软弱砂层下的地铁隧道穿越建筑物的加固技术及注浆控制效果分析

许 军 张开顺

(1.重庆工程职业技术学院建筑工程学院,402260,重庆; 2.中铁十一局集团第五工程公司,400037,重庆∥第一作者，副教授)



软弱砂层下的地铁隧道穿越建筑物的加固技术及注浆控制效果分析

许 军1张开顺2

(1.重庆工程职业技术学院建筑工程学院,402260,重庆; 2.中铁十一局集团第五工程公司,400037,重庆∥第一作者，副教授)

地铁隧道在富水软弱砂层下穿越建筑物时,容易引起开挖面涌水突泥、围岩滑塌失稳以及建筑物不均匀沉陷等工程灾害。以青岛地铁枣李区间隧道软弱砂层带下穿建筑物工程为例,提出了全断面超前帷幕注浆、初支背后径向注浆及洞内补偿注浆联合加固技术。通过数值计算考虑注浆膨胀作用,分析了隧道下穿施工过程的地表变形及建筑物稳定性特性。研究表明:隧道在软弱砂层中采用全断面超前帷幕注浆会引起地表隆起现象,双线隧道地表呈现M型隆起变形,后开挖隧道变形值较大;地表建筑物在注浆膨胀作用下表现出正曲率变形,后开挖隧道正上方建筑基础最易发生破坏;穿越富水软弱砂层时不能一味提升注浆压力来提高地层刚度,应与现场监测结合进行施工控制。

地铁隧道； 软弱砂层; 下穿建筑物; 注浆效果; 数值模拟

First-author′s address School of Architectural Engineering,Chongqing Institute of Engineering,402260,Chongqing,China

随着我国轨道交通建设的蓬勃发展,地铁隧道下穿建筑物的情况也愈发频繁。尤其在富水软弱砂层地质,受夹层孔隙率大、胶结性差、建筑物超载作用、含水层承压性等因素的影响,容易引起隧道拱顶围岩大变形,致使开挖面与富水软弱夹层贯通形成渗水通道,造成掌子面涌水突泥、拱顶围岩滑塌失稳、地表建筑倾斜沉陷等工程灾害[1-3]。因此,制定合理的加固技术与控制措施,对确保隧道施工安全及建筑物稳定具有重要现实意义。

目前,关于富水软弱地层隧道加固技术及施工稳定性分析方面的研究已经取得了大量研究成果。张顶立等[4]依据软弱夹层与掌子面围岩的典型组合情况,建立了含软弱夹层围岩的力学模型,探讨了含软弱夹层围岩变形破坏的形成演化过程。李术才等[5]建立单一平板优势劈裂注浆扩散模型,推导了考虑浆液流变特征的优势劈裂注浆扩散控制方程,发现注浆速率、注浆压力及浆液黏度是影响注浆扩散的3个主控因素。李沿宗等[6]针对海底隧道软弱破碎地层特点,从超前地质预报、注浆方案选择、注浆材料、注浆参数、注浆工艺以及注浆效果检验等方面进行了分析,提出了软弱破碎地层注浆加固堵水技术和总体对策。漆泰岳等[7]通过数值模拟和模型试验对软弱岩层大跨地铁车站的开挖步序进行了工法优化,确定了最优工法和关键工序。周鑫[8]提出并分析了超前预加固方案为全环水平旋喷桩加固、拱墙大管棚超前支护、掌子面水平旋喷桩预加固的综合加固技术。

上述研究成果对软弱岩层隧道下穿建筑物支护加固及稳定性控制具有重要指导作用,但很少涉及富水软弱夹层隧道下穿建筑物的防控技术以及注浆控制效果分析。本文以青岛地铁富水软弱砂层下穿建筑物为依托,提出了多种注浆加固技术,并着重分析了其注浆作用效果,为富水砂层隧道的支护优化以及安全控制提供了技术指导和借鉴作用。

