淺埋暗挖隧道地層變形及超前注漿技術(shù)研究

楊培仕

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030000)

1 引言

淺埋暗挖法適應(yīng)于上覆土層較淺的地下空間暗挖施工，具有隧道結(jié)構(gòu)形式靈活，造價(jià)低，施工設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)地面建筑影響小，拆遷占地少等優(yōu)點(diǎn)。

淺埋暗挖隧道施工時(shí)不可避免地?cái)_動(dòng)地層，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致地下管線破裂等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，總結(jié)了淺埋暗挖隧道結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)[1-2]。白鵬程[3]以成都淺埋暗挖隧道為背景，給出隧道沉降控制方案。在注漿數(shù)值仿真方面，宋方佳[4]采用粒子流軟件對(duì)深孔注漿進(jìn)行深度分析，總結(jié)出深孔注漿的規(guī)律。岳洪武等[5]研究了管棚預(yù)注漿對(duì)淺埋暗挖隧道中軟弱碎巖的加固效果，結(jié)果表明，管棚注漿降低了52.7%的地表沉降。郭建峰[6]和康雪軍[7]等人通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，揭示了淺埋暗挖隧道的地層變化規(guī)律，提出應(yīng)對(duì)土層進(jìn)行注漿加固處理。張杰[8]對(duì)軟弱富水地區(qū)的淺埋暗挖隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了其地層變形的規(guī)律和支護(hù)效果。王國(guó)強(qiáng)[9]研究了淺埋暗挖隧道在特殊黃土地區(qū)注漿加固的機(jī)理。鄒金杰等[10]通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，利用淺埋暗挖工法對(duì)某塌方隧道進(jìn)行治理。王有旗[11]分析了下穿輕軌線的淺埋暗挖成套施工技術(shù)。

本文依托鄭州地鐵5號(hào)線文化路站～花園路站右區(qū)間 DK5+849.221～DK5+924.189，左區(qū)間DK5+850.085～DK5+924.189的淺埋暗挖隧道，結(jié)合隧道現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)和量測(cè)數(shù)據(jù)，分析淺埋暗挖隧道施工引起的地層變形及超前注漿施工技術(shù)措施，通過(guò)計(jì)算探究隧道施工變形風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和注漿效果，為淺埋暗挖隧道施工提供參考。

2 淺埋暗挖隧道施工注漿技術(shù)

2.1 工程簡(jiǎn)介

文化路站～花園路站是鄭州地鐵5號(hào)線的一個(gè)重要區(qū)間，該區(qū)間隧道采用淺埋暗挖法進(jìn)行施工。

文花暗挖段位于黃河路與花園路交叉口，里程范圍為:右DK5+849.221～右DK5+924.189，暗挖長(zhǎng)度為74.968 m；左DK5+850.085～左DK5+924.189，暗挖長(zhǎng)度74.104 m。區(qū)間暗挖開(kāi)挖跨度6.7 m，開(kāi)挖高度7.02 m，區(qū)間拱頂埋深8.8～9.7 m。區(qū)間暗挖隧道所經(jīng)范圍地表主要為市政道路(黃河路)，道路兩側(cè)建筑物地形總體較為平坦。

其所在地區(qū)的地貌是黃河沖積所形成的平原。在30 m深度以?xún)?nèi)，第四系全新統(tǒng)(Q4)地層是場(chǎng)地的主要部分，從表面起20 m深度以?xún)?nèi)，地層主要由粉土、黏土組成，并夾雜著粉砂和細(xì)砂。而20～30 m的主要地層由密度較高的細(xì)砂構(gòu)成。本區(qū)間隧道埋深變化較大，在9.0～21 m之間浮動(dòng)。穿越主要地層有②32D層細(xì)砂、②33層黏質(zhì)粉土、②33D層細(xì)砂、②34層黏質(zhì)粉土。

該區(qū)間段的地下水類(lèi)型主要為第四系松散層孔隙潛水。地下水位埋深在8.5 m左右，該含水層屬弱-強(qiáng)透水層，其地下水徑流由西、西南向東及東北徑流。

文花區(qū)間暗挖段隧道先施工右線，再施工左線，左線與右線開(kāi)挖隧道錯(cuò)開(kāi)15 m。左右線隧道開(kāi)挖按臺(tái)階法，先開(kāi)挖上部臺(tái)階，施作格柵拱架初期支護(hù)、噴射混凝土，開(kāi)挖過(guò)程中采用預(yù)留核心土法，拱腳部位施作鎖腳錨管，然后開(kāi)挖下臺(tái)階，施作格柵拱架初期支護(hù)、噴射混凝土。上臺(tái)階與下臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)8～10 m，上臺(tái)階及下臺(tái)階施工循環(huán)進(jìn)尺0.5 m。根據(jù)隧道初支變形情況及時(shí)施作仰拱、側(cè)墻及拱部二次襯砌。

2.2 淺埋暗挖隧道注漿技術(shù)

