粉細砂地層大斷面隧道暗挖注漿試驗及地表沉降規律研究

牛 斌,周志龍,郭 婷,曾德光,金 亮

(1.北京城建設計發展集團股份有限公司,北京 100037； 2.北京城建勘測設計研究院有限責任公司,北京 100101)

1 概述

隨著軌道交通的快速發展,礦山法區間隧道由于其靈活性被廣泛采用。于鶴然等[1]通過暗挖數值分析劃分隧道對地表建筑物影響范圍的分區和控制標準,提出相應的影響范圍判定經驗公式；黃海斌等[2]通過數值分析得到CD法、CRD法和雙側壁導坑法拱頂沉降規律；張先念[3]對雙側壁導坑法開挖引起的地層變形及控制標準進行了研究；丁燕平[4]通過計算分析了掘進長度、圍巖等級、埋深、跨度等對雙側壁導坑法的影響；余熠[5]通過計算分析得出合理的留設核心土可有效降低雙側壁導坑法地層沉降速率,改善圍巖受力；董新平[6]采用Timoshenko分層梁模擬支護并對支護構件按等效剛度處理,指出雙側壁導坑法導洞支護的非均衡支護設計對地表沉降影響較大；譚勇等[7]針對淺埋暗挖軟基隧道,基于Winkler彈性地基梁理論，建立管棚超前支護和鎖腳錨桿力學模型,提出兩者對支護結構豎向荷載的承載作用計算方法并推導出拱腳地基荷載的計算公式。

目前對暗挖穿越無水粉細砂層的研究較少,賀博[8]通過粉細砂層注漿試驗研究,對粉細砂層注漿理論及機理進行了探討,分析了不同參數對注漿效果的影響；游小鋒等[9]通過試驗研究了注漿對粉細砂抗剪強度的影響；石宇涵[10]通過室內固結試驗、滲透試驗和顆粒分析等土工試驗方法，對陜西北部地區粉細砂的地基土樣進行原狀土和重塑土試驗,得出起始含水率和濕陷變形的關系；趙朋[11]通過數值分析與現場監測相結合的方法,得到通過深孔注漿和管棚支護的方式可以有效控制粉細砂地層暗挖隧道的地表沉降。

本文對粉細砂地層進行了注漿試驗研究,并通過數值計算與現場監測相結合的方法,對粉細砂地層雙側壁導坑法地表沉降規律進行了研究,提出粉細砂地層設計和施工時的注意要點。

2 工程概況

石家莊地鐵1號線一期工程洨河大道站至西兆通車輛段區間,自洨河大道站中部引出(兩側為1號線二期正線區間),由暗挖大斷面區間逐漸分離為兩個單線單洞區間,線間距由5 m漸變成12 m,隧道包含雙側壁導坑法和臨時仰拱法兩個施工斷面。線間距5 m的6導洞雙側壁導坑法開挖斷面寬12 m,高9.73 m,拱頂覆土厚度約12 m。初期支護縱向格柵間距500 mm,初期支護厚度350 mm(非臨土側的臨時支撐和臨時仰拱厚度300 mm)；超前小導管每榀設置,直徑32 mm,壁厚3.25 mm,環向間距300 mm,長度2 m；拱部180°范圍進行深孔注漿,注漿范圍為初期支護外側1.5 m,內側0.5 m。

根據詳勘報告[12],區間隧道穿越的地層有雜填土層、粉細砂、中粗砂層、中粗砂含卵石層。地下水位位于隧道底板以下20 m,施工時不需要降水。

3 注漿試驗

3.1 粉細砂的特征

區間位于滹沱河流域,粉細砂層分布廣泛,粉細砂黏聚力小、自穩能力差。根據《城市軌道交通巖土工程勘察規范》[13],粉砂土是指粒徑大于0.075 mm顆粒的質量超過總質量50%的土,細砂是指粒徑大于0.075 mm顆粒的質量超過總質量85%的土。粉細砂土的工程性質介于粉砂土與細砂土之間,在天然狀態下,結構松散,密度也較低。在自重的作用下可壓密,埋深較大的粉細砂層,密度較大。粉細砂層粒徑分布均勻,且粒徑范圍小,在外界荷載作用下易變形。粉細砂土體主要靠粒間法向壓力的粒間摩擦力維持自身穩定,因此提高砂土顆粒之間的黏聚力和內摩擦角才能提高土層的自穩能力。粉細砂滲透系數為(1.2～6.0)×10-3cm/s,屬于中等透水性[12]。

