富水砂层地铁工程建设中的管棚注浆预支护技术

于云峰

（中铁十六局集团地铁工程有限公司， 北京 100020）

城市化进行背景下，地面可用空间逐步趋于紧张，为满足人们的交通出行需求，地铁工程成为重要的解决途径。当前，国内多数大型城市相继展开了地铁建设工作，因地质环境的差异化加大了施工难度。地铁施工作业发生于封闭空间内，富水流沙层地质环境中对技术水平提出更高要求，地铁湾十区间隧道所在处的地面交通较为繁忙，存在大量管线交汇的情况，考虑到地面稳定性要求，基于管棚注浆预支护的方式展开施工作业，从而避免围岩变形现象，给工程质量提供保障。

1 工程概况

湾十区间：该段总长度973.1m，含暗挖段施工作业，左线696.1m，右线685.281m，与情侣路共线段左线276.02m，右线275.729m，为双洞单线设计形式。矿山法隧道所在区域地质环境较复杂，IV 级左线100m、右线300m；V 级左线320m，右线195m；VI 级围岩左线276.1m，右线190.281m。2 号竖井工程中，左线中心里程DK6+305，结构整体深度24.266m。根据现场情况，施工下穿排洪渠，因地质呈现出上软下硬的基本特点，施工中伴随明显涌水涌泥现象。基于此采取洞内管棚注浆等方式，实际应用效果欠佳，随后设置咬合桩止水封闭区，设置袖阀管以完成注浆作业。

2 富水砾砂土

2.1 概念

富水砂砾土为典型的多相介质，其具备特殊的结构，所表现出的流动规律较为复杂[1]。因岩土颗粒骨架空间结构的变化，所产生的地下水渗流路径随之发生改变，若为松散多孔隙介质则会在空隙介质中绕流，伴随隧道施工作业的持续推进，砂砾层渗透性处于持续变动状态，致使地下水流动方向也随之发生改变。

2.2 影响因素

富水砂砾土流动性受多方面因素影响，较典型的有颗粒大小、级配与密度。根据资料得知砂砾土颗粒较大，因此土体孔隙随之加大，伴随明显的渗透现象；若砂砾层土体级配优良，此时土体孔隙随之减小，降低了渗透性；伴随密度的提升，对应的砂砾土渗透性表现出逐步减小的趋势，若不存在地下水渗流现象，因渗透性的提升将会明显加快浆液流动，使其具备可注性。但受到高水力梯度的影响随之提升了注浆难度，不利于注浆加固效果。

3 技术优化方案

区间暗挖段得以高效施工的基本前提在于超前支护与止水加固，此项工作是创造安全施工环境的关键。从隧道地质情况出发，参考类似工程，选取管棚超前支护的方式，考虑到其它标段隧道开挖情况，由于施工区域以富水砂层为主，该处的节理裂隙较发育，因此易出现开挖面塌方现象，加大了施工安全隐患。对此选择全断面止水固砂技术，营造安全的施工环境，顺利完成洞门开口段施工作业。由于掌子面承受较明显的土体侧压力，基于管棚注浆预支护的方式可显著提升隧道上方土压力，同时避免开洞时泥沙大规模涌出掌子面的情况。

管棚施工使用到热轧无缝钢管，其规格为φ108mm、壁厚6mm，针对两端采取丝扣连接处理措施，管棚长14m，彼此间距均为0.3m，两端形态为尖锥形，基于焊接的方式于尾部增设φ10mm 加紧箍，处理管壁四周，于该处施作3 排规格均为φ10mm 的压浆孔，彼此间距保持为0.4m，采取的是梅花形布置方式。向钢管中灌注施工，浆液水灰比1：1，初压0.5～1.0MPa，后续逐步提升压力，终压为2.0MPa。

4 管棚支护数值模拟分析

4.1 计算模型的建立

综合考虑隧道所在区域的地质与水文情况，创建隧道模型时考虑的是暗挖区段左线进洞处，长100m×宽14m×高50m。所得模型的上面未针对自由边界做出约束，侧面采取垂直约束，底部为所有约束。根据隧道围岩的实际情况使用到8节点实体单元，基于Mohr-Coulomb 理论展开计算分析。初期支护中，考虑到喷射混凝土与格栅钢架等结构的特点，将其等效为0.40m 厚的衬砌；管棚采取梁结构单元模拟的方式，且假定管棚一次全部搭设完毕。

建模过程中遵循精简原则，将各土层相邻界面均设置为平面，假设模型中各土层具备均匀化的基本特点。基于地质勘探资料得知，模型中所对应的各区段土层并不存在明显变化，因此不会对模型计算结果造成过多影响，该部分可忽略。考虑到计算结果精确性要求，隧道周边区域的网格采取加密处理措施，其余部分相对疏松，根据自重应力场的基本特点，针对隧道模型展开计算与分析。

4.2 隧道开挖及支护模拟结果分析

分析隧道开挖过程，此处选择的是MIDAS/UTS 平台，通过其中的“钝化”与“激活”工具展开处理，首先施作管棚，基于对工艺参数的改变模拟真实的注浆作业，结束开挖后再展开初衬施工，考虑的是有无管棚预支护两种方案。首先开挖1m，后续以3m 为步距依次展开开挖作业，施工现场含大量富水流沙层，分析模拟结果时主要考虑的是隧道水平X 轴与竖直X 轴位移情况，将其用于评定围岩稳定程度。具体而言，水平位移可反映两侧围岩稳定性，竖直位移可被用于反映开挖作业后的隧道拱顶情况。而基于XYZ 综合位移，可实现对实际位移情况的系统性描述。

（1）工况1：无预支护时模拟结果位移分析

在缺乏预支护措施时，伴随隧道施工作业的持续推进，隧道周边岩土体出现明显的变形现象，竖直方向最大位移为28mm。隧道横截面上表现出明显的水平位移现象，隧道两侧大体相同，均为34mm。基于位移云图可以得知，围岩出现明显变形且延展至地面，伴随明显的隧道拱顶沉降现象，最大处达到18mm，不利于隧道上方管线的正常使用，甚至对地面建筑物稳定性造成影响。且隧道开挖两侧的围岩也表现出明显的变形现象，因此在缺乏超前支护措施时，难以为地铁施工创造良好环境。

（2）工况2：管棚注浆预支护模拟结果位移分析

由于采取了管棚注浆预支护技术，尽管围岩出现变形现象但得到了有效控制，竖直方向最大位移发生区域未出现变化，依然为隧道拱顶处，但缩减至6mm。同时，隧道横截面处的位移缩减至7mm。基于位移云图可以得知，尽管围岩出现变形现象且延展至地面，但此时地面表现出的沉降相对较小，最大值为4mm，基于对《建筑地基基础设计规范》(UB50007-2011)的相关规定得知，各处的位移都满足行业要求。

5 结束语

（1）地铁工程施工富有复杂性，有限元法可从实际情况出发做出数值模拟与计算，基于MIDAS/UTS 软件，能够创建直观的模型，将管棚设为梁单元，更为准确地反映管棚的力学效应；采取改变加固区物理力学参数的方式，可实现对管棚注浆效果的模拟，有助于分析隧道支护结构的使用效果。

（2）综合对比有无预支护措施两种情况，得知施作管棚注浆预支护以后可有效控制围岩变形现象，缩小扰动范围。

（3）基于数值模拟的方式可以得知，将管棚注浆预支护的方式应用于进洞段后可提升洞口段覆盖岩层的稳定性，发挥出优良的加固与支护效果，此方法在富水砂砾层中具有可行性，为安全进洞创设了保障，也为后续掘进施工提供了良好条件。