富水地層深孔注漿加固區暗挖施工滲流特征研究

徐萬春， 劉 光， 劉曉陽，

(1.中鐵四局集團有限公司城市軌道交通工程分公司, 安徽合肥 230000;2.中鐵四局集團有限公司, 安徽合肥 230000;3.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

地鐵線路的持續增加擴展不可避免遇到越來越多的復雜地層環境。常遇到圍巖軟弱破碎且富水，圍巖開挖后不能自穩，地下水大量滲入隧道，引發坍塌及地表過大沉降，進而導致工程建設受阻的情況。文章依據深圳地鐵10號線下穿4號線福田口岸站站前35 m隧道工程為依托，對富水地層深孔注漿加固區暗挖施工滲流特征展開研究，得到相關結論，以期為類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

深圳地鐵10號線福田口岸站—福民站區間隧道垂直近接下穿既有4號線福田口岸站，與新修10號線福田口岸站間距35 m，其平面關系見圖1。由于4號線福田口岸車站地下連續墻及站底4根支撐樁侵入隧道修建范圍，隧道穿越時需將其破除。因此福田口岸站—福民站區間隧道采用盾構施工和礦山法施工兩種工法，福民站始發至4號線福田口岸站區間采用盾構法施工；區間下穿4號線福田口岸站至接收采用礦山法施工，以便對侵入區間隧道范圍地下連續墻進行處理，隨后盾構磨除侵入部分地下連續墻。

圖1 深圳地鐵10號線與4號線福田口岸站平面位置關系

深圳地鐵10號線與4號線福田口岸區間段，穿越的主要地層為素填土、淤泥質黏性土、粗砂、卵石、中風化花崗巖和微風化花崗巖(地質剖面圖見圖2)等，地下水豐富，不同風化程度巖層的強度沿深度變化劇烈，地層軟硬不均表現十分明顯。大量的工程實踐表明，在這類地層中采用暗挖法開挖隧道，會引起較大的地表沉降，而且地表沉降變化規律也十分復雜。

圖2 福田口岸站區間地質縱剖面

2 工程重難點分析

由于暗挖段地質條件差，圍巖等級多為Ⅵ級，開挖后圍巖不能自穩，極易坍塌。地下水滲透會對圍巖產生軟化作用，圍巖由硬塑變為軟塑狀態，甚至變為流塑狀態，產生大變形而喪失穩定性。如果沙層富含地下水，會形成流砂層，隧道洞周圍巖以及掌子面很難穩定，且若初期支護不當，流砂會涌入隧道內形成大的坍塌、涌沙，因此，在流固耦合相互作用下，位移場和應力場的變化將會更加復雜。

綜上可見，深圳地鐵10號線與4號線福田口岸站區間工程暗挖段礦山法施工風險較大，如何控制礦山法隧道開挖后圍巖變形及地表沉降是保證軟弱富水地層順利施工的關鍵。

3 施工過程數值仿真分析

3.1 數值模型建立

利用FLAC3D軟件建立了三維滲流數值計算模型，對富水軟弱地層雙洞隧道暗挖施工過程進行數值模擬研究。數值模型中，左、右線隧道兩側采用三排旋噴樁，并與10號線車站基坑圍護結構和4號線車站地連墻形成封閉止水。左、右線隧道開挖前，對掌子面進行深孔注漿加固，深孔注漿加固范圍為導洞開挖輪廊線外3 m。左、右線隧道開挖斷面直徑均為6.6 m，凈距10.2 m，模型邊界從左、右隧道外側邊界向外擴展60 m，縱向全長60 m，實際隧道開挖段長35 m，上邊界取隧道埋深16.8 m，下邊界距隧道底部30 m，由于該暗挖區間段處于富水地層中，模型各邊界均設為透水邊界(即固定邊界孔隙水壓力)，地下水位位于地表以下2.5 m左右，具體計算模型如圖3所示。模型的建立過程中，地層采用莫爾-庫倫本構模型，對于旋噴樁、車站基坑圍護結構及初期支護等均用實體單元建模，采用彈性本構模型，且均設為不透水模型，中隔板同樣采用不透水殼結構單元進行模擬，此外，隧道全斷面注漿加固則通過提高注漿區范圍參數，并降低滲透系數的方法進行模擬。

圖3 注漿加固示意

3.2 數值模擬過程

數值模擬計算隧道開挖的施工過程主要分為以下5個步驟：

(1)按照施工設計以及計算參數建立模型，模型的四周和底部的邊界條件為法向約束，地表為自由邊界條件，模型各邊界均設為透水邊界(即固定邊界孔隙水壓力)，然后在自重條件及孔隙水壓力場下求解至平衡，將位移場及速度場清零。

(2)首先對擬開挖隧道開挖斷面進行深孔注漿加固，通過提高加固區范圍內的土體力學參數及降低滲透系數的方式進行模擬。每次循環加固長度為9 m，加固后均在重力場及孔隙水壓力場下聯合作用下求解至平衡。

(3)然后進行隧道開挖，先開挖左線隧道，然后再開挖右線隧道，兩隧道錯距12 m，開挖進尺控制為2.4 m。考慮到實際開挖施工進度，上臺階開挖后至初期支護施做的時間間隔設定為4 h，為模擬這段時間內隧道-地層系統位移場、應力場及滲流場的變化，將掌子面和洞周孔隙水壓力設置成0(隧道開挖后，地下水從掌子面和洞周滲流進隧道內，掌子面和洞周孔隙水壓力下降至0)，然后進行流固耦合計算。

