隧道軟弱下臥地基注漿加固試驗

周 梁，廖少明，史寧強，李家平

(1.同濟大學 地下建筑與工程系，上海200092;2.林同炎國際工程咨詢有限公司，重慶400015;3.上海地鐵運營有限公司監護分公司，上海200003)

1 背景

上海早期建設的地鐵埋深較淺，且所處土層為淤泥質黏土層和粉質黏土層，這兩層土含水量及靈敏度較高，在隧道建設中易受到盾構超欠挖或擾動等因素引起施工沉降和工后沉降，長期運營過程中地鐵列車的振動增加了隧道的沉降，同時沿線鄰近地區大規模的工程建設也對隧道軟弱下臥土產生不利影響。圖1為上海地鐵1號線1995—1999年累計沉降曲線［1］，可以看出人民廣場站—新閘路站之間的區間隧道最大累計沉降量超過145 mm，黃陂路站—人民廣場站之間的區間隧道的差異沉降量也達到近90 mm。這些不均勻沉降可以導致隧道滲水漏泥或結構局部破壞，給列車的安全運營帶來了隱患，因此，處理隧道沉降問題也成為了地鐵隧道后期運營維護的重要環節。

分析沉降原因主要有［2］:

1)隧道深部存在軟弱下臥層淤泥質黏土層和粉質黏土層，在該區段建設過程中受到擾動引起初始沉降;

2)建設完成后下臥土層超孔隙水壓力消散而引起的固結沉降及次固結沉降;

3)在列車振動荷載循環持續的作用下，隧道下臥土的震陷效應也會對隧道引起隧道沉降［3］。

為解決隧道沉降的問題，需對隧道軟弱下臥土層淤泥質黏土層進行加固，鑒于高壓旋噴樁受隧道內施工場地限制，同時也會對高靈敏度的下臥土產生較大擾動［4］，因此采用注漿法進行加固。本注漿試驗的目的是為獲得較好的注漿加固施工參數。

圖1 1995—1999年上海地鐵1號線累計沉降曲線［1］Fig.1 Cumulative settlement of Shanghai Metro Line M1 during 1995 －1999

2 注漿試驗方案

上海地鐵某區間隧道自建成通車以來，一直處于沉降狀態，且呈不收斂趨勢，其中上行線最大沉降已接近120 mm，下行線最大累計沉降達130 mm。本試驗場地鄰近該區間隧道的沉降段，對于淤泥質黏土進行注漿試驗，根據地質勘察報告，其土性參數為:重度 16.8 kN/m3，黏聚力 15 kPa，內摩擦角11.1°，孔隙比 1.41，含水量 50% 。

現場試驗是通過對注漿后土體變形和孔隙水壓變化規律的分析來優化施工參數;通過靜力觸探試驗測得注漿擴散范圍;通過載荷試驗檢驗注漿效果。根據試驗目的制定以下試驗內容(注漿孔及監測點平面布置見圖2):①單段的最優注漿量;②最優單次注漿段數;③注漿效果檢驗。本次注漿采用單液漿，主要成分為GC灌漿材料，水灰比為0.55，密度為1.61 ～ 1.63 g/cm3，另添加水泥含量 2‰的檸檬酸以調節漿液初凝時間(試驗中室外溫度為28～30℃時漿液初凝時間為1.5～1.75h)。注漿管結構見圖3。

圖2 現場注漿試驗孔與監測點平面布置Fig.2 Layout of grouting test holes and measurements

圖3 注漿管結構Fig.3 Structure of grouting pipes

2.1 單段最優注漿量試驗方案

單段最優注漿量試驗在A1孔進行。根據以往注漿施工經驗，漿液擴散半徑r為0.6m左右，每延米注漿深度上影響的土體體積為V=π×r2×h=1 130L，摻入比為20%，26%，33%時，所需注漿量為226，293，372L，根據施工經驗每延米注漿段分為3次進行，因此3個試驗注漿量為75，100，125L/(33 cm)，具體試驗如圖4。在淤泥質黏土層由下至上依次進行125，100，75L/(33 cm)的注漿試驗，每一注漿量試驗3次，且相鄰2次注漿時間間隔為3～5h。監測內容包括沉降監測(深層沉降和地表沉降)，孔隙水壓力監測。通過比較沉降量(深層、地表)的大小，得出最優單段注漿量(125L/(33 cm)表示每33 cm的注漿深度注漿量為125L，下同)。