3.2 試驗內容

粉細砂層的注漿一般分為5個階段：充填滲透階段、擠密階段、劈裂階段、被動土壓力階段、再滲透階段。本次注漿采用水泥-水玻璃雙液漿,通過取樣法對比注漿前后土體的力學參數來檢測注漿加固效果,加固前取6組試樣,將試驗結果進行離散統計，得到該層注漿前的抗剪強度、抗壓強度、黏聚力、內摩擦角、彈性模量等力學參數；注漿加固后在同一深度土層再次取3組試樣,同樣對上述指標進行分析,通過數據對比,對注漿加固效果進行評價。

圖1為粉細砂注漿加固后3號試樣室內試驗照片。

3.3 試驗結果

注漿前后的土體物理和力學參數如表1和表2所示。可以看出,注漿加固對土體的含水量、黏聚力、內摩擦角、壓縮模量均有明顯的改善。

圖1 粉細砂注漿加固后3號試樣室內試驗

表1 土體物理參數

表2 土體力學參數

4 數值計算

4.1 計算模型

采用Flac3D有限差分軟件進行三維模型計算。地層及初襯、二襯結構均采用實體單元進行模擬,除支護結構單元采用彈性模型外,地層材料采用彈塑性莫爾庫倫準則模擬,地質參數如表3所示。

表3 地層參數

根據圣維南原理,靜力計算采用的邊界寬度取3～5倍開挖跨度[14],計算模型尺寸為70 m×30 m×48 m(長×寬×高)。模型底面邊界施加豎向固定約束,四周邊界施加水平固定約束,頂面邊界為自由面,計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型

超前小導管外插角10°～15°,等效彈性模量為

(1)

式中，Ed為小導管等效彈性模量；E1為小導管內漿液彈性模量；E2為小導管彈性模量；I1為小導管內漿液慣性矩；I2為小導管慣性矩。

鋼拱架計算時也是采用等效剛度的方法折算到初期支護中[15]。折算后的初期支護彈性模量為

(2)

式中，Ec為折算后初期支護彈性模量；E0為混凝土彈性模量；Sg為鋼拱架截面積；Eg為鋼拱架彈性模量；Sc為初期支護截面積。深孔注漿、超前小導管注漿加固區及支護結構參數取值如表4所示。

表4 結構單元計算參數

4.2 施工步序

(1)初始地應力場的計算[16]；

(2)打設導洞1、導洞2超前導管,預留核心土法開挖上臺階,施作初期支護,打設鎖腳錨管；

(3)開挖導洞1、導洞2下臺階并施作臨時支撐；

(4)開挖導洞3、導洞4并施作初期支護及臨時支撐；

(5)打設導洞5超前導管,預留核心土法開挖上臺階,施作初期支護；

(6)開挖導洞5下臺階并施作臨時支撐；

(7)開挖導洞6并施作初期支護；

(8)截斷局部臨時支撐；

(9)澆筑底板及拱腳二次襯砌；

(10)截斷剩余臨時支撐；

(11)澆筑側墻及拱部二次襯砌,封閉成環。

4.3 結果分析

(1)地表沉降呈對稱分布,沉降槽為“V”形,沉降槽寬度系數(即沉降槽曲線反彎點與隧道中心線之間的水平距離)約為15 m,即距離隧道外輪廓以外約11 m,如圖3所示。地表沉降槽寬度系數,本文采用O’Reilly[17]提出來的計算公式

