富水半砂半巖隧道下穿建筑物注漿技術數(shù)值模擬研究

賈 鋒

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，山東濟南 250001)

城市地鐵隧道所處環(huán)境特殊，施工中稍有不慎，就會造成巨大的人身和經(jīng)濟財產(chǎn)損失。因此，研究合理的施工工法對保證隧道建設過程的安全具有重要意義[1-2]。地鐵隧道施工方法的選擇主要依據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，并結(jié)合隧道斷面尺寸、長度、襯砌類型和施工技術水平等因素[3-4]，且應體現(xiàn)技術先進、經(jīng)濟合理及安全適用的原則[5-7]。

1 工程概況

1.1 工程背景

青島地鐵一期工程3號線萬年泉路站-李村站區(qū)間為兩條單洞單線馬蹄形隧道(見圖1)，隧道下穿7棟年代久遠的建筑物，隧道拱部穿越地層由巖層漸變?yōu)楦凰皩?見圖2)，含水量大，自穩(wěn)能力差，開挖易坍塌、突水，引起地表及建筑物的不均勻沉降，施工風險極大。

圖1 隧道下穿建筑物平面

1.2 水文地質(zhì)概況

地下水主要有兩種類型:一是松散土層孔隙水，二是基巖裂隙水。隧道主要穿越的粗砂層為褐-褐黃色，飽和，中密-密實，礦物成分以石英、長石為主，磨圓較好，含少量黏性土及碎石，局部夾黏性土透鏡體。

圖2 隧道下穿建筑物地質(zhì)剖面

2 工程措施

2.1 結(jié)構(gòu)支護措施

區(qū)間為單洞單線馬蹄形隧道，為初期支護厚300 mm、二襯厚300 mm的防水鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用φ76自進式管棚(長10 m)，環(huán)向間距為400 mm，超前小導管(φ42)長4 m，縱向間距為1 000 mm，格柵鋼架縱向間距為500 mm(見圖3)。

2.2 堵水措施

為減少地下水對施工的影響，在隧道洞內(nèi)采用二重管無收縮雙液注漿工藝(以下簡稱WSS注漿)對上半斷面砂層進行注漿止水加固[8-10]。注漿參數(shù)如表1所示。

(1)注漿范圍:開挖工作面及外擴5.0 m。

(2)注漿材料:硫鋁酸鹽水泥、水玻璃漿液；水玻璃模數(shù)m=2.4～3.4，濃度Be=30～40，水泥∶水玻璃=1∶1。

圖3 隧道支護斷面(單位：mm)

表1 WSS注漿漿液配比

(3)注漿長度:循環(huán)注漿長度為10 m，初始注漿段采用1.0 m厚噴射混凝土止?jié){墻，后序注漿段均預留4.0 m已注段作為止?jié){巖盤。

(4)注漿孔間距:初始注漿孔間距為0.2～0.4 m，保證孔的末端間距控制在1 m內(nèi)，單孔漿液擴散半徑為0.6 m。

(5)注漿壓力:建議控制在0.5～0.8 MPa。

(6)單孔注漿結(jié)束標準以定量定壓相結(jié)合的方式控制。定量標準:當注漿量達到設計注漿量的1.5～2倍，壓力仍然不上升，可采取速凝漿液等措施結(jié)束該孔注漿；定壓標準:注漿過程中，壓力逐漸上升，流量逐漸下降，當注漿壓力達到設計注漿壓力(0.8 MPa)，持續(xù)20 min，吸漿量很少或不吸漿時，可結(jié)束該孔注漿(結(jié)束標準為參考值，實際結(jié)束標準應通過現(xiàn)場試驗最后確定)。

(7)注漿效果檢查:注漿孔全部完成后，在工作面鉆3～5個檢查孔并取巖芯，觀察漿液填充情況(注漿加固后土體滲透系數(shù)不大于10-4cm/s，強度不小于0.4 MPa)。若注漿未達到預期效果，應進行補償注漿，以保證施工安全。

2.3 爆破控制

地層為上軟下硬，應采用弱爆或靜爆，以減小對注漿加固體和土層的擾動，爆破震速控制在1.0 cm/s以內(nèi)，并根據(jù)圍巖情況調(diào)整爆破參數(shù)，做到“少裝藥、短進尺、弱爆破、輕擾動”[11-14]。

2.4 后期沉降控制

開挖后應及時進行初支背后注漿，打設φ32徑向注漿管(長2 m)，環(huán)向及縱向間距為1.5 m×1.0 m，形成2 m厚的注漿加固圈，減小后期應力重分布引起的地層變形。

