粉質(zhì)黏土地層管幕+CRD法施工地表變形規(guī)律分析
——以鄭州地鐵3號線中州大道站出入口通道工程為例

李義華， 朱康康， 李明宇， *， 譚建兵， 張啟瑞， 王增輝

(1. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河 065000； 2. 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001)

0 引言

近年來，管幕法、CRD法施工技術(shù)伴隨著地下工程的大規(guī)模建設(shè)與發(fā)展得到了廣泛的應(yīng)用，但也因其施工過程中往往導(dǎo)致地表變形過大，從而引起諸多學(xué)者的關(guān)注。其中，現(xiàn)場試驗方面，潘偉強[1]對管幕群頂管頂進施工過程中的地面沉降情況進行了監(jiān)測，分析了前艙壓力、頂進速度等對地面沉降的影響；Xiao等[2]分析了小直徑管棚間距鋼格系統(tǒng)的作用及穩(wěn)定性機制，并提出了相關(guān)控制措施；Yang等[3]分析了地表沉降產(chǎn)生的原因，并修正了Peck公式進行沉降預(yù)測。模型試驗方面，王梅等[4]通過建立模型試驗，研究了密排管幕鋼管之間的相互作用和地表變形特征，并對Peck公式進行了修正；Xie等[5]進行了管幕箱涵模型的試驗設(shè)計和研究，試驗結(jié)果揭示了復(fù)合材料對環(huán)境的影響規(guī)律及開挖面破壞形態(tài)；李雪等[6]提出了一種鋼管連接的管幕結(jié)構(gòu)(NSTS)，通過試驗探究不同連接形式下管幕構(gòu)件的受力效果，確定了管幕構(gòu)件受力性能最好的連接方式，即螺栓+T型鋼板；畢湘利等[7-8]基于工程需求提出了一種新型的束合管幕工法，并對其進行了結(jié)構(gòu)受力試驗。理論解析方面，劉奕暉等[9]考慮地下水的滲流影響，在掌子面前方引入水頭分布擬合公式，提出了管幕箱涵開挖面穩(wěn)定性極限平衡法的理論分析模型，并通過有限元建模進行驗證；江勇濤等[10]基于隨機介質(zhì)理論和Mindlin解，建立單管頂進施工地表沉降計算方法，通過引入群管施工地表沉降修正函數(shù)，建立管幕群管施工地表沉降計算方法；韓現(xiàn)民等[11]采用理論計算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對管幕-結(jié)構(gòu)法構(gòu)件抗彎特性進行分析，得出對構(gòu)件承載力影響較大的因素是截面幾何特征，截面的抗彎承載力隨著管壁厚度的減小而減小。

目前，已有研究大多關(guān)注CRD法或管幕法單一工法施工對地表變形的影響和管幕結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，以及不同工法選型對隧道開挖過程中地表變形的控制效果，很少探究同一工程中多工法施作對地表變形的影響規(guī)律，尤其是在高靈敏性、低黏聚力的粉土或粉質(zhì)黏土地層中[12]。而實際上，管幕頂推、地表注漿和全斷面注漿這3種工法在隧道開挖過程中的確能夠有效控制地層變形，但在其施作過程中卻往往對地層變形也會產(chǎn)生較大影響，加之現(xiàn)有的數(shù)值模擬方法和理論計算方法仍無法通過建?；騾?shù)優(yōu)化更精準地模擬管幕頂推或注漿過程，尤其是無法精準分析漿液在土顆粒間的流動特性以及與土顆粒的相互作用。因此，就需要通過更多的實際工程案例分析，為多種工法實施過程的數(shù)值模擬與計算提供更多依據(jù)。

本文依托鄭州地鐵3號線中州大道站出入口通道工程，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析，捕捉管幕法+CRD法隧道工程中地表變形規(guī)律及其誘因，并重點對注漿加固效果給出合理的評價結(jié)果。

