地表注浆在超浅埋隧道工程中的应用研究

史作璟，翁承显

(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司，重庆　401121)

地表注浆在超浅埋隧道工程中的应用研究

史作璟，翁承显

(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司，重庆401121)

摘要：火凤山隧道为城市公路隧道，根据其进口段超浅埋回填土地质条件实际情况，设计中采用地表注浆预处理措施，以及早进洞施工，达到改善围岩强度，保证隧道施工安全的目的。运用大型有限元软件MIDAS GTS对地表注浆效果进行数值模拟分析，并提出地表注浆效果评定方法。数值模拟及实际监测数据表明：地表注浆预处理后，围岩强度及完整性得到很大提高，隧道开挖后变形速率及最终变形值均较小，初期支护受力改善明显。由此可知，地表注浆预处理可有效保证隧道施工安全及质量。

关键词：隧道；地表注浆；效果；检测

随着我国经济的飞速发展，城市隧道与地铁建设兴起，隧道工程越来越多，地质条件也越来越复杂。隧道工程在超浅埋回填土地质施工时，极易造成冒顶式塌方，对现场施工人员人生安全造成极大安全隐患[1]。因此，超浅埋回填土地质处理措施研究便成为业界急需解决的重大课题。

随着我国基础工程建设项目增多，地表注浆预处理措施已在土木工程领域得到了众多应用。隧道工程中，地表注浆预处理主要针对围岩地质条件差、浅埋偏压、进洞等隧道工程实践，但由于注浆工程的隐蔽性，一直未能形成一套完整的检测体系，从而对工程建设造成了一定的安全隐患和经济损失[2]。本文以重庆市火凤山隧道进洞口超浅埋回填土地质下穿高速公路为工程实例，通过数值模拟及实际监测，详细分析该隧道地表注浆加固措施，对类似工程具有一定的借鉴作用。

1工程概况

火凤山隧道位于重庆市北部新区人和组团，全长约1.65 km，包含各长725 m的左右线主隧道，以及205 m 长C匝道。隧道进洞口位于内环高速公路路基边坡处，埋深最浅处覆土厚5.6 m，为超浅埋隧道，且线路基本垂直于高速公路进洞。高速公路路基边坡坡向84°，地形坡角23°～28°。根据地质勘查资料，火凤山隧道进洞口处地层主要为第4系人工填土、粉质粘土，土层厚6～10 m，其中粉质粘土厚1～2.3 m，下伏基岩为泥岩，强风化带厚1～1.6 m，岩土界面倾向与斜坡倾向一致，岩土界面倾角10°～20°。隧道进洞口平面和纵断面如图1所示。

图1　隧道进洞口平面和纵断面示意

2地表注浆方案

火凤山隧道为超浅埋隧道，且进洞口段隧道拱顶围岩为回填土地质，围岩自身承载能力差，上方又为高速公路填土路基，下部泥岩风化裂隙发育。因此，为控制高速公路地表沉降，保证施工安全，设计采用了地表注浆加固措施，以改善围岩物理力学性能，提高围岩的自稳性，缩小围岩松弛区范围，减小围岩对初期支护的压力[3]。

2.1地表注浆范围

长度：隧道开挖影响范围按45°角向地面扩散，沿隧道纵向取第3条快速路边线向外扩大15 m计，注浆范围沿隧道纵向长度约80 m。

宽度：隧道开挖影响范围按45°角向地面扩散，沿隧道两侧开挖边线向外扩大15 m计，注浆范围沿隧道横向宽度约80 m。

深度：注浆孔深度以深入基岩0.3 m和超前管棚支护外边线以上0.5 m两项进行控制，地表注浆范围横断面如图2所示。

2.2注浆孔布设

根据现场试注浆及经验，注浆孔扩散半径取0.96 m，注浆孔布置如图3所示。

2.3注浆材料及压力

注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆和水泥单液浆2种。注浆区域外围设2排水泥-水玻璃双液浆注浆孔。注浆材料中，水泥与水玻璃体积比取1∶0.5，水玻璃浓度为35Be’，水泥采用425号普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰比为1∶1，浆压0.5～1 MPa，稳压5min。注浆区域内部设单液浆注浆孔，注浆材料采用水泥浆，425号水泥浆水灰比为1∶0.8，浆压0.2～0.5 MPa，稳压20 min。

