软流塑淤泥质粉质黏土地层注浆加固试验研究

杨树才 杨 旭 程 曦 杨 军

(1南京市地下铁道工程建设指挥部，南京 210008)

(2东南大学交通学院，南京 210096)

20世纪70年代初，国外开始将新奥法应用于浅埋地层的研究［1-2］，到70年代末80年代初已基本形成了一套完整的技术.但因国外劳力少、工资高，所以并未广泛应用于城市地铁、市政工程设计与施工.20世纪80年代中期，我国借鉴国外成功经验及我国山岭隧道硬岩新奥法施工经验，结合中国国情和地质与水文地质情况，先后在大秦线军都山铁路隧道和北京地铁首次应用浅埋暗挖技术并获得成功.浅埋暗挖法经过十多年不断改进和完善，现已在城市地铁、市政工程、城市热力与电力管道、城市地下过街道、地下停车场等高水位和中硬岩层工程中推广应用，形成了一套完整的配套技术［1，3-5］，但在低水位和软弱土层应用此技术仍是空白.

南京地铁珠江路站—鼓楼—玄武门站区间隧道修建在软流塑淤泥质粉质黏土层中，因大断面结构需采用浅埋暗挖施工，该工法成功的关键是对软流塑淤泥质粉质黏土层注浆改良［6-7］.本文通过室内外试验对注浆加固的可行性、注浆加固范围、注浆加固原理、浆体材料和配比、注浆压力、注浆量、注浆施工、注浆效果等进行了分析和讨论.

1 工程概况

本工程玄武门站至珠江路站区间隧道为施工难点所在.在珠江路站北端隧道穿过地层为软流塑状粉质黏土，覆土厚度约9 m，区间上方有2栋7层和1栋4层建筑物及1条φ700 mm污水管.在玄武门站南端隧道穿过地层为软流塑状淤泥质粉质黏土，覆土厚度约8 m，该区间上方有2栋2层和3栋5层地面建筑物及1条φ900 mm污水管.

1.1 工程地质

区间隧道穿越的地层为:②-2b3-4粉质黏土-淤泥质粉质黏土，层厚4.8～12.2 m;②-2b4淤泥质粉质黏土-粉质黏土，层厚0.5～10.0 m;③-1-2b3-4粉质黏土，层厚2.0～5.6 m;③-2-2b3-4粉质黏土，层厚2.8～5.4m.地下水位在地下1.0～1.5 m处.

软流塑状淤泥质粉质黏土土体物理力学指标如表1所示.

表1 软流塑地层物理力学指标

1.2 软流塑地层暗挖隧道施工难点

软流塑地层暗挖隧道施工难点:(1)围岩自稳能力极差，开挖后易产生坍方，严重时可能发生涌泥现象，使施工无法进行.(2)地面沉降难以控制，在道路区过大沉降易引起路面开裂，甚至坍陷，影响交通安全;在管线和建筑物区，地面沉降过大易造成地下管线破坏和建筑物开裂，危及建筑物安全.

1.3 施工方案中加固土体的变形分析

经过工程调研和论证，区间隧道施工采用全断面或局部断面注浆加固土层，辅助工法为大管棚加超前小导管注浆加固［8-11］，其加固施工步序为Ⅰ～Ⅶ，隧道施工步序为1～6(见图1).

图1 大管棚加小导管超前预注浆施工方法示意图

应用于软流塑地层中的大管棚加超前小导管注浆加固，应分析管棚间挤土而引起的地层损失(见图2).

由图2(a)可知，大管棚间中心间距为35 cm，管棚本身土柱的刚度远远大于管棚间的土体.该土体的变形量受控于开挖释放应力的大小或地层压力的大小，其开挖后的应力分布［11］可表示为

图2 大管棚间的挤土原理图

式中，Su为十字板抗剪强度;a为隧道的等效开挖半径;r为以洞心为半径的变量，则挤土体变形量S可表示为

式中，σi为对应于σr时ri地层的初始地应力，当σi=σri时，挤土体变形结束.

因挤土体变形所产生的地层损失为

管棚径向对土体的作用力σr可以形成土体的主压应力，当大管棚的间距小到一定程度后，2根管棚间土的主压应力可以连成压力拱，如图2(b)所示.在2根大管棚之间加入小导管，通过超前注浆提高土体的强度和模量，可以减少挤土体的变形.

