋軟弱地層中采用全斷面帷幕注漿,若注漿壓力過大容易引起軟弱夾層裂隙貫通、地表隆起抬升、甚至地表頂裂、漿液噴涌等現象,因此注漿壓力的模擬是實現該下穿施工注漿效果仿真的關鍵。

為了準確模擬大體積超前注漿引起地層隆起以及對地表建筑物結構的影響程度,在數值模擬中需要考慮注漿體的膨脹效果。根據漆泰岳[9]的研究,通過在單元體施加應力的方式將注漿壓力傳導至地層中,改變地層的位移方向,從而實現注漿體膨脹作用引起的地表抬升隆起效果。

區(qū)間下穿建筑物段共18 m,按照現場開挖順序,先開挖左線后開挖右線,每次進尺1 m,進尺6 m后進行下臺階開挖,其下穿施工過程豎向位移情況如圖5所示。

從圖5中可以看出:①考慮超前帷幕注漿膨脹作用,地表將發(fā)生一定隆起現象。左側隧道開挖6 m時,地表隆起不明顯,在注漿膨脹應力施加后,地表向上輕微抬升。隨著開挖面推進,地表最大隆起速率出現在開挖面前上方,開挖18 m穿越建筑物后最大隆起值為9.4 mm。②右線隧道開挖的注漿作用將造成地表隆沉疊加增大。當開挖至6 m時,左、右線最大地表隆起值分別為9.7 mm和5.6 mm;當開挖至12 m時,左、右線最大隆起值為10.2 mm和9.3 mm；當開挖完18 m時,左、右線最大隆起值達14.1 mm和18.7 mm,注漿膨脹疊加效應顯著。右線各間距下變形增幅分別為27.3%、66.1%、101.1%。尤其當間距由6 m減到0 m時,地表隆起值提高了1倍多。這對建筑物基礎撓曲變形造成了嚴重不利影響。因此,兩隧道縱向施工間距應控制在6 m以上為宜。③由圖5 g)可知,左、右線地表隆起值隨穿越建筑物距離的增大而逐漸增大,右線隧道由于滯后于左線開挖,受左線隧道注漿膨脹疊加作用,其地表隆起值較大。④左、右線隧道地表變形模擬值與現場實測值表現出相似的變化趨勢,驗證了本文數值模擬的可靠性,其實測值略小于模擬值是由于模擬過程未考慮漿液凝固過程,致使注漿膨脹作用較顯著。

圖6是隧道穿越建筑物以后的地表變形曲線，從中可知：①在軟弱砂層中采用全斷面超前帷幕注漿會引起地表隆起現象,這是由于富水軟弱砂層孔隙率大、裂隙密布、膠結性差,在注漿壓力作用下容易引起地層膨脹抬升、地表隆起等現象。②在注漿膨脹作用下,雙線隧道上方地表呈現M型隆起變形,曲線兩極大值點對應左右線隧道軸線處,地層抬升范圍約為1倍隧道洞徑,即在1倍隧道洞徑范圍外表現為地層沉降。③后開挖隧道變形值較大,比先開挖隧道增大了31.7%,說明兩隧道注漿疊加擾動較大,因此縱向施工應保持一定間隔,以使先施工隧道注漿體凝固,加固區(qū)強度穩(wěn)定后再開挖另一側隧道。④隧道橫斷面地表變形模擬值與實測值具有較好的吻合度,驗證了注漿效果數值模擬的準確性,實測變形曲線較為平緩，這是由于注漿液在強風化巖體中具有良好的擴散作用,隧道圍巖變形相對平穩(wěn)。

圖6 隧道下穿建筑物后的地表豎向位移圖

3.3 建筑物變形分析

圖7為隧道開挖后的建筑結構變形情況。從圖中可以看出:①隧道超前帷幕注漿過量將引起地表呈M型隆起,進而引起建筑物基礎及框架結構撓曲變形,具體表現為由建筑物外側向中間彎曲的正曲率變形損害。②建筑物基礎發(fā)生撓曲變形,相鄰基礎的最大差異沉降為2.1 mm,傾斜率為0.42‰,符合GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》規(guī)定的建筑柱基沉降差3 mm及傾斜率1‰的允許值,說明該注漿加固技術能夠保證建筑結構的安全性。③在穿越過程中,對地表建筑物巡視監(jiān)測發(fā)現,其墻體上出現多條裂縫,裂縫主要分布在右線隧道上方,這是由于右線隧道位于建筑物正下方且后開挖,建筑物受隧道施工疊加擾動顯著,其破壞形式驗證了圖6中所得右線地層隆起較大的計算結果。

