粉细砂地层大断面隧道暗挖注浆试验及地表沉降规律研究

2019-10-31周志龙曾德光

铁道标准设计 2019年11期

牛斌,周志龙,郭婷,曾德光,金亮

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司,北京 100037； 2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司,北京 100101)

1 概述

随着轨道交通的快速发展,矿山法区间隧道由于其灵活性被广泛采用。于鹤然等[1]通过暗挖数值分析划分隧道对地表建筑物影响范围的分区和控制标准,提出相应的影响范围判定经验公式；黄海斌等[2]通过数值分析得到CD法、CRD法和双侧壁导坑法拱顶沉降规律；张先念[3]对双侧壁导坑法开挖引起的地层变形及控制标准进行了研究；丁燕平[4]通过计算分析了掘进长度、围岩等级、埋深、跨度等对双侧壁导坑法的影响；余熠[5]通过计算分析得出合理的留设核心土可有效降低双侧壁导坑法地层沉降速率,改善围岩受力；董新平[6]采用Timoshenko分层梁模拟支护并对支护构件按等效刚度处理,指出双侧壁导坑法导洞支护的非均衡支护设计对地表沉降影响较大；谭勇等[7]针对浅埋暗挖软基隧道,基于Winkler弹性地基梁理论，建立管棚超前支护和锁脚锚杆力学模型,提出两者对支护结构竖向荷载的承载作用计算方法并推导出拱脚地基荷载的计算公式。

目前对暗挖穿越无水粉细砂层的研究较少,贺博[8]通过粉细砂层注浆试验研究,对粉细砂层注浆理论及机理进行了探讨,分析了不同参数对注浆效果的影响；游小锋等[9]通过试验研究了注浆对粉细砂抗剪强度的影响；石宇涵[10]通过室内固结试验、渗透试验和颗粒分析等土工试验方法，对陕西北部地区粉细砂的地基土样进行原状土和重塑土试验,得出起始含水率和湿陷变形的关系；赵朋[11]通过数值分析与现场监测相结合的方法,得到通过深孔注浆和管棚支护的方式可以有效控制粉细砂地层暗挖隧道的地表沉降。

本文对粉细砂地层进行了注浆试验研究,并通过数值计算与现场监测相结合的方法,对粉细砂地层双侧壁导坑法地表沉降规律进行了研究,提出粉细砂地层设计和施工时的注意要点。

2 工程概况

石家庄地铁1号线一期工程洨河大道站至西兆通车辆段区间,自洨河大道站中部引出(两侧为1号线二期正线区间),由暗挖大断面区间逐渐分离为两个单线单洞区间,线间距由5 m渐变成12 m,隧道包含双侧壁导坑法和临时仰拱法两个施工断面。线间距5 m的6导洞双侧壁导坑法开挖断面宽12 m,高9.73 m,拱顶覆土厚度约12 m。初期支护纵向格栅间距500 mm,初期支护厚度350 mm(非临土侧的临时支撑和临时仰拱厚度300 mm)；超前小导管每榀设置,直径32 mm,壁厚3.25 mm,环向间距300 mm,长度2 m；拱部180°范围进行深孔注浆,注浆范围为初期支护外侧1.5 m,内侧0.5 m。

根据详勘报告[12],区间隧道穿越的地层有杂填土层、粉细砂、中粗砂层、中粗砂含卵石层。地下水位位于隧道底板以下20 m,施工时不需要降水。

3 注浆试验

3.1 粉细砂的特征

区间位于滹沱河流域,粉细砂层分布广泛,粉细砂黏聚力小、自稳能力差。根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》[13],粉砂土是指粒径大于0.075 mm颗粒的质量超过总质量50%的土,细砂是指粒径大于0.075 mm颗粒的质量超过总质量85%的土。粉细砂土的工程性质介于粉砂土与细砂土之间,在天然状态下,结构松散,密度也较低。在自重的作用下可压密,埋深较大的粉细砂层,密度较大。粉细砂层粒径分布均匀,且粒径范围小,在外界荷载作用下易变形。粉细砂土体主要靠粒间法向压力的粒间摩擦力维持自身稳定,因此提高砂土颗粒之间的黏聚力和内摩擦角才能提高土层的自稳能力。粉细砂渗透系数为(1.2～6.0)×10-3cm/s,属于中等透水性[12]。