大管棚超前支护能够提高地层的稳定性，减少地面沉降;小导管注浆则用于补遗和加强.长管全断面一次注浆采用的是分段后退式注浆，其目的是加固开挖工作面轮廓线以内的软土，防止其发生洞体内突泥.为了提高注浆加固效果，要选择正确的注浆参数、探索注浆工艺和性能较优的注浆材料;通过劈裂注浆的室内试验和现场原位试验，在第1个循环的注浆试验段施工数据的分析指导下，完善注浆参数和工艺.

2 室内试验

2.1 试验设计

为了选择合适的浆材及配比，在6种不同水灰比的水泥品种中加入不同质量分数的水玻璃，对其3，7，14，28 d净浆抗压强度、初凝时间、流动性等进行考核，同时对所选定的配比进行固结体强度试验.试验不同配方的浆材对软流塑淤泥质粉质黏土的固结性能，从中选出强度最高的配方.试验采用的6种水泥品种为HC-T高强注浆材料、HC-T凝结时间可调灌浆材料、HC-P超细灌浆材料、HC-K超细灌浆材料、42.5号普通硅酸盐水泥和32.5号普通硅酸盐水泥;试样尺寸为40 mm×40 mm×40 mm;考核指标为抗压强度(28 d)、初凝时间和流动度.

试验分3批进行:第1批确认水灰比、水泥品种、水玻璃影响范围;第2批是在选定水泥品种的情况下，研究水灰比和水玻璃加量对指标的影响;第3批是研究浆液与淤泥土结石体强度的影响因素.所有试验均采用多指标综合平衡法分析试验方案结果.

2.2 试验方案1

根据水泥品种、水灰比、水玻璃量及水平个数，采用L6-3不等水平正交表.试验方案1和试验结果如表2所示.

表2 L 6-3试验方案与试验结果

由试验方案1结果的极差计算可知:影响强度的主要因素为水灰比，水泥品种和外加剂(水玻璃)为次要因素;初凝时间和流动度影响因素需进一步确认.

2.3 试验方案2

因主要考察指标为初凝时间，流动度、强度为次要指标，为选择合适浆材及配方，进一步对初凝时间、流动度进行试验，试验方案2及试验结果如表3所示.

表3 L 4-3试验方案与试验结果

由试验方案1和方案2结果的极差计算可知，影响初凝时间的因素依次为水泥品种、水灰比和水玻璃加量，较优条件为HC-P超细水泥，其水灰比为0.6、水玻璃质量分数1%;影响流动度的因素依次为水玻璃量和水灰比，水泥品种影响很小，较优条件为水玻璃量质量分数1%、水灰比1.0.

2.4 试验方案3

通过室内试验方案1和方案2，初步选定所用浆材为HC-T超细水泥，水玻璃加量均控制在1%左右.调整水泥加量，以分析浆液与淤泥土结石体的强度及其影响.试验材料配比表如表4所示;现场土样的物理力学性能指标如表5所示;试验结果如表6和图3所示.

表4 HC-T凝结时间可调注浆材料试验数据

表5 土样物理力学性质指标

表6 水泥土试验数据

由表6可知，水泥土的7 d抗压强度最低也可以达到0.43 MPa，最高可以达到0.85 MPa;28 d强度则更高，达到1.48～3.75 MPa，完全可以满足隧道开挖的需要.

由图3(a)可知，随着水泥量的增加，水泥土的强度也随着增加.由图3(b)可知，各个试样的强度均随着时间的增加而增加;各试样的28 d强度是其3 d强度的3～5倍，说明增加水泥的加量能增加结石体的强度，特别是28 d龄期的强度.但是，增加水泥量有一定的范围，在该范围内，能大幅度地提高结石体28 d的强度;超过这个范围，增加水泥量，结石体28 d强度增长的幅度将降低.所以，水泥的加量有一最优值，从试验数据可知，该最优值为15%.

图3 强度曲线

3 现场试验与工程实践

3.1 试验内容与方案

现场试验内容与方案如表7所示.

表7 现场试验内容与方案

3.2 现场试验与工程实践结果

工程开挖后进行目测观察注浆加固范围，开挖到止浆岩盘，量测加固体的直径.从掌子面开挖效果看，劈裂注浆起到了加固土体的效果.浆脉分布明显，注浆孔周围有明显的挤密浆体(见图4)，工程实施结果如图5所示.

