隧道穿越飽和軟黃土合理注漿半徑范圍研究

王小林 高海通 孟敏強，2 王 磊

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院,710054,西安；2.重慶大學土木工程學院，400450，重慶∥第一作者,副教授)

隧道穿越飽和軟黃土合理注漿半徑范圍研究

王小林1高海通1孟敏強1，2王 磊1

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院,710054,西安；2.重慶大學土木工程學院，400450，重慶∥第一作者,副教授)

以西安地鐵某號線穿越飽和軟黃土地段為研究對象,針對施工中采用的全斷面注漿加固地層措施,分析其合理的注漿半徑。利用FLAC3D數值模擬軟件,重點分析地鐵隧道穿越飽和軟黃土地層時不同注漿半徑下的圍巖豎向變形,并結合相關工程經驗,確定合理的注漿半徑。分析結果表明,針對本工程實際地質水文條件,合理的注漿半徑為2～3 m。其可為類似地質條件下的工程提供借鑒。

地鐵; 隧道施工; 飽和軟黃土; 注漿半徑

First-author′s address College of Architecture and Civil Engineering, Xi′an University of Science and Technology,710054,Xi′an,China

根據《工程地質手冊》[1],飽和黃土指飽和度大于80%且濕陷性已經退化了的黃土,其可以分為兩類,一類是一般飽和黃土,一類為飽和軟黃土。西安地鐵勘查資料顯示,興慶湖周邊一定區域內分布有飽和軟黃土,地鐵1號線、2號線、3號線、5號線沿線地層存在著一定厚度、連續的飽和軟黃土[2]。在西安地鐵隧道建設中,合理處理飽和軟黃土地層是施工中面臨的一個重要難題。為此,國內學者開始將目光轉入飽和軟黃土地層地鐵隧道的施工研究中[3-6],其研究成果對工程建設具有重要的指導意義。

本文在前人研究成果的基礎上,總結經驗,以地鐵區間隧道穿越飽和軟黃土地層段為研究對象,設計采用全斷面注漿加固。為確保其順利施工,且考慮經濟性,研究全斷面注漿的合理范圍。

1 工程概況

西安地鐵某號線一期工程線路全長25.353 km,其中地下線長 24.136 km,采用盾構法+礦山法施工。沿線場地近700 m長范圍分布有飽和軟黃土,其層厚2.70～14.60 m,層底深度10.90～17.80 m。飽和軟黃土地層屬較弱土體,降低地下水時易造成該段落沿線周邊鄰近建筑物過大附加沉降及地面沉降,故在該地層中采用暗挖法施工。穿越飽和軟黃土地層隧道斷面為馬蹄形,長約448 m,隧道斷面尺寸為5.4 m×6.2 m,襯砌厚度為0.3 m。根據實際工況,對地鐵隧道穿越飽和軟黃土地段進行全斷面注漿加固。

2 工程地質及水文地質概況

2.1 工程地質

2.2 水文地質

該區間場地地下水屬潛水類型,場地潛水賦存于上更新統殘積古土壤、中更新世風積黃土和沖積粉質黏土及其砂夾層中。主要含水層為中更新統沖積粉質黏土,中砂夾層,透水性好,賦水性強,層厚0.50～8.20 m。據西安市多年水位觀測資料,擬建場地低水位期為7～9月,高水位期為12月至翌年3月,水位年變幅2 m左右。

3 注漿半徑有限元數值模擬

3.1 模型的建立

本工程利用Ansys數值模擬軟件建立模型,隨后導入FLAC3D巖土工程有限差分軟件進行模擬分析,最后導入Tecplot軟件進行后處理[7]。圖1所示為本區間土層圖及隧道所處位置。根據隧道開挖對圍巖的影響范圍,選擇合理的區域建立數值模擬分析模型。由于隧道穿越飽和軟黃土地段較長,為簡化起見,取隧道長度為48 m,故三維模型尺寸為54.9 m(長)×48 m(寬)×43 m(高),如圖2所示。將建立的模型導入FLAC3D軟件中,可知在FLAC3D中共劃分52 430個節點,49 536個三維網格單元。簡化隧道基本尺寸如下:拱頂位于地面以下12 m,隧道斷面尺寸為5.4 m×6.2 m,注漿材料采用C30混凝土,初期支護采用噴射混凝土支護。

結合工程地質勘察單位提供的巖土工程勘察設計參數建議,并將模型范圍內巖土力學性質相近的土層進行合并簡化,反演計算出模型土層的主要物理參數[8],主要提高比例為:彈性模量提高50%,粘聚力提高45%,摩擦角提高2°,重度提高6%。主要參數如表1所示。

圖1 區間土層圖

圖2 隧道計算模型

表1 主要土層物理參數及支護材料

3.2 數值模擬結果分析

本模型選取6種不同的注漿半徑對隧道施工分別進行數值模擬。建模時取注漿半徑為0(未注漿)、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m和3.5 m,其地層豎向變形圖(Z-Disp)如圖3～9所示。在Tecplot軟件中,圖3～6采用切片模式,為x=2.45 m、y=24 m和z=2.45 m;圖7～9采用模型豎向位移云圖。

由圖3可知,在未采用加固注漿(即加固半徑為0)時,隨著開挖掘進完成,地層的最大沉降值為

圖3 圍巖豎向位移(未加固注漿)

圖4 圍巖豎向位移(注漿半徑1.0 m)