1 工程概況

鄭州地鐵3號線中州大道站出入口通道工程暗挖隧道長約21 m，隧道施工下穿2.6 m污水管線和鄭汴路，兩者之間最小凈距僅為1.74 m。隧道跨度為7.2 m、高5.67 m。隧道上覆土厚度為11.27 m。施工時為了提高土體強度，減小隧道開挖引起的地層損失，降低開挖面失穩(wěn)風(fēng)險，采用CRD法+管幕法的施工方案，并進行地表注漿加固+全斷面注漿加固。為了提高管幕整體剛度，通過鎖扣將各鋼管連接在一起。為了避免隧道開挖時拱底隆起，設(shè)置了管棚支護。為了防止踢腳、加強中隔墻穩(wěn)定性，在拱底角部和中隔墻交叉點位置分別設(shè)置了鎖腳錨桿。此外，為了截斷外部水源，防止開挖過程中掌子面和洞壁涌水或坍塌，在管幕的各鋼管鎖扣位置進行同步補漿。

1.1 工程地質(zhì)

根據(jù)巖土工程地質(zhì)勘察報告，隧道主要處于②33黏質(zhì)粉土、②22F淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②23F有機質(zhì)粉質(zhì)黏土中。暗挖段地質(zhì)剖面如圖1所示。土體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。暗挖段地下水位埋深在8.5 m左右，穩(wěn)定水位標(biāo)高在84.75 m左右，水位年變幅在2.0 m左右。地下水類型為潛水，主要賦存于30.0 m以上的粉土、粉質(zhì)黏土、砂土層中。

圖1 暗挖段地質(zhì)剖面圖Fig. 1 Geological profile of mined section

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physico-mechanical properties of soils

1.2 管幕+管棚結(jié)構(gòu)

管幕布置斷面如圖2所示。管幕由37根Q235熱軋無縫鋼套管組成，每段管節(jié)長2 m或3 m，鋼套管外徑402 mm，壁厚16 mm，兩側(cè)焊接設(shè)置L75 mm×50 mm×8 mm角鋼鎖扣，角鋼采用互相嵌套的形式，并在鎖扣間注漿填充。隧道拱底采用管棚支護，共計26根鋼管，管棚采用直徑為8 mm、壁厚為6 mm的熱軋無縫鋼管加工，間距300 mm。

圖2 管幕布置斷面圖Fig. 2 Pipe roof cross-section

1.3 施工步序

1.3.1 管幕施工

管幕施工時通過外套管與螺旋鉆桿之間的螺旋空間出土，一節(jié)管節(jié)頂入后焊接下一節(jié)管節(jié)，依次頂入土體。管幕構(gòu)件如圖3所示。管幕頂進分別從左右側(cè)底端同步開始，到拱頂中心附近結(jié)束，頂進順序如表2所示。鋼套管背部設(shè)有通長φ42 mm注漿管，當(dāng)單根鋼套管頂進完成后進行管幕間補充注漿。管幕施工全部結(jié)束后開始頂進管棚，管棚由右至左依次進行，最終形成閉合的支護體系。

(a) (b)圖3 管幕構(gòu)件Fig. 3 Photographs of pipe roof components

表2 管幕頂進順序Table 2 Working conditions

1.3.2 注漿加固設(shè)計

注漿加固主要有地面注漿和全斷面注漿2種方式。注漿孔位平面圖如圖4所示。在隧道兩側(cè)10 m范圍內(nèi)先進行地表注漿加固，注漿方式采用深孔小導(dǎo)管注漿，注漿孔間距為1.5 m和2 m。地表注漿沿隧道頂部管線兩側(cè)3 m范圍進行加固，主要采用水泥-水玻璃、水泥漿2種漿液施工。注漿方式采用前進式注漿，距離污水管頂1.5 m以下采用水泥-水玻璃雙液漿，污水管頂1.5 m以上采用水泥漿。隧道開挖前進行全斷面注漿加固，注漿范圍分為上半部分和下半部分，如圖5所示。注漿順序為先隧道兩側(cè)及中下部土體，后拱部加固。開挖洞口0～8 m段采用前進式分段注漿，8～21 m段采用PVC管注漿。注漿加固參數(shù)如表3所示。

