基于注漿加固技術(shù)的山嶺隧道沉降控制研究

摘要：以深圳某淺埋暗挖山嶺隧道為工程背景，為降低隧道施工對(duì)上部地層的擾動(dòng)，提出一種結(jié)合常規(guī)注漿和劈裂注漿的二次注漿加固技術(shù)。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)明確不同漿液配比下的材料性能差異，并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)?；跀?shù)據(jù)庫(kù)，利用隨機(jī)森林模型構(gòu)建材料性能預(yù)測(cè)模型，以便在實(shí)際施工時(shí)及時(shí)進(jìn)行漿液配比的調(diào)整。采用鋼花管先進(jìn)行常規(guī)注漿，達(dá)到初步加固土體的效果后施加壓力，利用劈裂注漿技術(shù)再次對(duì)土體進(jìn)行加固，以達(dá)到進(jìn)一步提高土體承載力的效果。通過(guò)在隧道拱頂布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隧道拱頂沉降數(shù)值較小，表明本文提出的二次注漿加固技術(shù)可以有效加固隧道上方的土體，降低隧道坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：山嶺隧道；土體沉降；性能預(yù)測(cè)；劈裂注漿；加固技術(shù)

0" "引言

隨著公路鐵路工程不斷發(fā)展，在施工過(guò)程中不可避免會(huì)穿越既有山嶺地區(qū)[1-2]。山嶺地區(qū)土體的地質(zhì)特征復(fù)雜多變，包括不均勻性、水文條件、巖土層分布等[3]。在隧道開(kāi)挖易造成周?chē)馏w的應(yīng)力釋放，可能會(huì)引起隧道坍塌[4-6]。因此在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，需要采取加固措施來(lái)保證隧道的穩(wěn)定。

注漿是最常用的土體加固措施，其操作簡(jiǎn)便、造價(jià)較低[7]。目前，普遍采用的方法是設(shè)置豎井灌漿的方式來(lái)加固隧道上方土體[8-10]。但這種方法雖然在一定程度上能夠解決隧道上方土體加固的問(wèn)題，但也存在一些不足之處。比如：豎井灌漿需要耗費(fèi)大量的人力和物力；豎井灌漿的效果并不穩(wěn)定，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)灌漿不充分或漿液外滲情況，影響加固效果[11]。

劈裂注漿作為一種地基加固技術(shù)，其核心是在土體或巖石中通過(guò)施加高壓力注入漿液，以創(chuàng)造或拓寬裂隙，并在裂縫中填充漿料，以此提高土體的密實(shí)度、強(qiáng)度和承載能力[12-14]?？紤]到工程環(huán)境的復(fù)雜性，實(shí)際施工時(shí)經(jīng)常需要改變漿液的配比以確保不同的性能，因此需要補(bǔ)充更多的實(shí)驗(yàn)確定漿液性能是否能滿(mǎn)足工程要求，這樣不但會(huì)增加工程費(fèi)用，還會(huì)拖延現(xiàn)有的施工進(jìn)度。

基于此，本文以深圳某暗挖隧道為工程背景，提出結(jié)合常規(guī)注漿和劈裂注漿的二次注漿加固技術(shù)和基于隨機(jī)森林方法的漿液性能預(yù)測(cè)技術(shù)。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)明確不同漿液配比下的材料性能差異，并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)?；跀?shù)據(jù)庫(kù)，利用隨機(jī)森林模型構(gòu)建材料性能預(yù)測(cè)模型，以便實(shí)際施工時(shí)及時(shí)進(jìn)行漿液配比的調(diào)整。在實(shí)際施工時(shí)，結(jié)合常規(guī)注漿和劈裂注漿技術(shù)，對(duì)地層進(jìn)行加固。在實(shí)際注漿過(guò)程中，及時(shí)根據(jù)工程需要對(duì)漿液配比進(jìn)行調(diào)整，待注漿完成，土體達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度即可開(kāi)始隧道開(kāi)挖。