13.741 cm,發生在隧道頂部;而地層最大隆起值為27.818 cm,發生在隧道底部,其超過了允許值,甚至有可能造成塌陷,故必須采用全斷面注漿加固。

由圖4可知,在采用加固注漿(加固半徑為1.0 m)時,隨著開挖掘進完成,地層的最大沉降值為4.797 4 cm,發生在隧道開挖開始;而地層最大隆起值為6.239 3 cm,也發生在隧道開挖開始,底部有一個隆起過程,沉降值與隆起值明顯減小。在隧道開挖后半部分,隧道的沉降處于穩定狀態。

圖5 圍巖豎向位移(注漿半徑1.5 m)

圖6 圍巖豎向位移(注漿半徑2.0 m)

由圖5可知,在采用加固注漿(加固半徑為1.5 m)時,隨著開挖掘進完成,地層的最大沉降值為4.189 3 cm,發生在隧道開挖開始;地層最大隆起值為5.406 3 cm,也發生在隧道開挖開始,底部有一個隆起過程,但沉降值與隆起值有減小趨勢。

由圖6可知,在采用加固注漿(加固半徑為2.0 m)時,隨著開挖掘進完成,地層的最大沉降值為 3.801 1 cm,發生在隧道開挖開始;地層最大隆起值為4.767 3 cm,發生在隧道開挖開始,底部有隆起,沉降值與隆起值減小。

由圖7可知,在采用加固注漿(加固半徑為2.5 m)時,隨著開挖掘進完成,地層的最大沉降值為3.465 5 cm,發生在隧道開挖開始;地層最大隆起值為4.257 3 cm,亦發生在隧道開挖開始,底部有隆起,沉降值與隆起值減小。

圖7 圍巖豎向位移(注漿半徑2.5 m)

圖8 圍巖豎向位移(注漿半徑3.0 m)

由圖8可知,在采用加固注漿(加固半徑為3 m)時,隨著開挖掘進完成,地層的最大沉降值為3.216 1 cm,發生在隧道開挖開始;地層的最大隆起值為3.901 6 cm,亦發生在隧道開挖開始,底部有隆起,沉降值與隆起值減小。

由圖9可知,在采用加固注漿(加固半徑為3.5 m)時,隨著開挖掘進完成,地層的最大沉降值為3.021 0 cm,發生在隧道開挖開始;地層最大隆起值為3.561 2 cm,也發生在隧道開挖開始,底部有隆起,沉降值與隆起值減小。

圖9 圍巖豎向位移(注漿半徑3.5 m)

由數值模擬結果可知,全斷面注漿加固地層對于控制地層沉降的效果是顯而易見的。隨著注漿半徑的逐步增大,地層的最大沉降值及隆起值逐漸減小,最后趨于穩定。如圖10所示。在地鐵建設中,隧道施工時地層最大沉降量控制在3.5 cm左右。通過數值模擬分析,當加固地層注漿半徑為2.5 m時,地層最大沉降量為3.46 cm。故本工程隧道穿越飽和軟黃土地層注漿半徑設計時,可采用2.5 m,注漿范圍及經濟需求均符合工程施工要求。

圖10 地層沉降量及隆起量隨注漿半徑變化曲線

根據工程經驗 ,隨著注漿半徑的增大,注漿壓力也會隨之增大。過大的注漿壓力會直接造成原有地層的破壞,反而不利于地鐵的施工,且大的注漿半徑必定會造成工程投資增大,造成浪費。根據上述分析并結合工程實際情況,對于本工程來說,合理的注漿半徑為2～3 m即可。

4 結論

對不同注漿半徑情況下地層的沉降與隆起量進行對比分析,得到如下結論:

(1) 地層注漿半徑的增大,也就是圍巖強度的增強,使圍巖自穩性得到提高,地層的沉降和隆起量減小。數值模擬結果可運用于隧道穿越飽和軟黃土地層的研究以及實際工程采取全斷面注漿加固措施中。

(2) 利用數值模擬軟件,分別分析不同注漿半徑下的地層沉降與隆起量,結果表明,在2 m到3 m時,其值處于合理的范圍且經濟效果最為明顯。所以,合理的注漿半徑為2～3 m,工程中實際采用為2.5 m。

(3) 對于飽和軟黃土地層的注漿,要嚴格控制其注漿壓力,并隨時分析觀察漿液的充填情況。當地層的注漿效果未達到要求時,應及時調整注漿參數或者進行二次補償注漿,直至達到工程要求。

(4) 通過數值模擬軟件得出合理的注漿半徑為2～3 m,沉降量符合實際工程要求,對于本工程的建設起到了指導作用,同時可為類似工程提供借鑒。

[1] 《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊[M].4版.北京:中國建筑工業出版社,2006.

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Study on Reasonable Grouting Radius of Tunnel Crossing through Saturated Soft Loess

WANG Xiaolin, GAO Haitong, MENG Minqiang,WANG Lei

Taking a subway tunnel in Xi'an City as the research target, which crosses through the saturated soft loess, the reasonable radius is analyzed by adopting the whole section grouting to reinforced the formation in the construction. FLAC3D numerical simulation software is applied to study on the vertical strata deformation in different grouting radiuses when the tunnel crosses through the saturated soft loess. Combined with engineering experiences, the reasonable grouting radius is determined. The analyzed result shows that the reasonable grouting radius is about 2 ～ 3 m in view of the practical geological and hydrological conditions of the project. This reaserch can be taken as a reference for similar projects.

subway; tunnel construction; saturated soft loess; grouting radius

U 455.49

10.16037/j.1007-869x.2017.01.015

2015-04-03)