图2　地表注浆横断面示意

图3　地表注浆孔布设

为保证不跑浆，总体施工顺序为先进行洞顶管棚及注浆区域外围双液浆注浆施工，然后完成注浆区域内部单液浆施工[4]。

3数值模拟分析

3.1数值模拟模型

本次数值模拟分析采用MIDAS GTS大型通用有限元软件建立地层结构法计算模型。模型中，采用平面实体单元模拟围岩及地表注浆范围；锚杆采用全长粘结式杆材料模拟，为植入式桁架单元；喷射混凝土及拱架采用全长粘结式直梁材料模拟(其弹性模量取喷射混凝土弹性模量的1.2倍作为综合模量进行模拟计算)。

考虑到本次模拟分析注重分析地表注浆效果，因此模拟分析采用全断面开挖工法进行模拟计算。分析过程分如下3步：1) 计算模型的初始地应力，并进行初始变形清零；2) 全断面开挖(洞周围岩释放40%地应力)；3) 模拟初期支护结构(洞周围岩释放60%地应力)。数值模拟过程中，主要通过改变注浆范围围岩材料参数来进行地表注浆施工模拟[5]。

本次模拟分析采用平面计算模型，模型左右水平计算范围均取隧道跨度的3倍，垂直计算范围向上取至自由地表，向下取隧道高度的3倍，模型尺寸为90 m×46 m，如图4所示。

图4　数值分析模型

3.2材料参数

根据地质勘察资料，本次模拟所采用的材料物理力学参数如表1所示。由于本次模拟仅对注浆效果进行分析，故注浆体材料物理力学参数仅为经验值。

表1　材料物理力学参数

3.3计算结果分析

从经验看，火凤山隧道拱顶为回填土，自稳能力较差，隧道开挖后地层“成拱”效应较弱，使得隧道变形较大。因此，很有必要对注浆前后地层应力及隧道受力、变形进行相应分析。注浆前后围岩地层应力、隧道拱顶沉降及锚杆轴力如图5～7所示。

从图5可以看出，隧道开挖致使地层地应力重新分布，地表未注浆时，地层主应力3.47 kN/m2；采用地表注浆施工后，地层主应力减小为2.01 kN/m2，减小幅度达到40%，可见地表注浆措施对地层岩性进行了很好的改善，使得隧道整体所受荷载明显减小。从图6可以看出，地表注浆前后隧道拱顶沉降由12.0 mm减小为9.5 mm，减小幅度为21%，可见地表注浆措施改善了围岩的“成拱”效应，减小了隧道开挖变形。从图7可以看出，地表注浆前后锚杆轴力由5.0 kN增加到5.5 kN，虽然增加幅度仅为10%，但可以看出，地表注浆后，围岩的地层岩性得到了改善，锚杆拉拔力得到了提高，从而使得初期支护整体受力特征得到了很好的改善。

图5　注浆前后围岩地层应力

图6　注浆前后隧道拱顶沉降

图7　注浆前后锚杆轴力

4地表注浆效果评定

按照简便快捷、经济适用的原则，并考虑到工程实际情况，火凤山隧道地表注浆效果主要采用复注法及浆液填充率反算法进行评定。另外，为了验证注浆效果，还对现场实际监控量测数据进行了分析[6]。

4.1复注法(结合钻孔取芯)

复注法是每次注浆完成后在注浆区域重新钻孔注浆，通过前后2次注浆量的比较来判定注浆效果。注浆完成后即可实施复注法。根据现场地表注浆施工组织安排，火凤山隧道地表注浆复注法检测共钻取9个孔(按2%进行钻孔复注)进行复注。其中，C匝道上部路基钻孔2个，钻孔深度6.0 m；左隧道上部路基钻孔3个，钻孔深度9.5 m；右隧道上部路基钻孔4个，钻孔深度12.4 m。孔位在注浆孔中间随机抽测，孔位布置在下穿隧道拱顶及拱腰位置[7]。火凤山隧道地表注浆复注量统计见表2。

表2　火凤山隧道地表注浆复注量统计

从表2数据可以看出，注浆区域复注百分率为15.8%～19.5%，平均复注百分率为18.0%，说明地表注浆效果较好，围岩特征可以得到很好改善。

另外，受回填土地质所限，钻孔时不能取出完整芯样进行抗压试验，但通过对取出的芯样进行观察，可宏观了解浆液扩散深度和在填筑体中的填充情况。钻孔芯样如图8所示。从图8可以看出，钻孔的中下部及底部已经都扩散有浆液，浆液已经贯穿于整个回填土地层。

图8　钻孔芯样

4.2浆液填充率反算法

浆液填充率反算法是通过统计总注浆量来反算出浆液填充率，并根据浆液填充率评定注浆效果[8]。浆液填充率反算公式如下：

∑Q=Vnα(1+β)