1" "工程概況

本文以深圳某暗挖隧道為工程背景，該工程起始里程K55+135.2～K59+300，路線長(zhǎng)度4.165km。隧道埋深淺，頂部采用黏性土回填，洞口仰拱位置屬于強(qiáng)風(fēng)化層，地基承載力較低，且隧道跨度大，出口K56+896～K56+950范圍采用鋼花管進(jìn)行洞頂?shù)乇碜{加固，共計(jì)715根鋼花管。根據(jù)工程勘察報(bào)告，隧道周邊圍巖節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎，且隧道入口段滑塌體分布較多，圍巖級(jí)別及穩(wěn)定性影響較大。根據(jù)鉆孔結(jié)果，明挖隧址區(qū)地層巖性為坡殘積粉質(zhì)黏土、沖洪積粉質(zhì)黏土、侏羅系砂巖及其風(fēng)化層；暗挖隧址區(qū)地層巖性為坡殘積粉質(zhì)黏土、侏羅系砂巖及其風(fēng)化層。

2" "室內(nèi)試驗(yàn)

本工程選取的實(shí)驗(yàn)材料是硅酸鹽水泥，水灰比的比例為0.6：1、0.8：1、1：1、1.2：1、1.4：1和1.6：1。為提高水泥漿液的密實(shí)度和耐久性，在水泥漿液中加入不同波美度的水玻璃，分別為30°Bé、35°Bé、40°Bé和45°Bé。在實(shí)驗(yàn)中主要研究漿液的流動(dòng)性和強(qiáng)度（第28d）兩個(gè)指標(biāo)。

2.1" "漿液流動(dòng)度

漿液的流動(dòng)度與波美度、水灰比的關(guān)系曲線如圖1所示。由圖1可以看出，當(dāng)水灰比保持不變時(shí)，漿液的流動(dòng)度隨著水玻璃波美度增大而降低。當(dāng)水玻璃波美度一定時(shí)，漿液的流動(dòng)度隨著水灰比的增大而提高?？紤]到山嶺隧道地質(zhì)的復(fù)雜性，需根據(jù)實(shí)際工程的需求不斷的調(diào)整漿液的配合比和波美度，以滿(mǎn)足工程流動(dòng)度的需求。

2.2" "無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與波美度、水灰比的關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)水灰比保持不變時(shí)，固結(jié)體的強(qiáng)度隨著水玻璃波美度增大而提高。當(dāng)水玻璃波美度一定時(shí)，漿液的流動(dòng)度隨著水灰比的增大而下降。

分析認(rèn)為，由于波美度的提高有利于水泥的水化反應(yīng)，提高了固結(jié)體的強(qiáng)度。而水灰比的增加，導(dǎo)致結(jié)石體的強(qiáng)度逐漸減小。因此在工程中，需要根據(jù)工程需求選擇合適的漿液配合比。

3" "基于隨機(jī)森林的漿液性能預(yù)測(cè)模型

3.1" "預(yù)測(cè)模型的作用

在工程施工中，由于地質(zhì)、天氣等不確定性因素可能會(huì)導(dǎo)致漿液性能的需求發(fā)生變化。此時(shí)可能需要增加更多實(shí)驗(yàn)來(lái)確定漿液的性能是否能滿(mǎn)足工程要求。這樣一方面會(huì)增加成本，另一方面室內(nèi)試驗(yàn)需要一定的周期，可能會(huì)耽誤工期。為此本節(jié)以第2小節(jié)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)集，通過(guò)隨機(jī)森林模型對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，不斷調(diào)整模型參數(shù)，使其性能達(dá)到最優(yōu)。這樣可在工程施工過(guò)程中，對(duì)不同配比下的漿液性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，有效避免重復(fù)實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題。

3.2" "隨機(jī)森林模型計(jì)算流程及特點(diǎn)

