浅埋暗挖隧道地层变形及超前注浆技术研究

2022-06-02杨培仕

铁道建筑技术 2022年5期

杨培仕

(中铁十二局集团第二工程有限公司山西太原 030000)

1 引言

浅埋暗挖法适应于上覆土层较浅的地下空间暗挖施工，具有隧道结构形式灵活，造价低，施工设备简单，对地面建筑影响小，拆迁占地少等优点。

浅埋暗挖隧道施工时不可避免地扰动地层，严重时导致地下管线破裂等问题。国内许多学者通过对现场监测数据进行比较分析，总结了浅埋暗挖隧道结构的变形形态[1-2]。白鹏程[3]以成都浅埋暗挖隧道为背景，给出隧道沉降控制方案。在注浆数值仿真方面，宋方佳[4]采用粒子流软件对深孔注浆进行深度分析，总结出深孔注浆的规律。岳洪武等[5]研究了管棚预注浆对浅埋暗挖隧道中软弱碎岩的加固效果，结果表明，管棚注浆降低了52.7%的地表沉降。郭建峰[6]和康雪军[7]等人通过数值模拟和现场监测数据对比，揭示了浅埋暗挖隧道的地层变化规律，提出应对土层进行注浆加固处理。张杰[8]对软弱富水地区的浅埋暗挖隧道进行数值模拟，研究了其地层变形的规律和支护效果。王国强[9]研究了浅埋暗挖隧道在特殊黄土地区注浆加固的机理。邹金杰等[10]通过数值模拟结果与现场监测数据对比，利用浅埋暗挖工法对某塌方隧道进行治理。王有旗[11]分析了下穿轻轨线的浅埋暗挖成套施工技术。

本文依托郑州地铁5号线文化路站～花园路站右区间 DK5+849.221～DK5+924.189，左区间DK5+850.085～DK5+924.189的浅埋暗挖隧道，结合隧道现场施工技术和量测数据，分析浅埋暗挖隧道施工引起的地层变形及超前注浆施工技术措施，通过计算探究隧道施工变形风险区域和注浆效果，为浅埋暗挖隧道施工提供参考。

2 浅埋暗挖隧道施工注浆技术

2.1 工程简介

文化路站～花园路站是郑州地铁5号线的一个重要区间，该区间隧道采用浅埋暗挖法进行施工。

文花暗挖段位于黄河路与花园路交叉口，里程范围为:右DK5+849.221～右DK5+924.189，暗挖长度为74.968 m；左DK5+850.085～左DK5+924.189，暗挖长度74.104 m。区间暗挖开挖跨度6.7 m，开挖高度7.02 m，区间拱顶埋深8.8～9.7 m。区间暗挖隧道所经范围地表主要为市政道路(黄河路)，道路两侧建筑物地形总体较为平坦。

其所在地区的地貌是黄河冲积所形成的平原。在30 m深度以内，第四系全新统(Q4)地层是场地的主要部分，从表面起20 m深度以内，地层主要由粉土、黏土组成，并夹杂着粉砂和细砂。而20～30 m的主要地层由密度较高的细砂构成。本区间隧道埋深变化较大，在9.0～21 m之间浮动。穿越主要地层有②32D层细砂、②33层黏质粉土、②33D层细砂、②34层黏质粉土。

该区间段的地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水。地下水位埋深在8.5 m左右，该含水层属弱-强透水层，其地下水径流由西、西南向东及东北径流。

文花区间暗挖段隧道先施工右线，再施工左线，左线与右线开挖隧道错开15 m。左右线隧道开挖按台阶法，先开挖上部台阶，施作格栅拱架初期支护、喷射混凝土，开挖过程中采用预留核心土法，拱脚部位施作锁脚锚管，然后开挖下台阶，施作格栅拱架初期支护、喷射混凝土。上台阶与下台阶错开8～10 m，上台阶及下台阶施工循环进尺0.5 m。根据隧道初支变形情况及时施作仰拱、侧墙及拱部二次衬砌。

2.2 浅埋暗挖隧道注浆技术

本项目浅埋暗挖隧道由于开挖断面内地下水丰富，提前采用全断面深孔注浆进行外围止水和洞身土体加固，采用高压劈裂注浆施工工艺；隧道拱顶施工采用超前小导管注浆加固，施工范围为拱部150°，布设单排超前小导管，保证暗挖隧道施工的安全。

2.2.1 深孔注浆

在该区间隧道深孔注浆加固范围为初衬外轮廓向外2.5 m的全断面。注浆孔采用500×500 mm间距布置，通过设置不同外插角确保注浆加固范围；注浆采用后退式注浆工艺，分段注浆，每段深孔注浆纵向长度12 m，开挖10 m，段与段之间搭接2 m，下一段注浆前设置止浆墙。注浆孔直径为89 mm，注浆管直径为50 mm，注浆孔间距0.5 m。根据开挖面前方的围岩条件注浆压力控制在0.3～1.0 MPa，并从里向外逐渐减压，浆液扩散范围为1.0 m。在浆液完全扩散凝固后，地层的强度处于0.6 MPa到0.8 MPa之间。并且渗透要满足工程设计准则。注浆时必须按注浆参数进行，以确保注浆效果。深孔注浆管横断面布置如图1所示。