圖4 注漿孔位平面圖(單位： mm)Fig. 4 Plane layout of grouting holes (unit: mm)

圖5 注漿斷面圖(單位： mm)Fig. 5 Grouting cross-section (unit: mm)

表3 注漿加固參數(shù)Table 3 Design parameters of grouting reinforcement

1.3.3 導(dǎo)洞開挖設(shè)計

注漿加固后進行CRD法開挖，開挖時進行初期支護。初期支護鋼架采用工22b型鋼，間距0.5 m，縱向連接筋采用直徑為25 mm的螺紋鋼筋，環(huán)向間距1 000 mm。隧道初期支護全環(huán)鋪設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)片，噴射混凝土強度等級為C25，噴射厚度為300 mm，網(wǎng)片規(guī)格為φ8@150 mm×150 mm。開挖順序為： 先開挖左上部導(dǎo)洞①—導(dǎo)洞①進洞6 m后開挖左下部導(dǎo)洞②—導(dǎo)洞②施工6 m后破除右上導(dǎo)洞③馬頭門—導(dǎo)洞③施工6 m后開挖右下部導(dǎo)洞④。CRD法開挖步序如圖6所示。各導(dǎo)洞開挖時，在拱底角部和中隔墻交叉點位置分別設(shè)置鎖腳錨桿。隧道開挖日期與對應(yīng)工況如表4所示。

此法是在顯微鏡下直接進行測定，方便快捷并且儀器損耗較小，但在一定的容積中微生物的個體數(shù)目包括死活細胞均被計算在內(nèi)，還有微小雜物也被計算在內(nèi)，這樣得出結(jié)果往往偏高，因此適用于對形態(tài)個體較大的菌體計數(shù)。

圖6 CRD法開挖步序Fig. 6 Procedures of excavation by CRD method

表4 隧道開挖日期與對應(yīng)工況(2020年)Table 4 Working conditions corresponding to excavation date (in 2020)

2 監(jiān)測方案

隧道施工全過程分別對管線和地表沉降進行監(jiān)測。地表及管線共設(shè)3個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面各設(shè)9個監(jiān)測點，測點布置如圖7所示。沉降監(jiān)測點采用鉆孔方式埋設(shè)，如圖8所示。污水管線測點采用直徑為32 mm的圓鋼埋設(shè)于管線頂部結(jié)構(gòu)上，圓鋼四周用測斜管套保護，底端采用混凝土與周邊土體固定。

圖7 測點布置圖(單位： m)Fig. 7 Layout of measuring points (unit: m)

圖8 地表沉降和污水掛線變形監(jiān)測布點(單位: mm)Fig. 8 Monitoring points layout for surface settlement and sewage line deformation (unit: mm)

拱頂沉降和凈空收斂變形均采用全站儀監(jiān)測，反射片分別設(shè)在拱頂和拱腰，每隔5 m設(shè)置1個監(jiān)測斷面，共計5個。

3 實測數(shù)據(jù)分析

3.1 管幕頂進階段

3.1.1 地表沉降分析

以監(jiān)測斷面3為例，管幕頂進各階段地表沉降變化曲線如圖9所示。地表累計沉降最大值對應(yīng)測點為3-6，其值為-126.48 mm，該點位于圖2中處。表2中各工況施工時地表沉降增幅分別為82.37、64.04、11.97、-36.75 mm，約占最大值的65.12%、50.66%、9.46%、-29.06%。其中，負值代表隆起，正值代表沉降。

圖9 管幕頂進各階段地表沉降變化曲線(監(jiān)測斷面3)Fig. 9 Variation curves of surface settlement at each stage of pipe roofing (monitoring section 3)