隨機(jī)森林模型是一種集成學(xué)習(xí)方法[15]，通過(guò)構(gòu)建多個(gè)決策樹(shù)并將預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行平均來(lái)提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。計(jì)算過(guò)程如圖3所示。

首先，從訓(xùn)練集中有放回地隨機(jī)抽取多個(gè)子樣本集，并在每個(gè)子樣本集中隨機(jī)選擇部分特征。然后，基于這些子樣本集和特征構(gòu)建多棵決策樹(shù)。每棵樹(shù)獨(dú)立地進(jìn)行訓(xùn)練，并可以完全生長(zhǎng)。最終，通過(guò)對(duì)所有決策樹(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果取平均值來(lái)得到預(yù)測(cè)結(jié)果，提高模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性，減少過(guò)擬合。該模型的優(yōu)點(diǎn)有4點(diǎn)：一是能夠處理數(shù)量較少的數(shù)據(jù)集且不易發(fā)生過(guò)擬合；二是能夠評(píng)估各特征的重要性；三是在分類(lèi)和回歸任務(wù)中都表現(xiàn)良好；四是對(duì)數(shù)據(jù)分布假設(shè)要求較低。

3.3" "預(yù)測(cè)結(jié)果

預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值對(duì)比如表1所示，從表1可以看出，無(wú)論是對(duì)流動(dòng)度，還是強(qiáng)度的預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值都較接近，誤差較小，表明隨機(jī)森林模型可以有效的進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4" "注漿工藝

4.1" "注漿方式

為有效的增強(qiáng)和穩(wěn)定周?chē)膸r土體，防止隧道塌陷，本工程采用常規(guī)注漿和劈裂注漿相結(jié)合的方式進(jìn)行加固。加固斷面和平面圖如圖4和5所示。

4.2" "注漿設(shè)施

注漿設(shè)施包含注漿器械和注漿漿液，注漿器械包括攪拌機(jī)、預(yù)制的鋼花管、潛孔鉆機(jī)等。

4.3" "注漿施工

4.3.1" "土方回填

清除施工范圍內(nèi)的樹(shù)木、垃圾和有機(jī)物殘?jiān)?，重新測(cè)量放樣回填區(qū)域坡腳線。進(jìn)行土料種類(lèi)和含水量的檢驗(yàn)，嚴(yán)格控制土方填筑厚度并進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)。設(shè)置排水溝和集水井，逐段、逐片地分期完成回填土方工作及加鋪防滑材料等。

4.3.2" "鉆孔

使用潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行孔間距為2m的梅花形布置。在鉆進(jìn)過(guò)程中，必須遵循“一聽(tīng)、二看、三記錄”的原則。

4.3.3" "鋼花管加工

鋼花管采用A89×5mm鋼管制作，長(zhǎng)度由每個(gè)孔地表至隧道底部以下2m。管節(jié)之間采用外套管焊接。除鋼花管尾部0.5m不鉆注漿眼外，其余部分沿鋼管軸線每隔15cm，沿鋼管徑向每旋轉(zhuǎn)120°鉆8mm的注漿眼，注漿眼沿鋼管四周呈螺旋狀布置。

4.3.4" "注漿要點(diǎn)

4.3.4.1" "準(zhǔn)備工作

連接管路系統(tǒng)，試壓并檢查泄漏，打開(kāi)水壓泵膨脹灌漿塞。確保注水壓力大于2/3的灌漿壓力，加壓至預(yù)定壓力開(kāi)始灌漿。結(jié)束時(shí)先放掉灌漿壓力，再放掉充氣壓力。灌漿結(jié)束，取出灌漿塞，沖洗水管。

4.3.4.2" "第一次常規(guī)注漿

鋼花管入孔安裝后，將膠囊式止?jié){塞放入鋼花管距孔底50cm處加壓止?jié){后，開(kāi)始第一次注漿。漿液通過(guò)壓力脹開(kāi)鋼花管外包裹的橡膠帶，從孔底自下而上反向壓漿，且持續(xù)到孔口溢出凈水泥漿。當(dāng)流出的漿液為正常水泥漿液時(shí)，即停止注漿，取出膠囊式止?jié){塞。