式中：∑Q为总注浆量，m3；V为加固体体积，m3； n为地层孔隙率或裂缝度；α为浆液填充率；β为浆液损失率。

根据现场数据统计，火凤山隧道下穿内环高速公路段总注浆量为1 133.4 m3，平均深度为7.1 m，注浆土体总体积为7 466.7 m3。由于注浆区域底部及四周均已封闭，注浆浆液无损失，故β取0。根据CJJ 1—2008《城镇道路工程施工与质量验收规范》并参考相关资料，考虑到该内环高速公路已经运行多年，压实度系数≥95%，最大孔隙率n取20%。浆液填充率反算结果见表3。

表3　火凤山隧道地表注浆浆液填充率反算统计

4.3监测数据分析

为保证施工安全，分析地表注浆效果，在火凤山隧道施工现场选取了典型断面进行拱顶下沉及水平收敛监控量测，监测点断面布置如图9所示。拱顶下沉及水平受力随时间变化曲线如图10、图11所示。

图9　检测点布置断面

图10　拱顶下沉随时间变化曲线

从图10、图11可以看出，隧道开挖后拱顶下沉及水平收敛变形速度均较快，且特征类似，开挖后10 d左右便可完成总收敛变形的75%，最终稳定拱顶下沉值及水平收敛值均较小。由此可知，地表注浆对隧道围岩稳定，保证施工安全方面效果明显。

图11　水平收敛随时间变化曲线

5结论

1) 本文基于火凤山隧道进洞口超浅埋、回填土地质下穿高速公路路基的工程实际，提出了地表注浆预处理措施及地表注浆效果评定方法，其对于保证隧道施工安全，控制高速公路地表沉降具有重要作用。

2) 数值模拟分析表明，地表注浆实施后，地层应力得到了很好的改善，地层主应力减小幅度达到40%。另外，围岩“成拱”效应也得到了加强，不仅减小了隧道开挖变形，而且使隧道支护体系整体受力特征也得到了很好改善。

3) 地表注浆效果评定分析表明，注浆区域平均复注率为18%，浆液填充率为75.9%。通过现场钻孔观察可知，钻孔中下部及底部均已扩散有浆液，且浆液已经贯穿于整个回填土地层，说明地表注浆效果较好，围岩完整性得到了很好改善。

4) 监控量测数据表明，隧道开挖后，最终稳定拱顶下沉值及水平收敛值均较小，地表注浆对隧道围岩稳定，保证施工安全方面效果明显。

参 考 文 献

[1]王建亚.地表注浆在隧道复杂地层加固中的应用[J].山西建筑，2007(5)：277-278.

[2]马海君，郝行舟.浅谈地表注浆加固在不良地质隧道中的应用[J].交通科技，2005(6)：67-69.

[3]来弘鹏，谢永利，杨晓华.地表预注浆加固公路隧道浅埋偏压破碎围岩效果分析[J].岩石力学与工程学报，2008(11)：2309-2315.

[4]张虎.地表注浆在隧道工程中的应用[J].公路，2006(3)：204-209.

[5]谢自韬，江玉生，刘品.盾构隧道壁后注浆压力对地表沉降及围岩变形的数值模拟研究[J].隧道建设，2007(4)：12-15.

[6]姜洪涛，谭兵，臧万军.高速公路隧道浅埋段地表深层注浆施工技术[J].现代隧道技术，2008(3)：65-68，73.

[7]陈金城.天心山隧道帷幕注浆及地表深孔注浆施工技术[J].铁道建筑，2005(9)：50-52.

[8]乔明灿，乐金朝，牛向飞.隧道地表坍陷深层注浆理论研究与工程实践[J].隧道建设，2011(9)：80-83.

Research on Application of Surface Grouting in Super-shallow Embedded Tunnels

SHI Zuojing, WENG Chengxian

Abstract:Huofengshan Tunnel is an urban highway tunnel and surface grouting pretreatment measure in design, as well as early-stage in-tunnel construction, are adopted according to the geological conditions of super-shallow embedded backfilling soil at the inlet section for the purposes of improving wall-rock strength and guaranteeing safety in tunnel construction. This paper carries out numerical simulation analysis for the surface grouting effect by means of large-scale finite element software MIDAS GTS, and proposes the evaluation methods for the surface grouting effect. Numerical simulation and actual monitoring data show that after surface grouting pretreatment, wall-rock strength and integrity are greatly improved. After excavation of tunnel, deformation rate and final deformation value are both small and stress on initial support is improved remarkably. It is suggested that surface grouting pretreatment can guarantee construction safety and quality of tunnels.

Keywords:tunnel; surface grouting; effect; detection

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.023

收稿日期：2015-12-23

作者简介：史作璟(1982-)，男，山西省祁县人，硕士，工程师。

文章编号：1009-6477(2016)03-0102-06中图分类号：U459.2

文献标识码：A