图1 深孔注浆管横断面布置示意

通过现场地层注浆试验确定浆液的成分和配合比，依据试验结果采用双重管A、C化学浆液，即A液为稀释后的水玻璃，C液由水泥加稀释剂和添加剂组成。

在注入A、C浆液之前，必须对其进行充分的搅拌，并且要确保组合浆液的凝固时间满足现场的施工环境。其配比如表1所示。

表1 A、C双液浆注浆材料配比

将A、C浆液分别注入注浆管的内外管，混合位置在注浆管的端头，利用滤网进行水平喷射，每个喷口的间距保持0.3～0.5 m，以确保浆液能充分渗透至地层之中。在进行阶梯回抽喷射时，一般以10～20 cm为一区间。所有阶梯喷射完毕后，实行封密。

2.2.2 超前小导管注浆

在该区间隧道超前小导管注浆施工范围为隧道拱部150°，布设单排超前小导管，小导管为φ＝42 mm，厚度t＝3.5 mm，长2.5 m的热轧钢管。小导管的管头部分为圆锥形，长度为10 cm，该设计能为注浆提供便利，在小导管尾部焊接钢筋箍，直径为6～8 mm。距小导管后端100 cm以内不设注浆孔，其余区域布设梅花形溢浆孔，间距为20 cm，直径为8 mm。

注浆浆液及配合比须由现场对各土层进行注浆试验确定，注浆压力范围为0.5～1.5 MPa，并根据土层变化作相应调整。注浆扩散半径不小于0.5 m，注浆材料为水泥、水玻璃双液浆，体积比为1∶1。为防止浆液外漏，必要时可在孔口处设置止浆塞。注浆结束后，必须对注浆效果进行检查，并对注浆的薄弱部位，重新补充注浆。图2为超前小导管布置示意图。

图2 超前小导管布置示意

3 浅埋暗挖隧道施工注浆效果分析

浅埋暗挖隧道施工极为复杂，在有限元分析中通常将开挖阶段看作一个非连续的过程。采用有限元分析软件进行数值模拟隧道注浆效果。隧道开挖期间，隧道上半部分采用超前小导管和深孔注浆结合加固做法，隧道下半部分采用深孔注浆加固。因此，数值模拟中也采用相同的注浆方案，在注浆结束且待围岩稳定后，再模拟隧洞的开挖过程，并将注浆后的位移变形结果与未注浆的位移变形结果对比，合理分析注浆效果。

3.1 分析模型

本工程分析模型选取为实际工程的右线DK5+850～右线DK5+910段，暗挖长度为60 m。隧道开挖直径取7 m，计算模型尺寸为60 m×20 m×30 m。土体选用8节点单元模拟，为降低计算耗时，网格为非均匀划分，着重对开挖面周围进行加密处理，以确保模型的精确性。衬砌与土体接触采用面接触。

边界条件为:沿x轴方向约束x方向位移；沿z轴方向约束z方向位移；底边为固定边界。模型上表面施加50 kPa面荷载作用。有限元计算模型共生成1 918单元和2 680节点，其中沿垂直方向向上为y的正方向。

3.2 参数取值

采用摩尔-库伦屈服准则判断塑性变形产生，土体的弹性模量采用经验值为2～5倍压缩模量，本文取试验土体压缩模量的5倍[12]。详细地层参数取值见表2。

表2 地层参数

3.3 计算结果

为研究隧道横断面地表沉降规律，选取隧道右DK5+850～右DK5+910某断面为计算对象，计算两种工况下相应断面的地表沉降结果。

3.3.1 未注浆时竖向和水平位移

未注浆时隧道开挖位移云图如图3所示。

图3 未注浆时位移云图

对于未注浆情况下，隧道拱顶最大沉降量为22.59 mm。在隧道开挖完毕后，隧道拱底的最大隆起为40.00 mm，地表的沉降最大为17.35 mm。拱腰左侧和右侧基本一致，分别为21.07 mm、18.54 mm。

3.3.2 深孔注浆与小导管注浆后竖向和水平位移

深孔注浆与超前小导管注浆后隧道位移云图如图4所示。

图4 注浆后位移云图

对于已注浆情况下，隧道拱顶最大沉降量为16.65 mm。在隧道开挖完以后，隧道拱底的最大隆起量为14.24 mm。拱腰左右侧基本对称，左侧最大位移和右侧最大位移分别为10.18 mm、10.30 mm。

3.3.3 二种工况对比

由图5可知，对于隧道开挖后，深孔注浆和超前小导管注浆结合的注浆方式能有效降低拱腰两侧和拱底及拱顶的变形量，因此，当隧道施工位于强度低、压缩性高、受压易变形的地层时，可采用二者结合的注浆方案，将大大降低隧道开挖产生的变形，增加浅埋暗挖隧道施工的安全性。

图5 拱部位移

4 施工监测数据与计算结果讨论

由于拱顶下沉值和水平收敛值是判断围岩稳定性的重要参考依据，选取GDC段的拱顶下沉值和JKJ段的水平收敛值与数值模拟结果对比。

由图6可知，数值模拟的结果比现场监测的数据偏大，这可能是因为数值计算地层参数采用的经验值，未针对实际工程地层开展试验确定。数值模拟计算可以作为现场实测方法的有利补充，对隧道施工安全提供依据。

图6 实测值与数值模拟对比

图6a中的JKJ段的4号测点和图6b中的GDC段的5号测点均为当前测段所有测点的最大位移值，其分别对应着第3章数值计算的拱腰和拱顶。其拱腰左右侧位移影响范围为1.934 m，拱底位移影响范围为3.334 m，拱顶影响范围一直延伸至地表。在隧道施工过程中，应当注重拱顶等位移变化最大的位置，对该区域增加注浆量或者后期进行二次注浆的方法进行再加固，保证隧道工程的安全进行。