4.3.4.3" "第二次劈裂注漿

與第一次注漿間隔12h后，進(jìn)行第二次劈裂注漿。初始注漿壓力0.5～1.0MPa，注漿壓力應(yīng)從小到大逐步增加。成孔注漿采用由外到內(nèi)、跳躍式、隔孔分段注漿，自下而上注漿分段長(zhǎng)度為1m。注漿終壓2MPa，并在此壓力下持續(xù)注漿10min。

4.3.4.4" "注漿效果檢查

注漿效果檢查分片分區(qū)進(jìn)行，并記錄注漿壓力和注漿數(shù)量，來(lái)初步判定每個(gè)區(qū)域的注漿效果。

4.4" "質(zhì)量控制措施

所用水泥、鋼管必須符合有關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，施工過(guò)程中應(yīng)抽樣檢查，不得使用受潮結(jié)塊的水泥。使用高速攪拌機(jī)漿液時(shí)，攪拌時(shí)間不小于3min。使用普通攪拌機(jī)攪拌時(shí)，攪拌時(shí)間應(yīng)不少于5min。自制備用完的時(shí)間應(yīng)少于2h。詳細(xì)記錄每孔注漿量，分次注漿時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求控制好前后兩次注漿總量。施工過(guò)程中，密切注意壓力、流量的變化。注漿過(guò)程中，嚴(yán)格控制注漿速率，避免因注漿擠土效應(yīng)過(guò)大，對(duì)周?chē)吰录八淼揽跇?gòu)筑物造成破壞。

5" "施工效果

注漿加固完成后，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)拱頂?shù)某两颠M(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置于拱頂和兩側(cè)拱腰處，選取初始斷面處的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為測(cè)點(diǎn)1、2和3。

3個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)值如圖6所示。從圖6可以看出，隨著隧道施工的展開(kāi)，沉降數(shù)值先呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的趨勢(shì)，然后開(kāi)始逐漸穩(wěn)定。分析認(rèn)為，剛開(kāi)挖時(shí)，地層原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致出現(xiàn)上下波動(dòng)，后期隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的不斷完善，沉降數(shù)值還是變得穩(wěn)定。3個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)值均不超過(guò)10mm，一方面得益于支護(hù)結(jié)構(gòu)的不斷推進(jìn)，另一方面也證明了隧道上部地表的注漿加固，有效提升了地層的承載能力，因此可以降低隧道開(kāi)挖引起的沉降變形。

6" "結(jié)束語(yǔ)

本文以深圳某淺埋暗挖山嶺隧道為工程背景，為有效地提高地層的承載能力，降低隧道開(kāi)挖引起的地層變形，提出一種由常規(guī)注漿和劈裂注漿構(gòu)成的二次注漿加固技術(shù)。

首先通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)明確不同漿液配比下的材料性能差異，并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。其次基于數(shù)據(jù)庫(kù)，利用隨機(jī)森林模型構(gòu)建材料性能預(yù)測(cè)模型，以便實(shí)際施工時(shí)及時(shí)進(jìn)行漿液配比的調(diào)整。最后分別進(jìn)行兩次注漿，第一次為常規(guī)注漿，第二次為劈裂注漿，從而優(yōu)化加固效果。相較于傳統(tǒng)方法，二次注漿方法加固效果好，簡(jiǎn)單方便，可操作性強(qiáng)，適合在各種條件下進(jìn)行施工，具有廣泛的應(yīng)用前景。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隧道拱頂沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)二次注漿技術(shù)加固后，各測(cè)點(diǎn)的沉降變形數(shù)值均不超過(guò)10mm，小于規(guī)范要求，表明二次注漿加固技術(shù)可有效增強(qiáng)隧道上方土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證隧道施工的安全，防止隧道塌方。

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