伴隨著管幕的施工，地表沉降影響范圍逐漸擴大。管幕施工結(jié)束后，地表累計沉降影響范圍約為24 m，相當(dāng)于3.3D(D為隧道開挖跨度)，地層損失率超過3.26%。初步分析認為地表沉降過大的原因為： 1)螺旋鉆機挖土所形成的洞圈與鋼套管之間的空隙是在單根管幕頂進完成后才進行注漿填充的，并且個別位置注漿時發(fā)生了堵管現(xiàn)象，導(dǎo)致延遲注漿和注漿效果差，是主導(dǎo)因素； 2)地表沉降增幅至一定值后，自來水管開始漏水(見圖10)，滲漏水造成土體流失，并使土中孔隙水壓力增大，土的抗剪強度降低，進一步引起地表沉降。當(dāng)管線發(fā)生滲漏后及時采用地表注漿加固，使地表迅速抬升，如圖9 (b)和圖9 (c)所示。

(a) (b)圖10 現(xiàn)場滲漏水照片F(xiàn)ig. 10 Photographs of water leakage

3.1.2 注漿效果分析

地表注漿加固大致分為3個階段，各階段注漿前后地表累計沉降變化情況如圖11所示。3次注漿分別使地面抬升約44.96、56.62、98.84 mm，共計200.42 mm，每次地表抬升量分別占總抬升量的22.43%、28.25%、49.32%。每次注漿結(jié)束后地表均會發(fā)生回落，分別為8.82、13.04、5.79 mm，共計27.65 mm，每次回落量占每次抬升量的19.62%、23.03%、5.86%，又分別占總抬升量的4.40%、6.50%、2.89%。

圖11 地表注漿加固前后地表抬升與回落對比分析圖(2020年)Fig. 11 Comparison of surface uplift and fall before and after surface grouting reinforcement (in 2020)

地表注漿加固后產(chǎn)生回落的原因為： 1)地表注漿加固往往以壓密注漿和滲透注漿為主，水泥漿液在高壓作用下滲入土體孔隙中填充孔隙并阻止孔隙壓縮，同時擠壓周圍土顆粒使得土體壓密，進而提高土的抗剪強度。但當(dāng)注漿壓力過大時，會使土的結(jié)構(gòu)發(fā)生劈裂，破壞原狀土的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致土的抗剪強度降低。這樣一來，當(dāng)外部注漿壓力撤出后，水泥漿液對周圍土顆粒的擠壓力也逐步消散，同時水泥漿液凝結(jié)硬化，加上受擾動土中超孔隙水壓力逐步消散，導(dǎo)致土體進一步固結(jié)壓縮，最終使地表出現(xiàn)回落。2)地表注漿加固并未對管線滲漏點進行完全封堵，個別點持續(xù)滲漏使地表進一步沉降。

式中：vH為抬升體積;vinj為注漿量。

注漿率變化曲線如圖12所示。文獻[12]的地表注漿加固過程中注漿率先減小后增大，最后基本穩(wěn)定在15.5%。其原因為：在軟土地層中，每次注漿間隔時間過長(約為2.5 d)，注漿初期上層土體受到壓縮，所耗能量較大，隨著注漿的進行，土體耗能減小，抬升效果明顯。文獻[15]中注漿率的經(jīng)驗取值范圍為5%～20%。本工程3次注漿率持續(xù)增大，注漿結(jié)束后注漿率約為9.37%。施工時每次注漿間隔時間短，單次注漿量大，在高壓注漿下地表快速抬升，但又因注漿加固范圍相對比較大，并且為豎向注漿，加固區(qū)內(nèi)單次注漿抬升體積遠小于注入漿液體積，致使注漿率比文獻[12]偏小。

圖12 注漿率變化曲線Fig. 12 Variation curves of grouting rate

3.2 全斷面注漿階段

全斷面注漿階段地表沉降變化曲線(監(jiān)測斷面3)如圖13所示。相比下半斷面水平注漿加固，上半斷面水平注漿加固使地表大幅度抬升，最大抬升量為53.27 mm，占注漿前地表累計沉降量的 45.95%，并且出現(xiàn)在監(jiān)測點3-5和監(jiān)測點3-6附近，最終導(dǎo)致地表開裂(見圖14)，按出現(xiàn)裂縫當(dāng)天累計注漿量來算，注漿率約為6.12%。初步分析認為： 1)下半斷面注漿過程中其上半斷面覆土和封閉管幕限制了土層變形； 2)下半斷面注漿漿液部分滲入上半斷面土層過程中，會使注漿壓力有所減小，同時使上半斷面土層擠密壓縮，從而不會造成地表產(chǎn)生過大隆起； 3)上半斷面注漿時，下半斷面土層經(jīng)注漿加固后，孔隙被填充或擠密，抗剪強度增加，進而使壓縮變形減小，加之上覆土厚度相比下半斷面注漿時要小，因此，相同注漿壓力下導(dǎo)致地面隆起。