3.2 试验内容

粉细砂层的注浆一般分为5个阶段：充填渗透阶段、挤密阶段、劈裂阶段、被动土压力阶段、再渗透阶段。本次注浆采用水泥-水玻璃双液浆,通过取样法对比注浆前后土体的力学参数来检测注浆加固效果,加固前取6组试样,将试验结果进行离散统计，得到该层注浆前的抗剪强度、抗压强度、黏聚力、内摩擦角、弹性模量等力学参数；注浆加固后在同一深度土层再次取3组试样,同样对上述指标进行分析,通过数据对比,对注浆加固效果进行评价。

图1为粉细砂注浆加固后3号试样室内试验照片。

3.3 试验结果

注浆前后的土体物理和力学参数如表1和表2所示。可以看出,注浆加固对土体的含水量、黏聚力、内摩擦角、压缩模量均有明显的改善。

图1 粉细砂注浆加固后3号试样室内试验

表1 土体物理参数

表2 土体力学参数

4 数值计算

4.1 计算模型

采用Flac3D有限差分软件进行三维模型计算。地层及初衬、二衬结构均采用实体单元进行模拟,除支护结构单元采用弹性模型外,地层材料采用弹塑性莫尔库伦准则模拟,地质参数如表3所示。

表3 地层参数

根据圣维南原理,静力计算采用的边界宽度取3～5倍开挖跨度[14],计算模型尺寸为70 m×30 m×48 m(长×宽×高)。模型底面边界施加竖向固定约束,四周边界施加水平固定约束,顶面边界为自由面,计算模型如图2所示。

图2 计算模型

超前小导管外插角10°～15°,等效弹性模量为

(1)

式中，Ed为小导管等效弹性模量；E1为小导管内浆液弹性模量；E2为小导管弹性模量；I1为小导管内浆液惯性矩；I2为小导管惯性矩。

钢拱架计算时也是采用等效刚度的方法折算到初期支护中[15]。折算后的初期支护弹性模量为

(2)

式中，Ec为折算后初期支护弹性模量；E0为混凝土弹性模量；Sg为钢拱架截面积；Eg为钢拱架弹性模量；Sc为初期支护截面积。深孔注浆、超前小导管注浆加固区及支护结构参数取值如表4所示。

表4 结构单元计算参数

4.2 施工步序

(1)初始地应力场的计算[16]；

(2)打设导洞1、导洞2超前导管,预留核心土法开挖上台阶,施作初期支护,打设锁脚锚管；

(3)开挖导洞1、导洞2下台阶并施作临时支撑；

(4)开挖导洞3、导洞4并施作初期支护及临时支撑；

(5)打设导洞5超前导管,预留核心土法开挖上台阶,施作初期支护；

(6)开挖导洞5下台阶并施作临时支撑；

(7)开挖导洞6并施作初期支护；

(8)截断局部临时支撑；

(9)浇筑底板及拱脚二次衬砌；

(10)截断剩余临时支撑；

(11)浇筑侧墙及拱部二次衬砌,封闭成环。

4.3 结果分析

(1)地表沉降呈对称分布,沉降槽为“V”形,沉降槽宽度系数(即沉降槽曲线反弯点与隧道中心线之间的水平距离)约为15 m,即距离隧道外轮廓以外约11 m,如图3所示。地表沉降槽宽度系数,本文采用O’Reilly[17]提出来的计算公式

(3)

式中，H为隧道轴线处的埋深,从而可得k=1.25。

图3 地表及不同埋深处地层沉降槽曲线

(2)从图3不同埋深处的地层沉降槽曲线还可以得到,地表最大沉降量为23.7 mm,拱顶最大沉降为37 mm,从拱顶到地表,随着埋深的增大,其最大沉降量逐渐减小,这可由Peck公式推导得出。因为地表沉降槽的体积等于地层损失的体积,故不同深度处的值会逐渐变化[18]。

(3)各不同施工步下隧道中心线处地表沉降如图4所示,可以看出：上导洞上台阶开挖对地表沉降的影响较大,施工时应对拱顶处加强注浆；另外,两侧上、下导洞施工会对地面沉降产生“叠加”效应,上、下导洞施工时应错开足够的距离,计算时上、下导洞错开距离分别按6，8，10，12 m进行计算,结果表明隧道中心处的最大沉降值变化不明显。但是错开距离越小,地表沉降槽宽度系数和土体塑性区增大较明显,结合施工现场上、下导洞不同错开距离的地表沉降监测结果,建议上、下导洞错开距离不小于10 m。