图4 注浆孔周围挤密浆体块

图5 浆脉分布图

4 结论

1)在高水位软流塑淤泥质粉质黏土地层采用浅埋暗挖法成功修建地铁区间隧道是对该工法的拓展，对类似工程的建设具有指导和推广意义.

2)采用大管棚加超前小导管注浆加固支护，掌子面全断面或局部断面注浆能有效加固软流塑土层，防止隧道开挖时发生坍塌及洞内涌泥现象，控制地面沉降变形.

3)软流塑淤泥质粉质黏土地层全断面注浆选择应满足强度、初凝时间、流动度条件的要求，即用HC-P超细灌浆材料，水灰比0.6，水玻璃加量1%～5%，其28 d强度15.2 MPa;初凝时间45 min;流动度20.0 cm..

4)该地层的非全断面注浆，考虑到工期问题，采用初凝时间短的浆液配方;水泥品种为HC-T凝结时间可调灌浆材料，水灰比0.6，水玻璃加量1%～3%.此时28 d净浆强度22.0 MPa(40 mm×40 mm×40 mm)，初凝时间18 min，流动度26.5 cm.

References)

［1］王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥:安徽教育出版社，2004.

［2］McGillivray R T.Design of grouting procedures to prevent ground subsidence over shallow tunnels［J］.Geotechnical Special Publication，2003(120Ⅱ):1557-1569.

［3］胡仕涛.高压施喷注浆技术在隧道泥砂地层加固中的应用［J］.石家庄铁道大学学报，2011，24(1):10-13.

Hu Shitao.Application of high pressure jet grouting technology for mud and sand stratum strengthening in tunnel construction［J］.Journal of Shijiazhuang Tiedao University，2011，24(1):10-13.(in Chinese)

［4］王卫军，彭刚，黄俊.高应力极软破碎岩层基道高强度耦合支护技术研究［J］.煤炭学报，2011，36(2):223-228.

Wang Weijun，Peng Gang，Huang Jun.Research on high-strength coupling support technology of high stress extremely soft rock roadway［J］.Journal of China Coal Society，2011，36(2):223-228.(in Chinese)

［5］逢铁铮.全程注浆在隧道穿越即有建筑物中的试验研究［J］.岩土力学，2008，29(12):3451-3458.

Pang Tiezheng.Experimental study of whole process grouting used in tunnel passing through existing structures［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29(12):3451-3458.(in Chinese)

［6］王杰.岩土注浆理论与工程实例［M］.北京:科学出版社，2001.

［7］黄强兵，彭建兵，樊红卫，等.西安地裂缝对地铁隧道的危害及防治措施研究［J］.岩土工程学报，2009，31(5):781-788.

Huang Qiangbing，Peng Jianbing，Fan Hongwei，et al.Metro tunnel hazards induced by active ground fissures in Xi'an and relevant control measures［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(5):781-788.(in Chinese)

［8］彭正勇.三重管施喷注浆技术在隧道围岩加固中的应用［J］.地下空间与工程学报，2010，6(6):1215-1225.

Peng Zhengyong.Application of triplex pipe jet grouting in tunnel wall rock reinforcement［J］.Chinese Journal o f Underground Space and Engineering，2010，6(6):1215-1225.(in Chinese)

［9］周梁，廖少明，史宁强，等.隧道软弱下卧地基注浆加固试验［J］.重庆交通大学报，2010，29(6):880-884.

Zhou Liang，Liao Shaoming，Shi Ningqiang，et al.In-situ test of grouting reinforcement for subway tunnel foundation in soft ground［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2010，29(6):880-884.(in Chinese)

［10］陈炜韬，王明年，张磊，等.预加固措施对隧道开挖稳定性的影响研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(8):1640-1645.

Chen Weitao，Wang Mingnian，Zhang Lei，et al.Influence of pre-reinforcement measures on excavation stability of tunneling［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(8):1640-1645.(in Chinese)

［11］周顺华，张先锋，佘才高，等.南京地铁软流塑地层浅埋暗挖法施工技术的探讨［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(3):526-531.

Zhou Shunhua，Zhang Xianfeng，She Caigao，et al.Study on excavation method under shallow overburden of soft-flow ground［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(3):526-531.(in Chinese)