圖13 全斷面注漿階段地表沉降變化曲線(監(jiān)測斷面3)(2020年)Fig. 13 Variation curves of surface settlement in full-face grouting stage (monitoring section 3) (in 2020)

(a) (b)圖14 持續(xù)注漿致使地面出現(xiàn)裂縫Fig. 14 Continued grouting causes cracks on ground

全斷面注漿階段地表累計沉降分布曲線(監(jiān)測斷面3)如圖15所示。由圖15可知，該斷面地表最大隆起量基本位于隧道軸線上方。全斷面注漿完成后，注漿壓力逐步消散，地層產(chǎn)生微量回落，回落量占總抬升量的 1.23%。全斷面注漿導(dǎo)致隧道軸線兩側(cè)約1.6D(D為隧道開挖跨度)范圍地表產(chǎn)生隆起。此外，上下斷面注漿加固的注漿率分別為 7.80%和 1.83%，介于劉繼強等[16]和丁振宇[17]的分析結(jié)果之間，接近于張成平等[18]給出的注漿率。

圖15 全斷面注漿階段地表累計沉降分布曲線(監(jiān)測斷面3)Fig. 15 Distribution curves of cumulative surface settlement in full-face grouting stage (monitoring section 3)

3.3 開挖初期支護與二次襯砌階段

圖16示出監(jiān)測斷面3中隧道軸線上方監(jiān)測點3-5的地表累計沉降時程曲線。初步分析認為： 1)導(dǎo)洞①開挖面距離監(jiān)測斷面3約為 6.7 m時開始對監(jiān)測斷面3隧道軸線上方地表產(chǎn)生影響。當(dāng)導(dǎo)洞①開挖面位于監(jiān)測斷面3下方時，監(jiān)測點3-5地表累計沉降增幅 1.48 mm，此時導(dǎo)洞②—④還未開始開挖。2)當(dāng)導(dǎo)洞②開挖面位于監(jiān)測斷面3下方時，監(jiān)測點3-5地表累計沉降增幅1.23 mm。此時，導(dǎo)洞①開挖面已超過監(jiān)測斷面3約6.5 m，導(dǎo)洞③和導(dǎo)洞④分別距離監(jiān)測斷面3約4 m和6.5 m。3)當(dāng)導(dǎo)洞③開挖面位于監(jiān)測斷面3下方時，監(jiān)測點3-5地表累計沉降增幅2.08 mm。此時，導(dǎo)洞①和導(dǎo)洞②開挖面分別超過監(jiān)測斷面3約8.5 m和4 m，導(dǎo)洞④距離監(jiān)測斷面3約4 m。4)當(dāng)導(dǎo)洞④開挖面位于監(jiān)測斷面3下方時，監(jiān)測點3-5地表累計沉降增幅4 mm。此時，導(dǎo)洞①—③開挖面分別超過監(jiān)測斷面3約8.5、8.5、5.5 m，導(dǎo)洞④超過監(jiān)測斷面3約8.5 m后，監(jiān)測點3-5地表累計沉降穩(wěn)定。隧道貫通后，二次襯砌開始施工，施工期間監(jiān)測點3-5地表累計沉降僅變化了1.74 mm。4個導(dǎo)洞開挖過程中，監(jiān)測點3-5地表累計沉降增幅分別占隧道貫通后該測點地表累計沉降量的13.33%、11.06%、18.71%、35.97%。

圖16 開挖初期支護與二次襯砌階段地表最大累計沉降量時程曲線(2020年)Fig. 16 Time-history curve of maximum cumulative surface settlement in primary support and secondary lining stage (in 2020)

