富水半砂半巖隧道下穿建筑物注漿技術(shù)數(shù)值模擬研究

賈 鋒

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250001)

城市地鐵隧道所處環(huán)境特殊，施工中稍有不慎，就會(huì)造成巨大的人身和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。因此，研究合理的施工工法對(duì)保證隧道建設(shè)過(guò)程的安全具有重要意義[1-2]。地鐵隧道施工方法的選擇主要依據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，并結(jié)合隧道斷面尺寸、長(zhǎng)度、襯砌類型和施工技術(shù)水平等因素[3-4]，且應(yīng)體現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理及安全適用的原則[5-7]。

1 工程概況

1.1 工程背景

青島地鐵一期工程3號(hào)線萬(wàn)年泉路站-李村站區(qū)間為兩條單洞單線馬蹄形隧道(見圖1)，隧道下穿7棟年代久遠(yuǎn)的建筑物，隧道拱部穿越地層由巖層漸變?yōu)楦凰皩?見圖2)，含水量大，自穩(wěn)能力差，開挖易坍塌、突水，引起地表及建筑物的不均勻沉降，施工風(fēng)險(xiǎn)極大。

圖1 隧道下穿建筑物平面

1.2 水文地質(zhì)概況

地下水主要有兩種類型:一是松散土層孔隙水，二是基巖裂隙水。隧道主要穿越的粗砂層為褐-褐黃色，飽和，中密-密實(shí)，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，磨圓較好，含少量黏性土及碎石，局部夾黏性土透鏡體。

圖2 隧道下穿建筑物地質(zhì)剖面

2 工程措施

2.1 結(jié)構(gòu)支護(hù)措施

區(qū)間為單洞單線馬蹄形隧道，為初期支護(hù)厚300 mm、二襯厚300 mm的防水鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用φ76自進(jìn)式管棚(長(zhǎng)10 m)，環(huán)向間距為400 mm，超前小導(dǎo)管(φ42)長(zhǎng)4 m，縱向間距為1 000 mm，格柵鋼架縱向間距為500 mm(見圖3)。

2.2 堵水措施

為減少地下水對(duì)施工的影響，在隧道洞內(nèi)采用二重管無(wú)收縮雙液注漿工藝(以下簡(jiǎn)稱WSS注漿)對(duì)上半斷面砂層進(jìn)行注漿止水加固[8-10]。注漿參數(shù)如表1所示。

(1)注漿范圍:開挖工作面及外擴(kuò)5.0 m。

(2)注漿材料:硫鋁酸鹽水泥、水玻璃漿液；水玻璃模數(shù)m=2.4～3.4，濃度Be=30～40，水泥∶水玻璃=1∶1。

圖3 隧道支護(hù)斷面(單位：mm)

表1 WSS注漿漿液配比

(3)注漿長(zhǎng)度:循環(huán)注漿長(zhǎng)度為10 m，初始注漿段采用1.0 m厚噴射混凝土止?jié){墻，后序注漿段均預(yù)留4.0 m已注段作為止?jié){巖盤。

(4)注漿孔間距:初始注漿孔間距為0.2～0.4 m，保證孔的末端間距控制在1 m內(nèi)，單孔漿液擴(kuò)散半徑為0.6 m。

(5)注漿壓力:建議控制在0.5～0.8 MPa。

(6)單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以定量定壓相結(jié)合的方式控制。定量標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的1.5～2倍，壓力仍然不上升，可采取速凝漿液等措施結(jié)束該孔注漿；定壓標(biāo)準(zhǔn):注漿過(guò)程中，壓力逐漸上升，流量逐漸下降，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力(0.8 MPa)，持續(xù)20 min，吸漿量很少或不吸漿時(shí)，可結(jié)束該孔注漿(結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為參考值，實(shí)際結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最后確定)。

