浅埋暗挖隧道双液注浆加固数值模拟分析

吕 纬， 吉小明

（广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006）

地下水的存在和活动是影响围岩稳定性的重要因素，含水砂层地质中的浅埋暗挖隧道修建时极易发生破坏，有效的注浆加固技术能大大提高隧道围岩的稳定性。关于这方面的研究也越来越多，文献［1］以广州地铁5号线珠江新城站－猎德站浅埋暗挖区间隧道地面高压旋喷桩加固饱和动态含水砂层工程为例，对原设计双重管高压旋喷桩现场试验与单管、双重管和三重管改进高压旋喷桩现场试验成桩质量进行对比分析。文献［2］通过对TSS型注浆管的研制，以及其在饱和含水砂层的应用，成功地解决了单向袖阀式小口径注浆管工艺，大大地提高了工程进度，降低了造价。文献［3］以北京“复－八”线地铁施工资料为基础，总结饱和土层因水而造成的砂土悬涌塌方事故情况，探讨了北京陆相河流冲积扇地层悬涌塌方的机理。文献［4］通过监测数据分析冻土帷幕各种参数，指导隧道修复工作的进行，并考察了隧道修复工作对冻土帷幕温度的影响。文献［5］采用非线性有限元法对硬质围岩铁路隧道进行了大断面开挖－锚喷支护施工全过程分析，并分析了围岩的位移变形、应力和塑性区分布等特征。国外的研究中，补偿注浆技术［6］被成功运用于伦敦Jubilee线的续建工程。文献［7］通过室内试验研究了不同浆液在砂层中进行渗透注浆的注浆效果。文献［8］提出了水泥浆液在粒状介质悬浮流的理论模型，在模型中考虑了水泥浆渗入速度及粒状体渗透性的变化，给出了一维情形下的解析解，并将其结果与室内试验结果进行了对比。本文结合广州地铁5号线珠江新城至猎德段项目，采用有限差分软件FLAC 3D模拟不同的隧道加固情况（是否采用二重管无收缩双液注浆）对地表沉降及变形的影响，以期为同类工程的设计和施工提供科学依据和技术指导。

1 工程概况及注浆方案

广州地铁5号线珠江新城至猎德区间隧道在大里程方向至猎德站约200m长隧道上方为不稳定地层，拱部地层主要为冲积－洪积粉细、中粗砂层、硬塑状黏性土、中密状粉土、红色砂岩类强风化带，隧道下部主要为中风化带砂岩和微风化带砂岩。隧道上覆盖土层距离透水砂层厚度小，砂层水量大且具有一定的承压性，不利于隧道开挖。

区间隧道过砂层段地面条件较为复杂，砂层厚度为2～3m，含水量大，并受到动水的影响，砂层处理十分困难，左线ZDK16＋507～16＋530.3过砂层段局部地方砂层侵入拱顶，右线隧道里程YDK16＋480～YDK6＋530.3，砂层已进入拱顶最深处达1.5m，严重影响隧道初期支护的施工，需要对砂层进行加固处理。

根据工程地质、水文地质情况，注浆材料浆液采用AB、AC液双液浆。注浆材料参数为：A液为40Bé水玻璃175kg；B液为Gs剂8.5kg，P剂4.5kg，DHP剂 6.7kg；C液为P.O.42.5水泥250kg，外加剂6.9kg。溶液由A、B液组成，悬浊液由A、C液组成。浆液种类为水泥－水玻璃双液浆，水泥品号为P.O.42.5，原水玻璃型号为40Bé，水灰比为1.5∶1～2.0∶1，体积比为1∶1，注浆用水玻璃型号为30～35Bé。

根据已有的施工经验和隧道3台阶开挖的实际情况，结合隧道开挖时暴露的地质及地下水情况，确定垂直方向加固范围为拱顶上方3.0m，设计采用9排孔注浆，每排孔位环向间距为600mm，具体施工过程中可根据注浆情况进行调整。钻机在同一位置以不同的角度、不同的深度进行钻孔注浆。每循环注浆段长度为10m，开挖7m，留下3m作下一循环段注浆的止浆墙。孔位布置及相关参数如图1和图2所示，WSS注浆孔位参考角度见表1所列。

注浆顺序由两侧到中间，由下而上，如图2所示。由于浆液的扩散情况不同，可根据现场实际地层情况调整注浆孔位，以达到更好的注浆效果。主要的注浆参数有：注浆压力为0.5～2.0MPa，注浆终压为2.0MPa，浆液扩散半径为500mm，浆液初凝时间为10s～1min，注入率为40%左右，注浆管孔径为Φ42mm。

注浆量根据注浆压力或溢浆情况进行控制，若注浆压力稳定在2.0MPa、孔口返浆量较大、注浆压力高于2.0MPa时注入困难，即可认为此孔注浆完成。每个循环注浆10m，开挖7m，留3m的止浆墙。

