采用超前小导管注浆对暗挖通道支护稳定性研究

潘梦阳，田承尧，胡学祥 （中建二局土木工程集团有限公司，北京 101100）

0 前言

随着城市建设快速发展，对于土地资源紧缺的大型密集型城市，开发利用地下空间的优势越来越明显。地下市政工程往往建设周期较长，对地面交通及周边环境的影响大，由此暗挖法施工在地下工程建设中有着一定的优势。目前，市政通道工程常见的暗挖工法有矿山法、盾构法、顶管法等，传统矿山法有着施工工艺成熟、造价低、施工快速、风险可控的优点[1]。

超前小导管是在开挖前预先打设注浆管并注浆加固地层的措施。浆液以充填，劈裂等方式注入后能与土颗粒紧密接触，置换土颗粒间的水分及空气后，经过一定时间凝结，将原有的松散土颗粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个强度大、防水性能良好的固结体结构，使得围岩松散破碎状况得到大幅度改善。研究表明[2]，超前小导管可以对松散土体起到短期加固作用，能确保开挖过程中初期支护时间内围岩的稳定。本文基于某市政地下通道工程，对采用超前小导管工程设计方案进行数值模拟分析，为类似工程提供技术参考。

1 工程概况

本工程为郑州轨道交通某车站出入口过街通道，车站为地下三层岛式站台车站，位于某商业地块内。根据乘车及疏散需要设置下穿快速道路出入口，快速路为双向8车道主干道，施工期间不得影响交通。故本工程采用两段明挖+暗挖段组成，明挖段与车站主体连接，快速道路下方采用暗挖法施工。暗挖段总长度约为54.0 m，覆土约8.0m埋深约14.5m。借鉴相关工程研究[3-4]，拟采用超前小导管注浆CRD工法施工。该工程施工顺序为先施做明挖段，然后从明暗挖分界线施工暗挖段，暗挖施工前做好超前支护施工。工程平面位置示意图，如图1所示。

图1 工程平面位置示意图

2 工程地质概况

本工程进行了详细地质勘查工作。勘察报告显示，拟建场地地基土主要由粘性土、粉性土和砂土组成，地层从上到下主要为：杂填土、黏质粉土、粉质黏土等。通道基底位于③34黏质粉土层。地勘察期间，稳定地下水位埋深自然地面下2.0m。地下水主要赋存于常水位以下的粉质黏土和黏质粉土层中，均属弱透水层。

3 暗挖设计

暗挖支护工程拟采用Φ42小导管CRD工法施工，内设格栅钢架，衬砌间需设置防水层。Φ42超前小导管，t=3.25mm，L=2.5m，水平倾角10～15°，环距0.2m，纵距0.5m，注浆浆液为单液水泥浆；300mm厚C25早强喷射混凝土；格栅钢架@0.5m，钢筋主筋C25，连接筋C20，环向间距1000mm，内外双层错开、梅花型布置；A6.5@150×150双层钢筋网。暗挖段断面为“马蹄形”结构，衬砌型式为复合式衬砌。可采用拱顶注浆或全环注浆的方式，暗挖支护方案见暗挖断面图，如图2所示。

图2 暗挖支护断面图

4 数值模拟分析

采用三维有限元分析软件FLAC3D对本工程进行数值分析。采用交叉中隔法（CRD）开挖，循环进尺为5～8米。分别通过未采用超前小导管注浆、拱顶注浆和全环注浆三种方式模拟，并在模型拱顶、左右拱肩和拱腰位置设置观察点，对比分析三种情况下发生的沉降及水平位移值。

4.1 取值建模

根据工程具体尺寸及各设计参数建立三维数值模型。开挖跨度8.2m，开挖高度6.5m，模拟土体边界：60m(x方向)、80m(y方向)、40m(z方向)，并根据勘察报告输入土体参数。模型边界条件：前后两侧施加y向位移约束，底部施加z向位移约束，左右两侧施加x向位移约束，顶部自由无约束。围岩采用莫尔库伦（Morh-Coulomb）模型，超前小导管注浆支护区通过改变围岩地层参数实现[5-6]。模型物理参数参见表1。

