淺埋暗挖全斷面砂層隧道超前注漿加固技術研究

何秋敏 周冬輝 魏 琪

(1.西安有恒房地產開發有限公司，710016，西安；2.西安市軌道交通集團有限公司，710018，西安∥第一作者，工程師)

淺埋暗挖法施工工藝較為簡單，且可根據監控量測信息及時修正施工工藝。相較于明挖法和盾構法，淺埋暗挖法具有適應范圍廣、對周圍環境影響小、斷面變化靈活等優勢，是城市地下工程施工的主要方法之一[1]。對于淺埋暗挖砂層隧道，由于砂層的膠結強度低和自穩能力差等特性，極易引發隧道塌方與地表塌陷等災害事故，繼而引起交通中斷、管線斷裂和房屋破壞等后續環境災害[2-3]。注漿作為一種能夠有效提升圍巖承載能力的措施,廣泛應用于隧道穿越砂層過程。對于城市淺埋砂層隧道，由于漿液在砂層中的擴散能力差，導致注漿加固范圍難以控制，且注漿易引起地表隆起和管線變形，需對注漿材料的滲透擴散和加固能力提出更高要求[4-5]。

諸多學者在砂層注漿加固方面進行了大量研究。文獻[6]通過數值模擬對地鐵隧道在軟弱砂層中穿越建筑物的注漿加固技術和控制效果進行了分析。文獻[7]利用多場耦合軟件建立隧道開挖-注漿耦合分析模型，對隧道開挖過程中注漿的漿擴散時空變化規律進行了研究。文獻[8]通過室內試驗對磷酸-水玻璃注漿材料的凝膠時間、凝膠形態和砂土固結體強度的影響因素進行了研究。

盡管超前注漿加固技術已大量應用于實際工程，但由于注漿的隱蔽性、隨機性和復雜性，使其存在“難選材、難控制、難評價”等問題。本文通過室內試驗分析了漿液配比，通過數值模擬和現場試驗研究了注漿加固效果。本文研究可為類似工程提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

西安某地鐵停車場出入線區間為雙線、單洞單線設計，隧道右線長為423.07 m，左線長為416.13 m，左、右線間距為12.00 m。隧道埋深變化較小，在15.16～19.55 m之間浮動。隧道斷面尺寸為6 500 mm×6 950 mm,初期支護厚為250 mm，二次襯砌厚為350 mm，采用“上下臺階法+臨時仰拱”施工。

1.2 工程地質及水文地質

該隧道地貌單元屬渭河二級階地，地表以下65 m范圍內的地層主要由新黃土、古土壤、粉質黏土、細砂、中砂、粗砂組成，隧道主要位于細砂和中砂層，地質斷面圖如圖1所示。

圖1 地質斷面圖Fig.1 Geological section diagram

地下水埋深為23.1～25.0 m，位于隧道拱底附近，屬第四系松散層孔隙潛水，主要賦存于中砂、粉細砂及粉質黏土層中，富水性好。

2 室內配比試驗

2.1 膠凝試驗

表1 膠凝時間及其效果評價Tab.1 Cementing time and effect evaluation

圖2 不同靜置時間下的漿液膠凝狀態Fig.2 Cementing state of slurry at different standing time

凝膠時間是注漿材料的重要性質之一，其直接決定著漿液在土層中的擴散距離。當工程的注漿范圍較大、且需要漿液有較大的擴散半徑時，漿液的凝膠時間應足夠長，以保證漿液可以充分擴散至全部注漿范圍；若注漿范圍內有地下水流動，為了防止地下水把漿液帶走或出于堵水的目的，則要求漿液的凝膠時間應盡可能短，甚至瞬凝。由于所依托工程不受地下水影響，且受工期限制，所以膠凝時間不宜過長。根據膠凝試驗結果可知，當水、磷酸、水玻璃體積比分別為12.00…1.00…3.25、12.00…1.00…3.35和13.00…1.00…3.30時，漿液可充分滲透至砂土中，工程應用效果較好。

2.2 無側限抗壓強度試驗

根據膠凝試驗結果，選擇水、磷酸、水玻璃體積比為13…1…3.30和12…1…3.35時的改性水玻璃溶液加固砂土，進行無側限抗壓強度試驗。砂土在實驗室進行振搗制樣，制備試樣干密度為1.50 g/cm3，現場取樣的天然含水量為15%，圓柱體試樣高為80 mm，直徑為39 mm，試樣制備完成后靜置12 h，以保證充分凝結。試樣制備及試驗過程如圖3所示。