1 工程概况

青岛地铁2号线枣山路—李村站区间隧道起讫里程YSK47+251～YSK48+074,主要位于枣山路下方,在YSK47+885～YSK47+990下穿多栋6～7层住宅楼。该穿越段隧道埋深18.2～26.4 m,隧道拱顶上方2～5 m范围含有一富水软弱砂层。该软弱夹层孔隙率大、胶结性差、剪切强度低,隧道开挖容易引起拱顶围岩大变形,致使开挖面与富水软弱夹层贯通形成渗水通道,造成掌子面涌水突泥、拱顶围岩滑塌失稳、地表建筑倾斜开裂等工程灾害,是本工程的重大风险施工段。

本区间为马蹄形断面,跨度5.96 m,总高度6.43 m,拱顶距建筑物基础底面垂直净距11.2 m,两隧道净距8.6 m。隧道采用台阶法钻爆施工,锚喷支护,复合衬砌暗挖结构。地层从上至下依次为杂填土、粉质黏土、砾砂层、强风化花岗岩下亚带、花岗岩中风化带,为青岛地区典型的上土下岩地质特征,隧道施工对上部建筑影响较为剧烈。隧道下穿段地质情况及其相对位置如图1所示。

图1 隧道地层分布及与建筑物相对位置

以隧道下穿书院路4号院5号楼为研究对象,该建筑建于1991年,为6层钢筋混凝土框架结构,该住宅楼楼板及阳台板为预应力空心板,多存在顺板裂缝。地表建筑老化严重,经鉴定为Bsu级危房,安全风险等级高,施工要求控制严格。

2 软弱砂层下隧道施工的支护加固技术

本施工段隧道下穿建筑物的施工难点在于,隧道拱顶上方含有富水软弱夹层带,力学性质不稳定,受施工荷载及爆破扰动易发生裂隙贯通及滑移失稳,且受上部建筑物超载作用,围岩压力较大,软弱夹层中的地下水呈现一定承压性,易引发掌子面涌水突泥灾害。因此,制定合理的隧道下穿加固措施以确保隧道施工安全及建筑物稳定至关重要。

结合本区间富水软弱砂层地质特点,下穿段ZSK47+956～ZSK47+988采用了多种注浆加固技术。

2.1 全断面超前帷幕预注浆加固技术

由于该施工段隧道拱顶上方2～5 m范围为富水软弱砂层,为确保拱顶围岩稳定,防止掌子面发生涌水涌砂事故,采取了后退式WSS(二重管无收缩注浆技术)超前帷幕注浆技术,注浆范围为区间上断面开挖轮廓线5 m范围,其注浆加固如图2所示。

图2 全断面帷幕注浆加固示意图

2.2 初支背后径向注浆堵漏

该下穿段爆破施工不可避免地对围岩产生扰动,将导致拱顶上方富水砂层沿裂隙渗入隧道内部。为控制地表沉降及二衬防水质量,采取径向注浆的方式堵水。

钻孔注浆根据图2所示预留锚杆孔进行,钻孔直径50 mm,孔深3 m,间距1.5 m×1.5 m，呈梅花形布置。注浆材料以超细水泥为主,水灰质量比为1∶1。超细水泥初凝时间较短,要注意控制注浆搅拌时间,尽量不超过10 min,以避免发生水泥水化反应,出现浆液稠度增大难以注入的现象。

2.3 洞内补偿注浆

初支开挖完成后,针对区间上、下断面交界处及初支仰拱部位等防水薄弱处,进行洞内补偿注浆,以防止发生渗漏水情况。

补偿注浆采用孔口管注浆,孔口管采用长度2.5 m、直径50 mm的无缝钢管,注浆材料为水泥-水玻璃双液浆速凝材料,孔口管布置如图3所示。

图3 洞内补偿注浆示意图

为了分析上述加固技术对软弱砂层隧道的变形控制效果及上部建筑物稳定性影响,下面通过数值模拟进行下穿隧道注浆效果分析。

3 隧道下穿建筑物的注浆效果数值分析

3.1 建立计算模型

以枣山路—李村站区间隧道下穿建筑物段为研究对象,所建立模型尺寸为80 m×40 m×40 m。边界条件为上边界自由面,四周水平约束,底面竖向约束。

隧道围岩采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,上部建筑物采用6层的框架结构,梁、柱分别采用Beam(梁)与Pile(柱)结构单元,基础与地基的接触面采用Interface(界面)模拟,隧道初支采用shell(壳体)单元,二衬采用实体弹性单元,锚杆采用cable(绳索)单元,超前支护及帷幕注浆通过提高其加固区的力学参数来模拟。