上述數值模擬及現場監(jiān)測表明,采用全斷面超前帷幕注漿、初支背后徑向注漿以及洞內補償注漿聯合加固技術,隧道掌子面滲水量較少,拱頂圍巖及地表建筑物維持穩(wěn)定,雖引起了一定的地層抬升現象,但地表隆起值及建筑物基礎變形值均符合規(guī)范要求,說明該加固技術能夠有效防止隧道開挖面與隧道上方富水軟弱砂層的滲水貫通,取得了良好的加固控制效果。

圖7 注漿引起建筑物變形情況

4 結語

(1) 地鐵隧道在富水軟弱砂層下穿越建筑物時,軟弱砂層受開挖面施工荷載及爆破擾動極易發(fā)生裂隙貫通及滑移失穩(wěn)現象。制定合理的加固技術與注漿控制對確保隧道施工安全及建筑物穩(wěn)定至關重要。

(2) 針對富水軟弱砂層力學性質不穩(wěn)定、建筑物超載作用、含水層承壓性等特點,提出了全斷面超前帷幕注漿、初支背后徑向注漿以及洞內補償注漿聯合加固技術。

(3) 全斷面超前帷幕注漿能夠顯著改善掌子面前方的地質特性，但注漿壓力過大,將引起地表持續(xù)隆起現象,雙線隧道上方地表呈現M型隆起變形,地表建筑物隨之出現正曲率變形;后開挖隧道引起的地層及基礎變形較大。為此兩隧道縱向間距應控制在6 m以上為宜。

(4) 隧道穿越富水軟弱砂層時不能一味提升注漿壓力來提高地層剛度。為動態(tài)控制超前注漿加固效果,應將現場監(jiān)測與施工控制結合進行,實時分析反饋指導施工。

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蘇州軌道交通4號線及支線正式開通試運營

本刊訊 蘇州軌道交通4號線于2017年4月15日開通試運營。至此，蘇州市軌道交通運營里程達到121 km，車站數量達到97個，換乘站數量增加到5個，軌道交通網絡化體系得到進一步加強。該線南北走向，是蘇州城市發(fā)展的一條骨干線路。4號線主線全長42 km，北起相城區(qū)龍道浜站，南至吳江區(qū)同里站。4號線支線全長10.8 km，北起吳中區(qū)紅莊站，南至吳中區(qū)木里站。主線共設站31座，支線共設站7座，全線地下鋪設。線路途經相城區(qū)活力島、蘇州火車站、北寺塔、觀前商圈、南門商圈、吳江汽車站等重要地區(qū)，終點站可與規(guī)劃中的蘇嘉城際鐵路實現換乘。

Reinforcement Technology and Grouting Control for Metro Tunnel Crossing Buildings under Soft Sand Layer

XU Jun, ZHANG Kaishun

When a metro tunnel crosses through buildings in rich water and soft sand layer,the engineering diseases are prone to occur, like mud outburst, water gushing in tunnel face, sliding instability of surrounding rocks and uneven settlement of buildings, etc. Based on the engineering practice of Qingdao metro Zaoli Tunnel that crosses buildings under soft sand layer, the construction control measures of full-face curtain grouting,radial grouting after primary supporting and compensation grouting are put forward. The stability of buildings and surface deformation characteristics have been researched by numerical simulation with consideration of the grouting expansion effect.The results show that surface uplift is caused by using full-face curtain grouting in soft sand layer, the double line tunnel presents “M” type surface uplift deformation,and the deformation of tunnel of later excavation is bigger.The surface buildings influenced by grouting expansion show positive curvature deformation, and building foundation is easily destroyed above the tunnel of later excavation.In the process of crossing through rich water and soft sand layer, the method of ascending grouting pressure to improve the ground stiffness could not be adopted blindly, and field monitoring should be insisted for construction control.

metro tunnel; soft sand layer; crossing under buildings; grouting effect; numerical simulation

U 456.3+3

10.16037/j.1007-869x.2017.05.027

2015-12-08)