富水半砂半岩隧道下穿建筑物注浆技术数值模拟研究

贾 锋

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250001)

城市地铁隧道所处环境特殊，施工中稍有不慎，就会造成巨大的人身和经济财产损失。因此，研究合理的施工工法对保证隧道建设过程的安全具有重要意义[1-2]。地铁隧道施工方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型和施工技术水平等因素[3-4]，且应体现技术先进、经济合理及安全适用的原则[5-7]。

1 工程概况

1.1 工程背景

青岛地铁一期工程3号线万年泉路站-李村站区间为两条单洞单线马蹄形隧道(见图1)，隧道下穿7栋年代久远的建筑物，隧道拱部穿越地层由岩层渐变为富水砂层(见图2)，含水量大，自稳能力差，开挖易坍塌、突水，引起地表及建筑物的不均匀沉降，施工风险极大。

图1 隧道下穿建筑物平面

1.2 水文地质概况

地下水主要有两种类型:一是松散土层孔隙水，二是基岩裂隙水。隧道主要穿越的粗砂层为褐-褐黄色，饱和，中密-密实，矿物成分以石英、长石为主，磨圆较好，含少量黏性土及碎石，局部夹黏性土透镜体。

图2 隧道下穿建筑物地质剖面

2 工程措施

2.1 结构支护措施

区间为单洞单线马蹄形隧道，为初期支护厚300 mm、二衬厚300 mm的防水钢筋混凝土结构，采用φ76自进式管棚(长10 m)，环向间距为400 mm，超前小导管(φ42)长4 m，纵向间距为1 000 mm，格栅钢架纵向间距为500 mm(见图3)。

2.2 堵水措施

为减少地下水对施工的影响，在隧道洞内采用二重管无收缩双液注浆工艺(以下简称WSS注浆)对上半断面砂层进行注浆止水加固[8-10]。注浆参数如表1所示。

(1)注浆范围:开挖工作面及外扩5.0 m。

(2)注浆材料:硫铝酸盐水泥、水玻璃浆液；水玻璃模数m=2.4～3.4，浓度Be=30～40，水泥∶水玻璃=1∶1。

图3 隧道支护断面(单位：mm)

表1 WSS注浆浆液配比

(3)注浆长度:循环注浆长度为10 m，初始注浆段采用1.0 m厚喷射混凝土止浆墙，后序注浆段均预留4.0 m已注段作为止浆岩盘。

(4)注浆孔间距:初始注浆孔间距为0.2～0.4 m，保证孔的末端间距控制在1 m内，单孔浆液扩散半径为0.6 m。

(5)注浆压力:建议控制在0.5～0.8 MPa。

(6)单孔注浆结束标准以定量定压相结合的方式控制。定量标准:当注浆量达到设计注浆量的1.5～2倍，压力仍然不上升，可采取速凝浆液等措施结束该孔注浆；定压标准:注浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐下降，当注浆压力达到设计注浆压力(0.8 MPa)，持续20 min，吸浆量很少或不吸浆时，可结束该孔注浆(结束标准为参考值，实际结束标准应通过现场试验最后确定)。

(7)注浆效果检查:注浆孔全部完成后，在工作面钻3～5个检查孔并取岩芯，观察浆液填充情况(注浆加固后土体渗透系数不大于10-4cm/s，强度不小于0.4 MPa)。若注浆未达到预期效果，应进行补偿注浆，以保证施工安全。

2.3 爆破控制

地层为上软下硬，应采用弱爆或静爆，以减小对注浆加固体和土层的扰动，爆破震速控制在1.0 cm/s以内，并根据围岩情况调整爆破参数，做到“少装药、短进尺、弱爆破、轻扰动”[11-14]。

2.4 后期沉降控制

开挖后应及时进行初支背后注浆，打设φ32径向注浆管(长2 m)，环向及纵向间距为1.5 m×1.0 m，形成2 m厚的注浆加固圈，减小后期应力重分布引起的地层变形。