建立三维计算模型如图4所示。地层物理力学参数如表1所示。

图4 数值计算模型

表1 模型物理力学参数表

3.2 注浆压力膨胀效果分析

根据以往施工经验及本区间现场监测发现,在浅埋软弱地层中采用全断面帷幕注浆,若注浆压力过大容易引起软弱夹层裂隙贯通、地表隆起抬升、甚至地表顶裂、浆液喷涌等现象,因此注浆压力的模拟是实现该下穿施工注浆效果仿真的关键。

为了准确模拟大体积超前注浆引起地层隆起以及对地表建筑物结构的影响程度,在数值模拟中需要考虑注浆体的膨胀效果。根据漆泰岳[9]的研究,通过在单元体施加应力的方式将注浆压力传导至地层中,改变地层的位移方向,从而实现注浆体膨胀作用引起的地表抬升隆起效果。

区间下穿建筑物段共18 m,按照现场开挖顺序,先开挖左线后开挖右线,每次进尺1 m,进尺6 m后进行下台阶开挖,其下穿施工过程竖向位移情况如图5所示。

从图5中可以看出:①考虑超前帷幕注浆膨胀作用,地表将发生一定隆起现象。左侧隧道开挖6 m时,地表隆起不明显,在注浆膨胀应力施加后,地表向上轻微抬升。随着开挖面推进,地表最大隆起速率出现在开挖面前上方,开挖18 m穿越建筑物后最大隆起值为9.4 mm。②右线隧道开挖的注浆作用将造成地表隆沉叠加增大。当开挖至6 m时,左、右线最大地表隆起值分别为9.7 mm和5.6 mm;当开挖至12 m时,左、右线最大隆起值为10.2 mm和9.3 mm；当开挖完18 m时,左、右线最大隆起值达14.1 mm和18.7 mm,注浆膨胀叠加效应显著。右线各间距下变形增幅分别为27.3%、66.1%、101.1%。尤其当间距由6 m减到0 m时,地表隆起值提高了1倍多。这对建筑物基础挠曲变形造成了严重不利影响。因此,两隧道纵向施工间距应控制在6 m以上为宜。③由图5 g)可知,左、右线地表隆起值随穿越建筑物距离的增大而逐渐增大,右线隧道由于滞后于左线开挖,受左线隧道注浆膨胀叠加作用,其地表隆起值较大。④左、右线隧道地表变形模拟值与现场实测值表现出相似的变化趋势,验证了本文数值模拟的可靠性,其实测值略小于模拟值是由于模拟过程未考虑浆液凝固过程,致使注浆膨胀作用较显著。

图6是隧道穿越建筑物以后的地表变形曲线，从中可知：①在软弱砂层中采用全断面超前帷幕注浆会引起地表隆起现象,这是由于富水软弱砂层孔隙率大、裂隙密布、胶结性差,在注浆压力作用下容易引起地层膨胀抬升、地表隆起等现象。②在注浆膨胀作用下,双线隧道上方地表呈现M型隆起变形,曲线两极大值点对应左右线隧道轴线处,地层抬升范围约为1倍隧道洞径,即在1倍隧道洞径范围外表现为地层沉降。③后开挖隧道变形值较大,比先开挖隧道增大了31.7%,说明两隧道注浆叠加扰动较大,因此纵向施工应保持一定间隔,以使先施工隧道注浆体凝固,加固区强度稳定后再开挖另一侧隧道。④隧道横断面地表变形模拟值与实测值具有较好的吻合度,验证了注浆效果数值模拟的准确性,实测变形曲线较为平缓，这是由于注浆液在强风化岩体中具有良好的扩散作用,隧道围岩变形相对平稳。

