富水砂層地鐵工程建設中的管棚注漿預支護技術

于云峰

（中鐵十六局集團地鐵工程有限公司， 北京 100020）

城市化進行背景下，地面可用空間逐步趨于緊張，為滿足人們的交通出行需求，地鐵工程成為重要的解決途徑。當前，國內多數大型城市相繼展開了地鐵建設工作，因地質環境的差異化加大了施工難度。地鐵施工作業發生于封閉空間內，富水流沙層地質環境中對技術水平提出更高要求，地鐵灣十區間隧道所在處的地面交通較為繁忙，存在大量管線交匯的情況，考慮到地面穩定性要求，基于管棚注漿預支護的方式展開施工作業，從而避免圍巖變形現象，給工程質量提供保障。

1 工程概況

灣十區間：該段總長度973.1m，含暗挖段施工作業，左線696.1m，右線685.281m，與情侶路共線段左線276.02m，右線275.729m，為雙洞單線設計形式。礦山法隧道所在區域地質環境較復雜，IV 級左線100m、右線300m；V 級左線320m，右線195m；VI 級圍巖左線276.1m，右線190.281m。2 號豎井工程中，左線中心里程DK6+305，結構整體深度24.266m。根據現場情況，施工下穿排洪渠，因地質呈現出上軟下硬的基本特點，施工中伴隨明顯涌水涌泥現象。基于此采取洞內管棚注漿等方式，實際應用效果欠佳，隨后設置咬合樁止水封閉區，設置袖閥管以完成注漿作業。

2 富水礫砂土

2.1 概念

富水砂礫土為典型的多相介質，其具備特殊的結構，所表現出的流動規律較為復雜[1]。因巖土顆粒骨架空間結構的變化，所產生的地下水滲流路徑隨之發生改變，若為松散多孔隙介質則會在空隙介質中繞流，伴隨隧道施工作業的持續推進，砂礫層滲透性處于持續變動狀態，致使地下水流動方向也隨之發生改變。

2.2 影響因素

富水砂礫土流動性受多方面因素影響，較典型的有顆粒大小、級配與密度。根據資料得知砂礫土顆粒較大，因此土體孔隙隨之加大，伴隨明顯的滲透現象；若砂礫層土體級配優良，此時土體孔隙隨之減小，降低了滲透性；伴隨密度的提升，對應的砂礫土滲透性表現出逐步減小的趨勢，若不存在地下水滲流現象，因滲透性的提升將會明顯加快漿液流動，使其具備可注性。但受到高水力梯度的影響隨之提升了注漿難度，不利于注漿加固效果。

3 技術優化方案

區間暗挖段得以高效施工的基本前提在于超前支護與止水加固，此項工作是創造安全施工環境的關鍵。從隧道地質情況出發，參考類似工程，選取管棚超前支護的方式，考慮到其它標段隧道開挖情況，由于施工區域以富水砂層為主，該處的節理裂隙較發育，因此易出現開挖面塌方現象，加大了施工安全隱患。對此選擇全斷面止水固砂技術，營造安全的施工環境，順利完成洞門開口段施工作業。由于掌子面承受較明顯的土體側壓力，基于管棚注漿預支護的方式可顯著提升隧道上方土壓力，同時避免開洞時泥沙大規模涌出掌子面的情況。

管棚施工使用到熱軋無縫鋼管，其規格為φ108mm、壁厚6mm，針對兩端采取絲扣連接處理措施，管棚長14m，彼此間距均為0.3m，兩端形態為尖錐形，基于焊接的方式于尾部增設φ10mm 加緊箍，處理管壁四周，于該處施作3 排規格均為φ10mm 的壓漿孔，彼此間距保持為0.4m，采取的是梅花形布置方式。向鋼管中灌注施工，漿液水灰比1：1，初壓0.5～1.0MPa，后續逐步提升壓力，終壓為2.0MPa。