本項(xiàng)目淺埋暗挖隧道由于開(kāi)挖斷面內(nèi)地下水豐富，提前采用全斷面深孔注漿進(jìn)行外圍止水和洞身土體加固，采用高壓劈裂注漿施工工藝；隧道拱頂施工采用超前小導(dǎo)管注漿加固，施工范圍為拱部150°，布設(shè)單排超前小導(dǎo)管，保證暗挖隧道施工的安全。

2.2.1 深孔注漿

在該區(qū)間隧道深孔注漿加固范圍為初襯外輪廓向外2.5 m的全斷面。注漿孔采用500×500 mm間距布置，通過(guò)設(shè)置不同外插角確保注漿加固范圍；注漿采用后退式注漿工藝，分段注漿，每段深孔注漿縱向長(zhǎng)度12 m，開(kāi)挖10 m，段與段之間搭接2 m，下一段注漿前設(shè)置止?jié){墻。注漿孔直徑為89 mm，注漿管直徑為50 mm，注漿孔間距0.5 m。根據(jù)開(kāi)挖面前方的圍巖條件注漿壓力控制在0.3～1.0 MPa，并從里向外逐漸減壓，漿液擴(kuò)散范圍為1.0 m。在漿液完全擴(kuò)散凝固后，地層的強(qiáng)度處于0.6 MPa到0.8 MPa之間。并且滲透要滿足工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。注漿時(shí)必須按注漿參數(shù)進(jìn)行，以確保注漿效果。深孔注漿管橫斷面布置如圖1所示。

圖1 深孔注漿管橫斷面布置示意

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地層注漿試驗(yàn)確定漿液的成分和配合比，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果采用雙重管A、C化學(xué)漿液，即A液為稀釋后的水玻璃，C液由水泥加稀釋劑和添加劑組成。

在注入A、C漿液之前，必須對(duì)其進(jìn)行充分的攪拌，并且要確保組合漿液的凝固時(shí)間滿足現(xiàn)場(chǎng)的施工環(huán)境。其配比如表1所示。

表1 A、C雙液漿注漿材料配比

將A、C漿液分別注入注漿管的內(nèi)外管，混合位置在注漿管的端頭，利用濾網(wǎng)進(jìn)行水平噴射，每個(gè)噴口的間距保持0.3～0.5 m，以確保漿液能充分滲透至地層之中。在進(jìn)行階梯回抽噴射時(shí)，一般以10～20 cm為一區(qū)間。所有階梯噴射完畢后，實(shí)行封密。

2.2.2 超前小導(dǎo)管注漿

在該區(qū)間隧道超前小導(dǎo)管注漿施工范圍為隧道拱部150°，布設(shè)單排超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管為φ＝42 mm，厚度t＝3.5 mm，長(zhǎng)2.5 m的熱軋鋼管。小導(dǎo)管的管頭部分為圓錐形，長(zhǎng)度為10 cm，該設(shè)計(jì)能為注漿提供便利，在小導(dǎo)管尾部焊接鋼筋箍，直徑為6～8 mm。距小導(dǎo)管后端100 cm以?xún)?nèi)不設(shè)注漿孔，其余區(qū)域布設(shè)梅花形溢漿孔，間距為20 cm，直徑為8 mm。

注漿漿液及配合比須由現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各土層進(jìn)行注漿試驗(yàn)確定，注漿壓力范圍為0.5～1.5 MPa，并根據(jù)土層變化作相應(yīng)調(diào)整。注漿擴(kuò)散半徑不小于0.5 m，注漿材料為水泥、水玻璃雙液漿，體積比為1∶1。為防止?jié){液外漏，必要時(shí)可在孔口處設(shè)置止?jié){塞。注漿結(jié)束后，必須對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查，并對(duì)注漿的薄弱部位，重新補(bǔ)充注漿。圖2為超前小導(dǎo)管布置示意圖。

圖2 超前小導(dǎo)管布置示意

3 淺埋暗挖隧道施工注漿效果分析

淺埋暗挖隧道施工極為復(fù)雜，在有限元分析中通常將開(kāi)挖階段看作一個(gè)非連續(xù)的過(guò)程。采用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬隧道注漿效果。隧道開(kāi)挖期間，隧道上半部分采用超前小導(dǎo)管和深孔注漿結(jié)合加固做法，隧道下半部分采用深孔注漿加固。因此，數(shù)值模擬中也采用相同的注漿方案，在注漿結(jié)束且待圍巖穩(wěn)定后，再模擬隧洞的開(kāi)挖過(guò)程，并將注漿后的位移變形結(jié)果與未注漿的位移變形結(jié)果對(duì)比，合理分析注漿效果。

3.1 分析模型

本工程分析模型選取為實(shí)際工程的右線DK5+850～右線DK5+910段，暗挖長(zhǎng)度為60 m。隧道開(kāi)挖直徑取7 m，計(jì)算模型尺寸為60 m×20 m×30 m。土體選用8節(jié)點(diǎn)單元模擬，為降低計(jì)算耗時(shí)，網(wǎng)格為非均勻劃分，著重對(duì)開(kāi)挖面周?chē)M(jìn)行加密處理，以確保模型的精確性。襯砌與土體接觸采用面接觸。