圖3 試樣制備及試驗過程Fig.3 Sample preparation and test process

不同漿液配比下，無側限抗壓強度試驗的應力應變曲線如圖4所示。通過試驗結果可知：當水、磷酸、水玻璃體積比為13.00…1.00…3.30和12.00…1.00…3.35時，抗壓強度均接近50 kPa；4 h后，抗壓強度均衰減至10 kPa以下。與水、磷酸、水玻璃的體積比為12.00…1.00…3.35相比，當體積比為13.00…1.00…3.30時，抗壓強度在短時間內上升得更快，表明其在短時間內的加固效果更優，實際工程應用效果更好。

2.3 直剪試驗

以原狀土的干密度和含水量制備素砂土進行直剪試驗，獲得的抗剪強度包線如圖5所示。由圖5可知，素砂土的黏聚力C=0.37 kPa，內摩擦角φ=16.8°。

圖4 不同漿液配比下的無側限抗壓強度Fig.4 Unconfined compressive strength at different slurry ratios

圖5 素砂土抗剪強度包線Fig.5 Shear strength envelope of plain sand

保持干密度和含水量與原狀土一致，以水、磷酸、水玻璃體積比分別為12.00…1.00…3.35和13.00…1.00…3.30的改性水玻璃溶液加固砂土進行直剪試驗。砂土在實驗室進行振搗制樣，試樣制備完成后分別靜置12 h和18 h，以保證其底部充分凝結。當法向固結應力分別為50 kPa、100 kPa和200 kPa時，不同體積比及靜置時間下固砂體的抗剪強度包線，如圖6所示。

不同漿液配比下，砂土的抗剪強度指標如表2所示。由表2可知，在砂土中添加改性水玻璃溶液可有效提高其黏聚力，而內摩擦角則稍有降低。隨著靜置時間的增長，體積比為13.00…1.00…3.30的固砂體黏聚力基本保持不變，其內摩擦角則增大接近至素砂土的內摩擦角值；隨著靜置時間的增長，體積比為12.00…1.00…3.35的固砂體黏聚力和內摩擦角均無顯著變化。因此，當體積比為13.00…1.00…3.30時，固砂體的抗剪性能更強，漿液對砂土的加固效果更優。

圖6 不同體積比及靜置時間下的固砂體抗剪強度包線

表2 不同漿液體積比下的砂土抗剪強度指標

2.4 注漿配合比

結合實際工程需要，對不同體積比下漿液的膠凝時間及固砂體的無側限抗壓強度和直剪強度試驗結果進行綜合分析，確定水、磷酸、水玻璃最佳注漿配合體積比為13.00…1.00…3.30。

3 隧道開挖數值模擬

3.1 數值計算模型

采用FLAC3D有限差分軟件模擬隧道開挖過程，如圖7所示。建立三維數值計算模型，模型尺寸為80 m×50 m×50 m，隧道左、右兩側距邊界為36.5 m，約為隧道洞徑的5倍，隧道底部距底部邊界為26.0 m，約為隧道洞徑的4倍。隧道埋深為17.0 m，模型上部邊界取自地表。模型在自重應力場下進行計算，邊界條件定為模型底面固定，四周表面約束其法向位移，上表面取至地表，為自由表面，開挖步距為0.5 m。

圖7 數值計算模型Fig.7 Numerical calculation model

3.2 物理力學參數

圍巖采用摩爾庫倫準則進行模擬，圍巖物理力學參數參考室內試驗數據和地質勘探資料，如表3所示，其中注漿加固作用等效為加固區。襯砌采用彈性模型，初支等效折算為實體單元，支護力學參數如表4所示。

表3 圍巖物理力學參數表

表4 數值模型支護力學參數表

3.3 數值計算結果分析

3.3.1 地層沉降分析

注漿處理和未注漿處理條件下的隧道地層沉降云圖如圖8所示。由圖8可知，對砂層進行注漿處理可以有效控制地層和地表的沉降。未注漿時，工后地表最大沉降量為23.0 mm；超前注漿處理后，工后地表最大沉降量為1.2 mm，大幅度減小了地表沉降。因此，注漿處理可以有效改善隧道圍巖條件。由室內試驗結果可知，注漿對砂層的加固作用主要是大幅增強砂體黏聚力。注漿加固條件下其他地層沉降也有所減小，新黃土和古土壤地層沉降量分別從26.0 mm和60.0 mm減小至2.0 mm和11.0 mm。從拱頂至地表，注漿處理可使地層沉降減小約80.0%～95.0%，地層沉降控制效果顯著。由于隧道上方分布有污水、燃氣、給水和熱力等多條管線，超前注漿加固可通過減小地層沉降有效控制管線沉降，從而確保施工安全。