4 管棚支護數值模擬分析

4.1 計算模型的建立

綜合考慮隧道所在區域的地質與水文情況，創建隧道模型時考慮的是暗挖區段左線進洞處，長100m×寬14m×高50m。所得模型的上面未針對自由邊界做出約束，側面采取垂直約束，底部為所有約束。根據隧道圍巖的實際情況使用到8節點實體單元，基于Mohr-Coulomb 理論展開計算分析。初期支護中，考慮到噴射混凝土與格柵鋼架等結構的特點，將其等效為0.40m 厚的襯砌；管棚采取梁結構單元模擬的方式，且假定管棚一次全部搭設完畢。

建模過程中遵循精簡原則，將各土層相鄰界面均設置為平面，假設模型中各土層具備均勻化的基本特點。基于地質勘探資料得知，模型中所對應的各區段土層并不存在明顯變化，因此不會對模型計算結果造成過多影響，該部分可忽略。考慮到計算結果精確性要求，隧道周邊區域的網格采取加密處理措施，其余部分相對疏松，根據自重應力場的基本特點，針對隧道模型展開計算與分析。

4.2 隧道開挖及支護模擬結果分析

分析隧道開挖過程，此處選擇的是MIDAS/UTS 平臺，通過其中的“鈍化”與“激活”工具展開處理，首先施作管棚，基于對工藝參數的改變模擬真實的注漿作業，結束開挖后再展開初襯施工，考慮的是有無管棚預支護兩種方案。首先開挖1m，后續以3m 為步距依次展開開挖作業，施工現場含大量富水流沙層，分析模擬結果時主要考慮的是隧道水平X 軸與豎直X 軸位移情況，將其用于評定圍巖穩定程度。具體而言，水平位移可反映兩側圍巖穩定性，豎直位移可被用于反映開挖作業后的隧道拱頂情況。而基于XYZ 綜合位移，可實現對實際位移情況的系統性描述。

（1）工況1：無預支護時模擬結果位移分析

在缺乏預支護措施時，伴隨隧道施工作業的持續推進，隧道周邊巖土體出現明顯的變形現象，豎直方向最大位移為28mm。隧道橫截面上表現出明顯的水平位移現象，隧道兩側大體相同，均為34mm。基于位移云圖可以得知，圍巖出現明顯變形且延展至地面，伴隨明顯的隧道拱頂沉降現象，最大處達到18mm，不利于隧道上方管線的正常使用，甚至對地面建筑物穩定性造成影響。且隧道開挖兩側的圍巖也表現出明顯的變形現象，因此在缺乏超前支護措施時，難以為地鐵施工創造良好環境。

（2）工況2：管棚注漿預支護模擬結果位移分析

由于采取了管棚注漿預支護技術，盡管圍巖出現變形現象但得到了有效控制，豎直方向最大位移發生區域未出現變化，依然為隧道拱頂處，但縮減至6mm。同時，隧道橫截面處的位移縮減至7mm。基于位移云圖可以得知，盡管圍巖出現變形現象且延展至地面，但此時地面表現出的沉降相對較小，最大值為4mm，基于對《建筑地基基礎設計規范》(UB50007-2011)的相關規定得知，各處的位移都滿足行業要求。

5 結束語

（1）地鐵工程施工富有復雜性，有限元法可從實際情況出發做出數值模擬與計算，基于MIDAS/UTS 軟件，能夠創建直觀的模型，將管棚設為梁單元，更為準確地反映管棚的力學效應；采取改變加固區物理力學參數的方式，可實現對管棚注漿效果的模擬，有助于分析隧道支護結構的使用效果。

（2）綜合對比有無預支護措施兩種情況，得知施作管棚注漿預支護以后可有效控制圍巖變形現象，縮小擾動范圍。

（3）基于數值模擬的方式可以得知，將管棚注漿預支護的方式應用于進洞段后可提升洞口段覆蓋巖層的穩定性，發揮出優良的加固與支護效果，此方法在富水砂礫層中具有可行性，為安全進洞創設了保障，也為后續掘進施工提供了良好條件。