模型物理参数 表1

4.2 模型结果

根据相关规范[7-8]要求结合郑州当地做法[9]要求，关于矿山法隧道支护结构的变形、沉降的控制要求，本案周围土体定为Ⅳ级围岩，隧道工程风险等级二级。初期支护结构拱顶沉降限值为20mm，初期支护结构底板竖向位移限值为10mm，隧道拱脚竖向位移限值为10mm，初期支护结构收敛限值为10mm。

运用数值模拟分析了本工程在开挖过程中，通过未采用注浆支护、拱顶注浆以及全环注浆三种不同工况，结构围岩及初衬的竖向位移（沉降）及水平位移情况，如图3～5所示。从而进行对比分析，不同超前小导管注浆方式对围岩支护稳定性的影响。

图3 未采用注浆数值云图

图4 拱顶注浆数值云图

图5 全环注浆数值云图

4.3 竖向位移分析

竖向位移（沉降）情况分析：①未注浆工况，周围土层及边墙、拱顶及其上部土层均有明显沉降，隧道结构及周围土体整体下沉约5.0mm，拱顶下沉为17.4 mm，仰拱及以下的土体产生向上位移为7.9 mm；②拱顶注浆工况，隧道结构及周围土体整体下沉约2.5mm，拱顶下沉12.8 mm，仰拱抬升位移为7.7 mm；③全环注浆工况，隧道结构及周围土体整体下沉约2.0 mm，拱顶下沉12.6 mm，仰拱抬升位移为7.0mm。具体如表2所示（向下为正，反之为负）。

三种工况下模型竖向位移表 表2

对于上述三种工况竖向位移均满足规范要求。由于本案净跨跨度较小、围岩土质较好，在未采用注浆加固措施情况下也能满足相关规范要求，但结构整体沉降较大，拱顶竖向位移较大。采用拱顶注浆后，能有效控制拱顶竖向位移，其余位置位移也均有所减小。采用全环注浆后，结构各位置位移均进一步减小，但除了仰拱位移控制效果较好之外，其余位置竖向位移控制均不明显。

4.4 水平位移分析

水平位移情况：①未注浆工况，围岩土层会产生向内部横向位移量约为2.0 mm，内衬横向位移中，左右边墙为不利位置，向内收敛移动量为10.9mm；②拱部注浆工况，拱顶土层和仰拱以下土层几乎没有横向位移，左右边墙为不利位置，向内收敛移动量为9.4 mm；③全环注浆工况，围岩土层几乎没有横向位移，左右边墙为不利位置，向内收敛移动量为6.7 mm。具体如表3所示。

未采用注浆措施加固时，结构横向位移量大于收敛限值10mm，不满足规范要求。在采用拱顶及全环注浆措施后，横向位移收敛均满足规范要求。但是，对于横向位移控制，采用全环注浆加固措施较拱顶注浆更为有效。

三种工况下模型水平位移表 表3

5 结论

①运用FLAC 3D模拟了暗挖出入口通道支护结构及其围岩的模型，并分析了未采用超前小导管注浆加固、拱顶注浆、全环注浆三种工况下结构竖向位移以及水平位移情况。

②采用超前小导管注浆支护，能够有效改善支护区域围岩的物理力学性质，提高加固区围岩的强度，使结构拱顶、墙边和仰拱处竖向位移以及边墙水平位移的控制效果明显。故，超前小导管注浆支护能有效增强支护区围岩的稳定性，产生棚护作用。

③采用拱顶注浆加固方式，能有效控制拱顶竖向位移，墙边位置竖向位移也有所减小。针对边墙水平位移收敛也具有一定效果。对于仰拱竖向位移的控制效果一般。

④采用全环注浆加固方式，拱顶和边墙的竖向位移的控制与拱顶注浆效果类似。对于仰拱位置的位移控制优于拱顶注浆加固。全环注浆对于边墙水平位移收敛的控制效果显著。