(3)

式中，H為隧道軸線處的埋深,從而可得k=1.25。

圖3 地表及不同埋深處地層沉降槽曲線

(2)從圖3不同埋深處的地層沉降槽曲線還可以得到,地表最大沉降量為23.7 mm,拱頂最大沉降為37 mm,從拱頂到地表,隨著埋深的增大,其最大沉降量逐漸減小,這可由Peck公式推導得出。因為地表沉降槽的體積等于地層損失的體積,故不同深度處的值會逐漸變化[18]。

(3)各不同施工步下隧道中心線處地表沉降如圖4所示,可以看出：上導洞上臺階開挖對地表沉降的影響較大,施工時應對拱頂處加強注漿；另外,兩側上、下導洞施工會對地面沉降產生“疊加”效應,上、下導洞施工時應錯開足夠的距離,計算時上、下導洞錯開距離分別按6，8，10，12 m進行計算,結果表明隧道中心處的最大沉降值變化不明顯。但是錯開距離越小,地表沉降槽寬度系數和土體塑性區增大較明顯,結合施工現場上、下導洞不同錯開距離的地表沉降監測結果,建議上、下導洞錯開距離不小于10 m。

圖4 隧道中心線處地表沉降曲線

(4)通過調整鎖腳錨管的剛度,得出鎖腳錨管剛度對上導洞下臺階施工時沉降有一定的影響,但影響較小。

(5)計算時通過對上導洞(即1、2、5導洞)核心土的留舍可以得出：預留核心土可以改善掌子面的穩定性,有效減少塑性區的范圍,同時可以減小拱頂沉降,現場施工也印證了這一點。核心土的預留長度建議不小于2 m,核心土面積應占上臺階開挖面積的50%以上[19]。

(6)從圖4還可以看出,臨時支撐的拆除會引起一定的地表沉降和拱頂沉降[20],因此臨時支撐應分段拆除。根據計算分析,拆除長度分別為6，8，10，12 m時,因拆除支撐所占總沉降的比值分別為5%，5%，6%，8%,建議沿隧道縱向臨時支撐拆除長度不宜大于10 m。

圖5 主要施工步完成后土體的塑性區狀態

(7)由于本次深孔注漿僅加固拱腰以上區域,未加固拱腰下部及拱腳部位的土體,故此部位出現較大塑性區,如圖5所示。對于粉細砂地層,拱腰及拱腳也是薄弱位置,注漿范圍應擴大至拱腳以上區域,否則下導洞施工時,砂層脫落導致側墻出現較大的超挖,進一步加大地表沉降。

5 監控量測

暗挖施工前進行地表監測點布設,如圖6所示。現場監測的地表沉降曲線如圖7所示。

由于在深孔注漿過程中注漿壓力的變化,導致在局部位置監測點位移上升,但沉降曲線趨勢與圖3和圖4的計算結果基本保持一致。

圖6 地表沉降監測點布設(單位：m)

6 結語

通過粉細砂注漿試驗研究,并結合數值計算、現場施工和監測,針對無水粉細砂地層雙側壁導坑法施工得出以下結論。

(1)采用注漿加固,可以有效提高土體的含水量、黏聚力、內摩擦角和壓縮模量,從而提高粉細砂的自穩能力。

(2)上導洞施工引起的沉降量較大,應重點加強此部位的注漿。

(3)根據數值計算和現場實測數據分析,粉細砂地層大斷面暗挖上、下臺階錯開距離不宜小于10 m。

(4)上導洞上臺階施工時應預留核心土,長度不小于2 m,核心土面積占上臺階開挖面積不少于50%。

(5)臨時支撐破除時對沉降有一定影響,破除時應分段破除,根據數值計算及初期支護和地表監測結果,建議一次破除長度不大于10 m。

(6)從塑性區發育狀態來看,對于粉砂層的超前深孔注漿加固,不應僅加固拱頂范圍,除仰拱范圍外,拱腳以上部位均應進行注漿加固。