图1 WSS注浆加固纵断面

图2 WSS注浆加固剖面图

表1 WSS注浆孔位参考角度

2 数值模拟分析

2.1 计算模型及参数

根据不同的地质条件及单元所在的地质情况，赋予土层不同的材料参数。本文建模采用Mohr－Coulomb模型。首先，执行渗流分析，将各节点的孔隙水压力和水头储存起来；然后通过总水头值计算各节点的水头梯度值，将计算得到的渗流力作为节点力储存起来；最后将渗流分析得到的渗透力作为力边界条件施加到应力分析中。

建模时，为了减小模型边界的效应影响，把计算模型的范围设定为：上至隧道地表，下至隧道地面以下32.047m，水平方向至隧道两侧各33.22m。取隧道总长度为66m。位移边界条件为：两侧限制水平位移，底面限制竖向位移，地表取为自由边界，对二重管无收缩双液注浆加固过的围岩按采用提高参数值的方法进行模拟，计算模型及网格划分如图3所示，土层材料参数见表2所列。

隧道开挖前，隧道所处的围岩为饱和围岩，渗流边界条件在地下水处为自由边界，左右两侧及底部边界为不透水边界，隧道开挖前围岩孔隙水压力为静水压力，水压力场与深度成正比。隧道开挖施工后，地下水在隧道开挖轮廓的边界上为自由透水边界，围岩的渗流场发生了改变。

图3 计算模型及网格划分

表2 土层材料参数

2.2 数值模拟结果分析

根据建立的模型，分有、无预加固（WSS加固）措施2种情况进行数值模拟，分别监测各横断面的地表沉降和隧道围岩塑性区，并进行比较。不同工况时各横断面拱顶最大沉降量见表3所列。

比较2种不同工况所引起同一横断面的沉降曲线，如图4所示，从图4可看出，隧道开挖过程中，不采用预加固和采用预加固在横断面所引起的地表最大沉降值分别为2.2cm和4.0cm，两者相差近一倍；各工况引起的地表沉降规律基本相同，地表横向影响范围约为30m。有无预加固情况下围岩竖向位移及围岩状态如图5、图6所示。从图5、图6可以发现，采用二重管双液注浆加固的围岩塑性区明显小于加固时围岩塑性区。开挖面上一点的水平位移图（z轴方向）如图7所示，从图7可以看出，随着开挖的进行，采用预加固时开挖面的最大水平位移为2.7cm，不采用预加固时开挖面最大水平位移为3.5cm，这表明虽然效果不是很明显，但 WSS预加固对开挖面的水平位移也能起到一定的抑制作用。

由于开挖后，实际进行初次支护的时间比模拟时有所推迟，会导致围岩产生松弛效应，引起拱顶沉降增加，所以实测的沉降可能比模拟时有所增大，但可以判断，采用二重管无收缩双液注浆加固对含水砂层隧道地表沉降有很好的控制作用。

表3 不同工况时各横断面拱顶最大沉降量 mm

图4 横向地表沉降曲线

图5 围岩竖向位移

图6 围岩状态

图7 开挖面水平方向位移

3 结论

二重管无收缩双液注浆技术（WSS）比其他类型地基处理方法在处理复杂地质情况时适用性更强，可以满足越来越复杂的工程地基处理要求，能有效地改变含水砂层围岩的物理力学性质，在隧道开挖面上部形成刚度较大和整体性较好的预支护结构，对隧道围岩塑性区和地表拱顶沉降都有着很好的控制作用，同时，也能在一定程度上减小开挖面水平方向的位移。而且，其浆液混合方式和注浆的方向性可随时调节，注浆材料的凝胶时间可以从瞬结到缓结，配比可任意搭配，使用电子监控技术能够实现定向、定量、定压注浆施工，更有利于施工。

FLAC 3D的计算结果显示，该数值分析方法分析边坡的稳定性时不需要事先指定破坏面的范围，能自动找到多重破坏面，坡体的破坏按自然的方式发生，在此基础上还可大致确定不稳定区域及其运动趋势，因此，在岩土工程分析中，较其他方法有更好的适用性。

［1］任伟新.二重管无收缩双液注浆在饱和动态含水砂层浅埋暗挖隧道中的应用［J］.施工技术，2009，36（6）：84－87.

［2］丁 锐.TSS型注浆管的研制及在饱和含水砂层的应用［J］.铁道工程学报，2000（1）：95－101.

［3］彭泽瑞.城市地铁隧道施工中砂土悬涌塌方机理分析［J］.市政技术，2003，121（1）：1－4.

［4］陈 弢，胡向东.盾构隧道修复工程中的垂直冻结加固应用［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32（10）：1542－1546.

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［7］Brachman R W I，Martin C D，Gilliss S A.Grout field trials in outwash sands［J］.Canadian Geotechnical Journal，2004，41：1－11.

［8］Saada Z，Canou J，Dormieux L.Modelling of cement suspension flow in granular porous media［J］.International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2005，29：691－711.