邊界條件為:沿x軸方向約束x方向位移；沿z軸方向約束z方向位移；底邊為固定邊界。模型上表面施加50 kPa面荷載作用。有限元計(jì)算模型共生成1 918單元和2 680節(jié)點(diǎn)，其中沿垂直方向向上為y的正方向。

3.2 參數(shù)取值

采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則判斷塑性變形產(chǎn)生，土體的彈性模量采用經(jīng)驗(yàn)值為2～5倍壓縮模量，本文取試驗(yàn)土體壓縮模量的5倍[12]。詳細(xì)地層參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 地層參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果

為研究隧道橫斷面地表沉降規(guī)律，選取隧道右DK5+850～右DK5+910某斷面為計(jì)算對(duì)象，計(jì)算兩種工況下相應(yīng)斷面的地表沉降結(jié)果。

3.3.1 未注漿時(shí)豎向和水平位移

未注漿時(shí)隧道開(kāi)挖位移云圖如圖3所示。

圖3 未注漿時(shí)位移云圖

對(duì)于未注漿情況下，隧道拱頂最大沉降量為22.59 mm。在隧道開(kāi)挖完畢后，隧道拱底的最大隆起為40.00 mm，地表的沉降最大為17.35 mm。拱腰左側(cè)和右側(cè)基本一致，分別為21.07 mm、18.54 mm。

3.3.2 深孔注漿與小導(dǎo)管注漿后豎向和水平位移

深孔注漿與超前小導(dǎo)管注漿后隧道位移云圖如圖4所示。

圖4 注漿后位移云圖

對(duì)于已注漿情況下，隧道拱頂最大沉降量為16.65 mm。在隧道開(kāi)挖完以后，隧道拱底的最大隆起量為14.24 mm。拱腰左右側(cè)基本對(duì)稱(chēng)，左側(cè)最大位移和右側(cè)最大位移分別為10.18 mm、10.30 mm。

3.3.3 二種工況對(duì)比

由圖5可知，對(duì)于隧道開(kāi)挖后，深孔注漿和超前小導(dǎo)管注漿結(jié)合的注漿方式能有效降低拱腰兩側(cè)和拱底及拱頂?shù)淖冃瘟?，因此，?dāng)隧道施工位于強(qiáng)度低、壓縮性高、受壓易變形的地層時(shí)，可采用二者結(jié)合的注漿方案，將大大降低隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的變形，增加淺埋暗挖隧道施工的安全性。

圖5 拱部位移

4 施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果討論

由于拱頂下沉值和水平收斂值是判斷圍巖穩(wěn)定性的重要參考依據(jù)，選取GDC段的拱頂下沉值和JKJ段的水平收斂值與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比。

由圖6可知，數(shù)值模擬的結(jié)果比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)偏大，這可能是因?yàn)閿?shù)值計(jì)算地層參數(shù)采用的經(jīng)驗(yàn)值，未針對(duì)實(shí)際工程地層開(kāi)展試驗(yàn)確定。數(shù)值模擬計(jì)算可以作為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法的有利補(bǔ)充，對(duì)隧道施工安全提供依據(jù)。

圖6 實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬對(duì)比

圖6a中的JKJ段的4號(hào)測(cè)點(diǎn)和圖6b中的GDC段的5號(hào)測(cè)點(diǎn)均為當(dāng)前測(cè)段所有測(cè)點(diǎn)的最大位移值，其分別對(duì)應(yīng)著第3章數(shù)值計(jì)算的拱腰和拱頂。其拱腰左右側(cè)位移影響范圍為1.934 m，拱底位移影響范圍為3.334 m，拱頂影響范圍一直延伸至地表。在隧道施工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注重拱頂?shù)任灰谱兓畲蟮奈恢?，?duì)該區(qū)域增加注漿量或者后期進(jìn)行二次注漿的方法進(jìn)行再加固，保證隧道工程的安全進(jìn)行。

5 結(jié)論

(1)計(jì)算分析與監(jiān)測(cè)結(jié)果值較吻合，監(jiān)測(cè)結(jié)果變形總量小于數(shù)值分析值，可通過(guò)模擬結(jié)果預(yù)測(cè)圍巖變形，能為工程提供可靠的依據(jù)。

(2)深孔注漿與超前小導(dǎo)管注漿結(jié)合的注漿方案是非常有效的淺埋暗挖施工的加固措施，注漿加固效果優(yōu)秀，可在實(shí)際工程中采用。

(3)隧道施工過(guò)程中，拱腰兩側(cè)以及拱頂處的位移變化量最大，并且導(dǎo)致襯砌所對(duì)應(yīng)的地表處位移也最大。增加風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的注漿量，并且嚴(yán)格監(jiān)測(cè)其日后的沉降量是否超出規(guī)范，以確保施工的安全進(jìn)行。