2.5 監(jiān)控量測

加強對隧道周圍及工作面滲水監(jiān)測以及初期支護的變形、凈空監(jiān)測，以保證施工安全[15-16]。

在洞外增設室內(nèi)監(jiān)測點，加強建筑物的傾斜、基礎不均勻沉降、地表沉降等監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對建筑物基礎采取進一步的處理措施。

3 數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D有限元軟件，對隧道下穿萬隆商廈的施工過程進行模擬(見圖4)，著重分析施工過程中不同注漿強度對圍巖應力分布和地面沉降的影響。該區(qū)域的地層物理力學參數(shù)如表2所示。

3.1 計算模型

圖4 泉李區(qū)間下穿萬隆商廈段隧道模型

表2 地層物理力學參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬方案

為了研究隧道施工過程中注漿強度對圍巖應力分布和地面沉降的影響，擬定的數(shù)值分析方案如表3所示[17-18]。其中，針對富水砂層，分為不注漿加固和注漿加固兩種方案，初始方案為開挖前不注漿(即注漿區(qū)參數(shù)為原地層參數(shù))，注漿加固方案分為加固方案1、加固方案2和加固方案3；注漿加固區(qū)中，黏聚力為地層原參數(shù)的2倍、3倍和5倍，彈性模量、泊松比和內(nèi)摩擦角按照經(jīng)驗調(diào)整[19-20]，密度均為2 100 kg/m3。

表3 加固區(qū)參數(shù)變化方案

施作初襯后圍巖變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，故不再模擬分析施作二襯對隧道圍巖應力分布和地面沉降的影響[21]。

3.3 結(jié)果分析

(1)不注漿方案結(jié)果分析

圖5 右線隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖6 左線隧道豎向位移云圖(單位：m)

由圖5～圖9可知，右線隧道上臺階開挖到12 m時，左線隧道才開始開挖。在這一階段，左線隧道地表沉降都接近于0，說明右線隧道開挖對左線隧道地表沉降基本沒有影響。隨著左、右線隧道的同時開挖，地表沉降顯著增大。左線隧道7個施工步的地表最大沉降值分別為:0.53 mm、0.85 mm、12.20 mm、16.19 mm、17.40 mm、17.81 mm、17.95 mm，右線隧道7個施工步的地表最大沉降值分別為:11.11 mm、14.98 mm、16.67 mm、17.34 mm、17.63 mm、17.80 mm、17.90 mm。由此可以看出，在隧道開挖過程中，地表最大沉降值的變化較小，但隨著開挖距離的增大，地表出現(xiàn)較大沉降的區(qū)域在不斷增多。曲線中出現(xiàn)的水平線段表示隧道的襯砌施工，這說明隧道的初襯施工中對地表的沉降影響很小。開挖過程中，地表和拱頂最大變形已經(jīng)超過安全限值，這是由于沒有超前注漿加固地層造成的。因此，在上軟下硬地層中進行隧道開挖，必須要進行必要的地層加固。此外，在下臺階開挖完畢后應當及時施作初襯，或者增加支撐，以防止襯砌結(jié)構(gòu)的變形和失穩(wěn)。

(2)加固方案1結(jié)果分析

圖7 地表三維沉降曲線

圖8 右線隧道各施工步地表沉降曲線

圖9 左線隧道各施工步地表沉降曲線

圖10 右線隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖11 左線隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖12 地表三維沉降曲線

圖13 右線隧道各施工步地表沉降曲線

由圖10～圖14可知，右線隧道上臺階開挖到12 m時，左線隧道開始開挖，在這一階段，左線隧道地表沉降都接近于0，說明在堅硬地層中進行隧道施工，先開挖隧道對后開挖隧道上方地表基本沒有影響。隨著左、右線隧道的同時開挖，地表沉降顯著增大。右線隧道7個施工步的地表最大沉降值分別為:3.82 mm、5.28 mm、6.05 mm、6.42 mm、6.58 mm、6.68 mm、6.73 mm；左線隧道7個施工步的地表最大沉降值分別為:0.21 mm、0.36 mm、4.30 mm、5.84 mm、6.43 mm、6.67 mm、6.75 mm。由此可以看出:在隧道開挖過程中，地表最大沉降值的變化較小，但隨著開挖距離的增大，地表出現(xiàn)較大沉降的區(qū)域在不斷增多(曲線中出現(xiàn)的水平線段表示隧道的襯砌施工，這說明隧道的初襯對地表的沉降影響很小)。此外，右線隧道開挖到12～18 m時，右線隧道的起始端地表沉降變化很小，說明隨著施工面的推進，距開挖面越遠，施工對其影響也越小。