(4)接著施作初期支護結構和中隔板(初期支護結構和中隔板均為不透水模型)，將開挖進尺范圍內洞周設定為不透水邊界，但仍保持掌子面為透水邊界，進行流固耦合計算。結合現場實際施工進度，滲流時間也控制在4 h左右。

(5)依次循環(2)、(3)、(4)步驟(隧道每循環進尺開挖3次后，即開挖7.2 m后)，再進行全斷面深孔注漿加固，按以上步驟循環開挖，直至左、右線隧道開挖完畢。

4 監測點布置

為分析深圳地鐵10號線暗挖段礦山法施工預處理侵入隧道內既有結構工程中開挖雙洞地鐵隧道后地層變形及地表沉降的規律，對隧道-地層系統特定位置或斷面的變形進行研究。首先，在地表布置三條縱向測線，分別為左、右線隧道縱向中線正上方和雙線隧道中線正上方地表(測線每隔1.2 m布置一個測點)；在開挖區間中部地表設置一條垂直隧道軸線的測線(測線每隔1.0 m布置一個測點)，如圖4所示。其次，設置了如圖5所示的5個典型監控斷面，對這些位置的變形進行研究。

圖4 地表沉降測線布置示意

圖5 典型監控斷面布置示意

在數值模擬計算中，對不同開挖階段的地表沉降變化規律和地下水滲流特征進行研究分析，以確保左右線隧道開挖各個階段的安全與穩定。具體地，分三個階段進行動態監控，分別為：

(1)階段一，即左線隧道開挖至中部(開挖長度達到18 m時刻)，此時右線隧道開挖長度達到8 m左右。

(2)階段二，即左線隧道開挖完成，且右線隧道開挖至中部位置時刻。

(3)階段三，即車站區間內左右線暗挖隧道開挖均完成時刻。綜上，本次研究也就主要從這三個施工開挖階段的孔隙水壓力變化、孔隙水滲流特征等分析研究深孔注漿對地下水滲流規律的影響。

5 施工過程孔隙水壓力及滲流變化規律分析

圖6給出了監控斷面1孔隙水壓力云圖及孔隙水滲流矢量分布圖，圖7為監控斷面2孔隙水壓力云圖及孔隙水滲流矢量分布圖，圖8為監控斷面5孔隙水壓力云圖及孔隙水滲流矢量分布圖。結合以上數值模擬計算結果圖，綜合分析深孔注漿加固后該暗挖區間隧道開挖過程中地下水滲流變化規律，可以得出以下幾點認識：

圖6 監控斷面1地層孔壓云圖及孔隙水滲流矢量分布(單位：Pa)

圖7 監控斷面2地層孔壓云圖及孔隙水滲流矢量分布(單位：Pa)

圖8 監控斷面5地層孔壓云圖及孔隙水滲流矢量分布(單位：Pa)

(1)從圖6和圖7(垂直于隧道軸線平面和平行隧道軸線平面(監控斷面1、2)地下孔隙水滲流矢量變化及孔壓云圖)中可以發現，在隧道開挖過程中，孔隙水會集中向隧道內流入，洞周孔隙水壓力降低，但是，由于進行了深孔注漿加固，在加固區范圍內孔隙水滲流速度明顯弱于加固區外；另外，由于止漿巖盤的存在，隧道后方未開挖段的孔隙水也產生明顯的滲流規律，繞過止漿巖盤向洞周和掌子面向隧道洞周滲流入開挖隧道內(未施作初期支護結構前)。同時，在隧道開挖后，施作完初期支護結構，由于不透水的初期支護存在，洞周的孔隙水壓力也逐漸恢復。

(2)從圖8(隧道拱頂部位的孔隙水滲流矢量變化和孔壓云圖)中可以看到，在隧道開挖中，掌子面孔隙水壓力降低，而距掌子面一定距離的已開挖段孔隙水壓力逐漸恢復，孔隙水從未開挖隧道后方向隧道內流入，并且由于兩隧道外側的旋噴樁加固止水的作用，隧道開挖過程中，地下水滲流只能顯著影響到兩側旋噴樁內側的區域。可見，在兩隧道外側采用旋噴樁加固止水可以較好的控制地表沉降。

6 結束語

深圳地鐵10號線與4號線福田口岸站區間暗挖段礦山法施工開挖過程中，通過采用FLAC3D軟件建立數值模型，采用完全流固耦合計算方法進行計算，對全斷面注漿加固后開挖地層孔隙水滲流進行了綜合分析，得到了10號線隧道開挖過程中地層孔壓、地下孔隙水滲流變化規律等結果，并得到了如下結論:

(1)對掌子面進行全斷面注漿加固不僅可以有效抑制地下水大量從開挖洞周和掌子面流入隧道，極大地避免了地下水滲流洞周圍巖的直接弱化作用，而且可以對隧道突發涌水以及洞周、掌子面圍巖的坍塌起到一定的防范作用。

(2)兩隧道外側的旋噴樁起到加固止水的作用，隧道開挖過程中，地下水滲流只能顯著影響到兩側旋噴樁內側的區域。因此，在兩隧道外側采用旋噴樁加固止水可以較好的控制地表沉降。