圖8 地層沉降云圖軟件截圖Fig.8 Screenshot of formation subsidence nephogram in software

3.3.2 拱頂沉降分析

超前注漿加固可大幅減小隧道拱部變形量，有效控制拱頂沉降。未經過注漿處理的隧道拱頂沉降為11.9 mm；注漿加固后的隧道拱頂沉降為6.0 mm，比未注漿工況減小了49.6%，與地層沉降分析結果相符。提取隧道中間斷面拱頂沉降曲線如圖9所示。由圖9可知，經過注漿處理后，拱頂沉降達到穩定狀態的開挖距離大幅減小。未注漿時，隧道開挖至中間斷面后30 m才逐漸達到穩定；經過注漿處理后，隧道開挖至中間斷面后20 m，拱頂沉降值基本不發生變化，說明圍巖變形已達到穩定。

圖9 中間斷面拱頂沉降曲線Fig.9 Settlement curve of middle section vault

3.3.3 塑性區分布

注漿能有效抑制地層沉降變形，并減小塑性區分布，注漿處理和未注漿處理工況下的塑性區云圖如圖10所示。由圖10可知，注漿加固主要抑制隧道拱部圍巖塑性區的發展，其余未加固地層的塑性區分布變化不大。未注漿時，隧道拱部塑性區的分布呈貓耳朵形，由于砂層黏聚力較小，拱部圍巖主要為剪切破壞。注漿加固后，地層黏聚力有所增加，抑制了拱部特別是拱頂部分塑性區的形成。

圖10 圍巖塑性區分布Fig.10 Distribution of surrounding rock plastic zone

4 現場注漿試驗

4.1 注漿方案

試驗斷面位于細砂層，為保證隧道開挖的穩定性，采用上臺階全斷面注漿方案。在拱頂約120°范圍內，打設φ42 mm超前小導管，長度為1.8 m，環向間距為30 cm。掌子面小導管長度與拱頂保持一致，環向間距由拱頂向內逐漸增大，為0.5～1.0 m。小導管漿液溢出孔采用梅花形布置，間距為15～25 cm。

4.2 開挖穩定性分析

隧道注漿斷面開挖長約4.7 m，高約1.6 m，開挖進深約1.2 m，如圖11所示。由圖11可知，拱頂上方及拱肩位置處的砂層土體保持穩定，未發生顯著砂層滑塌現象，表明注漿后的砂層土體穩定性良好，地層成拱效果較好。在開挖斷面拱頂上部50 cm處設置地層沉降監測點，未經注漿處理開挖時，拱頂及拱腰處砂體滑落嚴重，地層沉降為31.5 mm；注漿處理后，開挖的地層沉降為5.9 mm，地層沉降減小了81.3%，與數值模擬結果基本吻合。開挖過程中，可見擴散范圍內漿液與砂體黏結形成固砂塊體，最大固砂塊體的長和寬約為37 cm，如圖12所示。由圖12可知，該漿液配比對砂層滲透效果較好，能夠有效黏結砂土并達到加固效果。

圖11 試驗斷面開挖狀態Fig.11 Excavation status of test section

圖12 注漿后砂體黏結效果Fig.12 Bonding effect of sand body after grouting

5 結語

為解決淺埋暗挖全斷面砂層隧道施工過程中的砂土滑塌問題，本文通過室內試驗確定了改性水玻璃漿液配比，并通過數值模擬和現場試驗研究了注漿加固效果，所獲得的主要結論如下：

1) 水、磷酸、水玻璃的體積比為13.00…1.00…3.30的漿液，膠凝時間適中，在砂土中的滲透能力較好。與砂土形成固結體后，在短時間內能夠顯著提高其抗壓強度和抗剪強度，推薦以此配比進行砂層隧道注漿加固。

2) 注漿加固能夠有效控制隧道開挖引起的地層沉降和拱頂沉降，抑制拱部圍巖破壞并提高圍巖成拱能力。對于城市淺埋暗挖隧道，超前注漿加固可降低開挖對圍巖及管線的影響，確保施工安全。

3) 注漿后開挖揭露的掌子面特征表明，該配比漿液在砂層中的擴散效果較好，砂層土體穩定性和地層成拱效果良好，能夠達到預期加固效果，可為淺埋暗挖全斷面砂層隧道工程提供參考。