2.5 监控量测

加强对隧道周围及工作面渗水监测以及初期支护的变形、净空监测，以保证施工安全[15-16]。

在洞外增设室内监测点，加强建筑物的倾斜、基础不均匀沉降、地表沉降等监测，根据监测结果对建筑物基础采取进一步的处理措施。

3 数值模拟分析

采用FLAC3D有限元软件，对隧道下穿万隆商厦的施工过程进行模拟(见图4)，着重分析施工过程中不同注浆强度对围岩应力分布和地面沉降的影响。该区域的地层物理力学参数如表2所示。

3.1 计算模型

图4 泉李区间下穿万隆商厦段隧道模型

表2 地层物理力学参数

3.2 数值模拟方案

为了研究隧道施工过程中注浆强度对围岩应力分布和地面沉降的影响，拟定的数值分析方案如表3所示[17-18]。其中，针对富水砂层，分为不注浆加固和注浆加固两种方案，初始方案为开挖前不注浆(即注浆区参数为原地层参数)，注浆加固方案分为加固方案1、加固方案2和加固方案3；注浆加固区中，黏聚力为地层原参数的2倍、3倍和5倍，弹性模量、泊松比和内摩擦角按照经验调整[19-20]，密度均为2 100 kg/m3。

表3 加固区参数变化方案

施作初衬后围岩变形已经趋于稳定，故不再模拟分析施作二衬对隧道围岩应力分布和地面沉降的影响[21]。

3.3 结果分析

(1)不注浆方案结果分析

图5 右线隧道竖向位移云图(单位：m)

图6 左线隧道竖向位移云图(单位：m)

由图5～图9可知，右线隧道上台阶开挖到12 m时，左线隧道才开始开挖。在这一阶段，左线隧道地表沉降都接近于0，说明右线隧道开挖对左线隧道地表沉降基本没有影响。随着左、右线隧道的同时开挖，地表沉降显著增大。左线隧道7个施工步的地表最大沉降值分别为:0.53 mm、0.85 mm、12.20 mm、16.19 mm、17.40 mm、17.81 mm、17.95 mm，右线隧道7个施工步的地表最大沉降值分别为:11.11 mm、14.98 mm、16.67 mm、17.34 mm、17.63 mm、17.80 mm、17.90 mm。由此可以看出，在隧道开挖过程中，地表最大沉降值的变化较小，但随着开挖距离的增大，地表出现较大沉降的区域在不断增多。曲线中出现的水平线段表示隧道的衬砌施工，这说明隧道的初衬施工中对地表的沉降影响很小。开挖过程中，地表和拱顶最大变形已经超过安全限值，这是由于没有超前注浆加固地层造成的。因此，在上软下硬地层中进行隧道开挖，必须要进行必要的地层加固。此外，在下台阶开挖完毕后应当及时施作初衬，或者增加支撑，以防止衬砌结构的变形和失稳。

(2)加固方案1结果分析

图7 地表三维沉降曲线

图8 右线隧道各施工步地表沉降曲线

图9 左线隧道各施工步地表沉降曲线

图10 右线隧道竖向位移云图(单位：m)

图11 左线隧道竖向位移云图(单位：m)

图12 地表三维沉降曲线

图13 右线隧道各施工步地表沉降曲线

由图10～图14可知，右线隧道上台阶开挖到12 m时，左线隧道开始开挖，在这一阶段，左线隧道地表沉降都接近于0，说明在坚硬地层中进行隧道施工，先开挖隧道对后开挖隧道上方地表基本没有影响。随着左、右线隧道的同时开挖，地表沉降显著增大。右线隧道7个施工步的地表最大沉降值分别为:3.82 mm、5.28 mm、6.05 mm、6.42 mm、6.58 mm、6.68 mm、6.73 mm；左线隧道7个施工步的地表最大沉降值分别为:0.21 mm、0.36 mm、4.30 mm、5.84 mm、6.43 mm、6.67 mm、6.75 mm。由此可以看出:在隧道开挖过程中，地表最大沉降值的变化较小，但随着开挖距离的增大，地表出现较大沉降的区域在不断增多(曲线中出现的水平线段表示隧道的衬砌施工，这说明隧道的初衬对地表的沉降影响很小)。此外，右线隧道开挖到12～18 m时，右线隧道的起始端地表沉降变化很小，说明随着施工面的推进，距开挖面越远，施工对其影响也越小。