2.2 最優單次注漿段數試驗方案

本分試驗是在上述最優注漿量的基礎上進行的，B1孔單次注漿段數為2段即深度為66 cm，B2孔單次注漿段數為3段即注漿深度為99 cm，B1孔與B2孔單次注漿量相同且均為單段最優注漿量，注漿方案見圖5，監測內容與最優注漿量試驗相同。通過對B1與B2的監測數據進行對比得出最優的單次注漿段數。

圖4 注漿量試驗Fig.4 Grouting volume test

圖5 注漿段數試驗Fig.5 Grouting segments test

2.3 注漿效果檢驗試驗方案

本試驗設計對D7、D8孔按照最優注漿量和最優單次注漿段數進行注漿，然后進行靜力觸探試驗，以獲得漿液在該土層中的擴散范圍，同時也是對本注漿參數試驗的加固效果檢驗［5］。試驗共設置了10個探測孔，與注漿孔之間距離在0.3～0.9m之間，具體位置如圖6。

圖6 探孔與D7、D8孔的相對位置Fig.6 Location of exploring hole and grouting holesD7＆D8

3 試驗數據分析

針對注漿加固過程中的關鍵參數，試驗進行了3次分試驗，分別是注漿量試驗，注漿段數試驗和注漿效果檢驗試驗。通過注漿量試驗的監測數據，分析得出不同注漿量對土體的擾動程度，以得出最優注漿量;通過注漿段數試驗分析不同注漿段數的組合對土體的擾動影響，以得出最優單次注漿段數。根據2.1和2.2得出最優注漿控制參數，進行注漿試驗3，以檢驗實際注漿效果。另外，筆者也對試驗中注漿量與(超)孔隙水壓力，注漿量與注漿壓力之間的關系作了分析研究。

3.1 注漿量試驗

對每延米進行75，100，125L三種不同注漿量的試驗且每個注漿量進行3次，根據不同注漿量對地表(深層)土體變形影響的監測數據，得到圖7和圖8。

圖7 不同注漿量對深層沉降的影響Fig.7 Effect of grouting volume on deep settlement

圖8 不同注漿量對地表沉降的影響Fig.8 Effect of grouting volume on surface settlement

分析圖7、圖8有:

1)注漿量為125L時，注漿對淤泥質黏土層產生大的擾動，擾動的作用大于注漿所產生的正面效果，故發生沉降。

2)注漿量為100L時，注漿對淤泥質黏土層產生的擾動作用約等于注漿所產生的正面作用，兩者抵消，故土體深層和地表土體豎直位移都較小。

3)注漿量為75L時，注漿對淤泥質黏土層產生的加固作用大于注漿擾動淤泥質黏土層帶來的負面擾動作用，故深層沉降監測點、地表監測點表現為抬升。

綜上，得到以下結論:75L/(33 cm)的單段注漿量，不僅能起到加固作用還能夠適當抬升原區間隧道，減少不均勻沉降值;100L/(33 cm)的單段注漿量可以在對土體擾動較小的情況下加固土體。

3.2 注漿段數試驗

根據軟土地基中大量注漿實踐，注漿導致的地面變形規律可以用參數S，ΔSmax，ΔS，ΔT表征，如圖9。其中:S為注漿引起的土體豎直位移變化;ΔSmax為注漿擠壓引起的初期最大土體豎直位移，表示注漿擾動或擠壓程度;ΔS為注漿結束后土體位移穩定值，表示注漿最終效果。根據對監測數據的分析，得圖10和圖11。

圖9 注漿引起的土體豎直位移示意Fig.9 Schematic diagram of vertical soil displacement caused by grouting