根據(jù)上述分析，各導(dǎo)洞開挖面應(yīng)間隔約1h(h為隧道凈高)，疊加開挖擾動的影響最小，更有利于減小地表沉降。二次襯砌施工階段，地表沉降幾乎無變化。

3.4 施工全階段

圖17示出6個階段監(jiān)測斷面3的地表最大累計變形時程曲線。其中： 階段Ⅰ為管幕施工開始到地表注漿加固前，階段Ⅱ為地表注漿加固開始到注漿加固結(jié)束，階段Ⅲ為地表注漿加固結(jié)束到全斷面注漿階段開始，階段Ⅳ為全斷面注漿開始到全斷面注漿結(jié)束，階段Ⅴ為導(dǎo)洞①開挖到二次襯砌施工階段開始，階段Ⅵ為整個二次襯砌施工階段。各階段Si(i=Ⅰ—Ⅵ)地表最大累計沉降增幅分別為88.04、-221.45、10.80、-47.22、12.35、2.75 mm，Si/Smax(Smax為施工過程中的地表最大累計變形量)值分別占比約為51.93%、-130.62%、6.37%、27.85%、7.28%、1.62%。其中，負值代表隆起，正值代表沉降。

圖17 施工全過程地表最大累計變形時程曲線(監(jiān)測斷面3)(2020年)Fig. 17 Time-history curves of maximum cumulative surface settlement during entire tunnel construction process (monitoring section 3) (in 2020)

4 結(jié)論與建議

為了能準確詮釋管幕頂推、地表注漿、全斷面注漿及分區(qū)開挖各階段的地表沉降規(guī)律，依托鄭州地鐵3號線中州大道1號出入口暗挖隧道工程，對施工全過程地表監(jiān)測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)研究，并得到以下結(jié)論。

1)本工程進行了3次地表注漿加固，為了減小地表沉降，每次注漿地表抬升量分別占地表總抬升量的22.43%、28.25%、49.32%，而每次抬升后地表回落量分別占每次抬升量的19.62%、23.03%、5.86%，且粉質(zhì)黏土地層中隨著注漿量的增加，地表抬升量也會增大。實際中，注漿率達到了9.37%，導(dǎo)致地面抬升量過大。為此，建議根據(jù)地表沉降變化趨勢，適當(dāng)將注漿率降至6%為宜。

2)左側(cè)、右側(cè)、拱頂左側(cè)、拱頂右側(cè)管幕頂推過程中導(dǎo)致地表過大沉降，其影響范圍已達到3.3倍隧道跨度，并且地層損失率超出3%。分析認為，管幕頂推是導(dǎo)致地表沉降過大的主要原因，因此，設(shè)計時應(yīng)重點對其進行優(yōu)化分析，同時應(yīng)在管幕頂推過程中及時在鎖扣處注漿，必要時進行地表跟蹤注漿。

3)全斷面注漿導(dǎo)致地表過大隆起，其影響從隧道軸線向兩側(cè)擴展到1.6倍隧道跨度范圍。上下斷面注漿率達到了7.80%和1.83%。為此，建議此類工程中上半斷面注漿率應(yīng)根據(jù)地表沉降變化趨勢在本工程注漿率的基礎(chǔ)上適當(dāng)下調(diào)，下半斷面注漿率可以采用本工程建議值。

4)導(dǎo)洞①—④開挖所導(dǎo)致的地表沉降增幅分別占隧道貫通后地表累計沉降量的13.33%、11.06%、18.71%、35.97%。分析認為各導(dǎo)洞開挖間隔應(yīng)該保持在1倍隧道凈高以上。

5)從管幕頂推開始到二次襯砌施工結(jié)束，6個階段地表沉降增幅分別占最終累計沉降量的51.93%、-130.62%、6.37%、27.85%、7.28%、1.62%，進一步說明管幕頂推和注漿加固不當(dāng)會導(dǎo)致地表變形過大。為此，實際工程中應(yīng)對管幕頂推和注漿加固的施工過程進行動態(tài)管控。