(3)加固方案2结果分析

图14 左线隧道各施工步地表沉降曲线

图15 右线隧道竖向位移云图(单位：m)

图16 左线隧道竖向位移云图(单位：m)

由图15～图19可知，随着左、右线隧道的同时开挖，地表沉降显著增大。左线隧道7个施工步的地表最大沉降值分别为:0.20 mm、0.37 mm、1.37 mm、2.47 mm、3.28 mm、3.67 mm、3.81 mm，右线隧道7个施工步的地表最大沉降值分别为:1.88 mm、2.73 mm、3.22 mm、3.46 mm、3.57 mm、3.63 mm、3.66 mm。由此可以看出:在隧道开挖过程中，地表最大沉降值的变化较小，但随着开挖距离的增大，地表出现较大沉降的区域在不断增多，但总体上沉降量比较小(曲线中出现的水平线段表示隧道的衬砌施工，这说明隧道的初衬对地表的沉降影响很小)。此外右线隧道开挖到12～18 m时，右线隧道的开始端地表沉降变化很小，说明随着施工面的推进，距开挖面越远，施工对其影响越小。

图17 地表三维沉降曲线

图18 右线隧道各施工步地表沉降曲线

图19 左线隧道各施工步地表沉降曲线

(4)加固方案3结果分析

由图20～图24可知，随着左、右线隧道的同时开挖，地表沉降显著增大。左线隧道7个施工步的地表最大沉降值分别为:0.06 mm、0.13 mm、1.14 mm、1.75 mm、2.03 mm、2.15 mm、2.19 mm，右线隧道7个施工步的地表最大沉降值分别为:0.99 mm、1.56 mm、1.87 mm、2.03 mm、2.11 mm、2.16 mm、2.18 mm。由此可以看出，在这种注浆量下开挖隧道，地表沉降值均非常小，但是会造成极大的资源浪费，且对注浆压力的要求很高，很难实现，工程中一般不采用。

(5)数值模拟分析总结

通过对不注浆加固方案及其他3种不同超前注浆加固方案的对比，研究了不同注浆方案对隧道开挖过程中地层应力及变形情况的影响。着重分析了注浆区黏聚力和内摩擦角两个因素对加固效果的影响。

针对富水砂层，若隧道开挖前不进行超前注浆，隧道施工引起的拱顶和地表沉降较大，地层变形非常大，隧道将处于危险状态。因此，在实际施工中必须要进行超前注浆，以保证隧道开挖的安全。

通过几种加固方案的计算结果对比，提高注浆参数中的c、φ值，可以适当增加注浆区强度，但对于减小地表及建筑物沉降的效果并不显著，还有可能造成地表及建筑物的隆起(见图25)。

图20 右线隧道竖向位移云图(单位：m)

图21 左线隧道竖向位移云图(单位：m)

图22 地表三维沉降曲线

图23 右线隧道各施工步地表沉降曲线

图24 左线隧道各施工步地表沉降曲线

图25 各方案下拱顶和地表最大沉降值对比

4种注浆加固方案下，隧道应力变化曲线基本一致，但随着注浆量的增加，应力值趋于平缓。因此，增加注浆量在一定范围内可以改善隧道的受力状况，减小其应力的值，对围岩和支护结构有利。

4 结论

(1)区间隧道下穿万隆商厦施工，采用暗挖法施工可行，针对富水砂层，采用WSS法注浆止水效果显著。

(2)从计算结果看，注浆加固后，地层性质得到改善，隧道开挖过程中地层沉降和建筑物变形均在控制标准以内，施工安全能够得到保证。

(3)不同注浆方案下，地表的最大沉降值出现的位置大致相同(均在右线隧道进深约6 m处隧道中心线上部地表)。最大拉应力出现在隧道洞口拱顶，最大压应力出现在拱肩处。在实际施工监测中，以上几个位置应重点监测。