图6 隧道下穿建筑物后的地表竖向位移图

3.3 建筑物变形分析

图7为隧道开挖后的建筑结构变形情况。从图中可以看出:①隧道超前帷幕注浆过量将引起地表呈M型隆起,进而引起建筑物基础及框架结构挠曲变形,具体表现为由建筑物外侧向中间弯曲的正曲率变形损害。②建筑物基础发生挠曲变形,相邻基础的最大差异沉降为2.1 mm,倾斜率为0.42‰,符合GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》规定的建筑柱基沉降差3 mm及倾斜率1‰的允许值,说明该注浆加固技术能够保证建筑结构的安全性。③在穿越过程中,对地表建筑物巡视监测发现,其墙体上出现多条裂缝,裂缝主要分布在右线隧道上方,这是由于右线隧道位于建筑物正下方且后开挖,建筑物受隧道施工叠加扰动显著,其破坏形式验证了图6中所得右线地层隆起较大的计算结果。

上述数值模拟及现场监测表明,采用全断面超前帷幕注浆、初支背后径向注浆以及洞内补偿注浆联合加固技术,隧道掌子面渗水量较少,拱顶围岩及地表建筑物维持稳定,虽引起了一定的地层抬升现象,但地表隆起值及建筑物基础变形值均符合规范要求,说明该加固技术能够有效防止隧道开挖面与隧道上方富水软弱砂层的渗水贯通,取得了良好的加固控制效果。

图7 注浆引起建筑物变形情况

4 结语

(1) 地铁隧道在富水软弱砂层下穿越建筑物时,软弱砂层受开挖面施工荷载及爆破扰动极易发生裂隙贯通及滑移失稳现象。制定合理的加固技术与注浆控制对确保隧道施工安全及建筑物稳定至关重要。

(2) 针对富水软弱砂层力学性质不稳定、建筑物超载作用、含水层承压性等特点,提出了全断面超前帷幕注浆、初支背后径向注浆以及洞内补偿注浆联合加固技术。

(3) 全断面超前帷幕注浆能够显著改善掌子面前方的地质特性，但注浆压力过大,将引起地表持续隆起现象,双线隧道上方地表呈现M型隆起变形,地表建筑物随之出现正曲率变形;后开挖隧道引起的地层及基础变形较大。为此两隧道纵向间距应控制在6 m以上为宜。

(4) 隧道穿越富水软弱砂层时不能一味提升注浆压力来提高地层刚度。为动态控制超前注浆加固效果,应将现场监测与施工控制结合进行,实时分析反馈指导施工。

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苏州轨道交通4号线及支线正式开通试运营

本刊讯 苏州轨道交通4号线于2017年4月15日开通试运营。至此，苏州市轨道交通运营里程达到121 km，车站数量达到97个，换乘站数量增加到5个，轨道交通网络化体系得到进一步加强。该线南北走向，是苏州城市发展的一条骨干线路。4号线主线全长42 km，北起相城区龙道浜站，南至吴江区同里站。4号线支线全长10.8 km，北起吴中区红庄站，南至吴中区木里站。主线共设站31座，支线共设站7座，全线地下铺设。线路途经相城区活力岛、苏州火车站、北寺塔、观前商圈、南门商圈、吴江汽车站等重要地区，终点站可与规划中的苏嘉城际铁路实现换乘。

Reinforcement Technology and Grouting Control for Metro Tunnel Crossing Buildings under Soft Sand Layer

XU Jun, ZHANG Kaishun

When a metro tunnel crosses through buildings in rich water and soft sand layer,the engineering diseases are prone to occur, like mud outburst, water gushing in tunnel face, sliding instability of surrounding rocks and uneven settlement of buildings, etc. Based on the engineering practice of Qingdao metro Zaoli Tunnel that crosses buildings under soft sand layer, the construction control measures of full-face curtain grouting,radial grouting after primary supporting and compensation grouting are put forward. The stability of buildings and surface deformation characteristics have been researched by numerical simulation with consideration of the grouting expansion effect.The results show that surface uplift is caused by using full-face curtain grouting in soft sand layer, the double line tunnel presents “M” type surface uplift deformation,and the deformation of tunnel of later excavation is bigger.The surface buildings influenced by grouting expansion show positive curvature deformation, and building foundation is easily destroyed above the tunnel of later excavation.In the process of crossing through rich water and soft sand layer, the method of ascending grouting pressure to improve the ground stiffness could not be adopted blindly, and field monitoring should be insisted for construction control.

metro tunnel; soft sand layer; crossing under buildings; grouting effect; numerical simulation

U 456.3+3

10.16037/j.1007-869x.2017.05.027

2015-12-08)