(3)加固方案2結(jié)果分析

圖14 左線隧道各施工步地表沉降曲線

圖15 右線隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖16 左線隧道豎向位移云圖(單位：m)

由圖15～圖19可知，隨著左、右線隧道的同時開挖，地表沉降顯著增大。左線隧道7個施工步的地表最大沉降值分別為:0.20 mm、0.37 mm、1.37 mm、2.47 mm、3.28 mm、3.67 mm、3.81 mm，右線隧道7個施工步的地表最大沉降值分別為:1.88 mm、2.73 mm、3.22 mm、3.46 mm、3.57 mm、3.63 mm、3.66 mm。由此可以看出:在隧道開挖過程中，地表最大沉降值的變化較小，但隨著開挖距離的增大，地表出現(xiàn)較大沉降的區(qū)域在不斷增多，但總體上沉降量比較小(曲線中出現(xiàn)的水平線段表示隧道的襯砌施工，這說明隧道的初襯對地表的沉降影響很小)。此外右線隧道開挖到12～18 m時，右線隧道的開始端地表沉降變化很小，說明隨著施工面的推進，距開挖面越遠，施工對其影響越小。

圖17 地表三維沉降曲線

圖18 右線隧道各施工步地表沉降曲線

圖19 左線隧道各施工步地表沉降曲線

(4)加固方案3結(jié)果分析

由圖20～圖24可知，隨著左、右線隧道的同時開挖，地表沉降顯著增大。左線隧道7個施工步的地表最大沉降值分別為:0.06 mm、0.13 mm、1.14 mm、1.75 mm、2.03 mm、2.15 mm、2.19 mm，右線隧道7個施工步的地表最大沉降值分別為:0.99 mm、1.56 mm、1.87 mm、2.03 mm、2.11 mm、2.16 mm、2.18 mm。由此可以看出，在這種注漿量下開挖隧道，地表沉降值均非常小，但是會造成極大的資源浪費，且對注漿壓力的要求很高，很難實現(xiàn)，工程中一般不采用。

(5)數(shù)值模擬分析總結(jié)

通過對不注漿加固方案及其他3種不同超前注漿加固方案的對比，研究了不同注漿方案對隧道開挖過程中地層應力及變形情況的影響。著重分析了注漿區(qū)黏聚力和內(nèi)摩擦角兩個因素對加固效果的影響。

針對富水砂層，若隧道開挖前不進行超前注漿，隧道施工引起的拱頂和地表沉降較大，地層變形非常大，隧道將處于危險狀態(tài)。因此，在實際施工中必須要進行超前注漿，以保證隧道開挖的安全。

通過幾種加固方案的計算結(jié)果對比，提高注漿參數(shù)中的c、φ值，可以適當增加注漿區(qū)強度，但對于減小地表及建筑物沉降的效果并不顯著，還有可能造成地表及建筑物的隆起(見圖25)。

圖20 右線隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖21 左線隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖22 地表三維沉降曲線

圖23 右線隧道各施工步地表沉降曲線

圖24 左線隧道各施工步地表沉降曲線

圖25 各方案下拱頂和地表最大沉降值對比

4種注漿加固方案下，隧道應力變化曲線基本一致，但隨著注漿量的增加，應力值趨于平緩。因此，增加注漿量在一定范圍內(nèi)可以改善隧道的受力狀況，減小其應力的值，對圍巖和支護結(jié)構(gòu)有利。

4 結(jié)論

(1)區(qū)間隧道下穿萬隆商廈施工，采用暗挖法施工可行，針對富水砂層，采用WSS法注漿止水效果顯著。

(2)從計算結(jié)果看，注漿加固后，地層性質(zhì)得到改善，隧道開挖過程中地層沉降和建筑物變形均在控制標準以內(nèi)，施工安全能夠得到保證。

(3)不同注漿方案下，地表的最大沉降值出現(xiàn)的位置大致相同(均在右線隧道進深約6 m處隧道中心線上部地表)。最大拉應力出現(xiàn)在隧道洞口拱頂，最大壓應力出現(xiàn)在拱肩處。在實際施工監(jiān)測中，以上幾個位置應重點監(jiān)測。