圖10 不同注漿段數對深層沉降的影響Fig.10 Effect of grouting segments on deep settlement

圖11 不同注漿段數對地表沉降的影響Fig.11 Effect of grouting segments on surface settlement

在圖10和圖11中，ΔSmax－3表示單次3段注漿引起的最大土體豎直位移，ΔS－3表示單次3段注漿引起的土體位移穩定值，其余類同。由圖10可知，單次注漿段數為2時，對深層土體最大抬升值ΔSmax小，穩定后引起的深層沉降也相對較小，接近于0。由圖11可知，單次注漿段數為2時，對地表土體最大抬升值ΔSmax大，穩定后引起的地表沉降值相對較小，接近于0。結合圖10、圖11，每次注漿引起的地表沉降變化不大，且ΔS－2幾乎全為負值，表示注漿穩定后地表(深層)均表現為沉降。但是單次注漿段數為2時無論是地表還是深層的穩定沉降值均小于單次注漿段數為3的時候。綜合以上分析，單次注漿段數為3時對淤泥質黏土層的擾動較大，不利于土體加固，故選擇單次注漿段數為2是比較合理的。

3.3 靜力觸探試驗

由觸探結果(圖12)可看到注漿前淤泥質黏土層平均Ps值為0.65 MPa，Ps曲線基本無峰值;注漿后Ps曲線沿注漿段幾乎每一出漿段都有峰值，平均峰值為 1.3 MPa，最大峰值為 3.5 MPa，且漿液擴散范圍在60～90 cm之間。

對比分析不同位置的靜探結果，可以得出以下結論:

1)漿液劈裂方向具有不確定性，沿不同方向漿液擴散范圍具有不確定性，其中影響漿液擴散范圍的有注漿壓力、注漿量、土層性質、漿液性質等;

2)注漿后，以注漿孔為中心，半徑為60 cm內土體Ps值基本可提高1～1.5倍;

3)土質均勻時，水泥漿液在淤泥質黏土層擴散最大距離為90 cm。

圖12 靜力觸探結果Fig.12 Results of static sounding

3.4 孔隙水壓力分析

注漿結束后，超孔隙水壓力隨時間逐漸消散，漿液強度逐漸變大，土體固結并被擠密，土體有效應力、抗剪強度也隨之增長［6］。根據2.1所做的A1孔注漿后的孔隙水壓力監測數據有圖12和圖13，其中孔隙水壓力計埋深為14.1m。圖13、圖14分別給出了(超)孔隙水壓力在空間和時間上的孔隙水壓變化曲線。

圖13 超孔隙水壓力隨距離變化Fig.13 Excess pore water pressure changing with distance

圖14 孔隙水壓力隨時間變化Fig.14 Pore water pressure changing with time

分析圖13、圖14可知:

1)注漿對水平距離4m范圍內的超孔隙水壓力影響顯著，且該區間內超孔隙水壓力衰減迅速;對4m以后的孔隙水壓力影響較小，且衰減速度緩慢;對10m以外的孔隙水壓力幾乎沒有影響。

2)注漿引起的超孔隙水壓力越大，消散的速率也越快，且在4.5h后超孔隙水壓力基本消散完畢。

3.5 注漿壓力與注漿量分析

注漿壓力與注漿量在注漿過程中關系密切且相互作用。注漿壓力為漿液在地層中提供運動的能量，注漿量的大小也會反過來影響注漿壓力的大小。高延法［7］等研究了注漿減沉過程中注漿壓力的變化規律，M.Brantberger［8］等通過研究注漿量與注漿壓力的關系，認為可以通過GIN=P×V來概括(P為注漿壓力，V為注漿量，GIN為常數)。

通過對A1孔注漿壓力與注漿量監測數據分析，得到圖15。由圖可知，實驗數據基本符合P×V=C(75L·MPa)，但由于注漿量140～250L中間試驗數量偏少，因此僅可初步作為上海地區淤泥質黏土注漿加固控制曲線，有待于進一步的實驗數據補充。

圖15 注漿壓力與注漿關系Fig.15 Relationship between grouting volume and grouting pressure

4 結語

本次注漿試驗主要針對上海地區典型軟土淤泥質黏土，進行了注漿法加固參數試驗，得出的主要結論有:

1)注漿量在75～100L/(33 cm)范圍之內為適合單段注漿量。

2)單次注漿段數為2段時相對于單次注漿為3段時相對擾動較小。

3)注漿漿液的擴散范圍在60～90 cm之間，Ps值測試顯示對于60 cm內的土體有良好的加固效果。

4)注漿對距注漿孔水平距離為4m的范圍內土體孔隙水壓力影響較大，且超孔隙水壓力的消散時間在4.5h左右。

5)根據GIN注漿控制法通過對注漿壓力和注漿量的監測數據分析，得出GIN法的控制參數。

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