(7)注漿效果檢查:注漿孔全部完成后，在工作面鉆3～5個(gè)檢查孔并取巖芯，觀察漿液填充情況(注漿加固后土體滲透系數(shù)不大于10-4cm/s，強(qiáng)度不小于0.4 MPa)。若注漿未達(dá)到預(yù)期效果，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償注漿，以保證施工安全。

2.3 爆破控制

地層為上軟下硬，應(yīng)采用弱爆或靜爆，以減小對(duì)注漿加固體和土層的擾動(dòng)，爆破震速控制在1.0 cm/s以內(nèi)，并根據(jù)圍巖情況調(diào)整爆破參數(shù)，做到“少裝藥、短進(jìn)尺、弱爆破、輕擾動(dòng)”[11-14]。

2.4 后期沉降控制

開挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初支背后注漿，打設(shè)φ32徑向注漿管(長(zhǎng)2 m)，環(huán)向及縱向間距為1.5 m×1.0 m，形成2 m厚的注漿加固圈，減小后期應(yīng)力重分布引起的地層變形。

2.5 監(jiān)控量測(cè)

加強(qiáng)對(duì)隧道周圍及工作面滲水監(jiān)測(cè)以及初期支護(hù)的變形、凈空監(jiān)測(cè)，以保證施工安全[15-16]。

在洞外增設(shè)室內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，加強(qiáng)建筑物的傾斜、基礎(chǔ)不均勻沉降、地表沉降等監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)建筑物基礎(chǔ)采取進(jìn)一步的處理措施。

3 數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D有限元軟件，對(duì)隧道下穿萬(wàn)隆商廈的施工過(guò)程進(jìn)行模擬(見圖4)，著重分析施工過(guò)程中不同注漿強(qiáng)度對(duì)圍巖應(yīng)力分布和地面沉降的影響。該區(qū)域的地層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

3.1 計(jì)算模型

圖4 泉李區(qū)間下穿萬(wàn)隆商廈段隧道模型

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬方案

為了研究隧道施工過(guò)程中注漿強(qiáng)度對(duì)圍巖應(yīng)力分布和地面沉降的影響，擬定的數(shù)值分析方案如表3所示[17-18]。其中，針對(duì)富水砂層，分為不注漿加固和注漿加固兩種方案，初始方案為開挖前不注漿(即注漿區(qū)參數(shù)為原地層參數(shù))，注漿加固方案分為加固方案1、加固方案2和加固方案3；注漿加固區(qū)中，黏聚力為地層原參數(shù)的2倍、3倍和5倍，彈性模量、泊松比和內(nèi)摩擦角按照經(jīng)驗(yàn)調(diào)整[19-20]，密度均為2 100 kg/m3。

表3 加固區(qū)參數(shù)變化方案

施作初襯后圍巖變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，故不再模擬分析施作二襯對(duì)隧道圍巖應(yīng)力分布和地面沉降的影響[21]。

3.3 結(jié)果分析

(1)不注漿方案結(jié)果分析

圖5 右線隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖6 左線隧道豎向位移云圖(單位：m)

由圖5～圖9可知，右線隧道上臺(tái)階開挖到12 m時(shí)，左線隧道才開始開挖。在這一階段，左線隧道地表沉降都接近于0，說(shuō)明右線隧道開挖對(duì)左線隧道地表沉降基本沒有影響。隨著左、右線隧道的同時(shí)開挖，地表沉降顯著增大。左線隧道7個(gè)施工步的地表最大沉降值分別為:0.53 mm、0.85 mm、12.20 mm、16.19 mm、17.40 mm、17.81 mm、17.95 mm，右線隧道7個(gè)施工步的地表最大沉降值分別為:11.11 mm、14.98 mm、16.67 mm、17.34 mm、17.63 mm、17.80 mm、17.90 mm。由此可以看出，在隧道開挖過(guò)程中，地表最大沉降值的變化較小，但隨著開挖距離的增大，地表出現(xiàn)較大沉降的區(qū)域在不斷增多。曲線中出現(xiàn)的水平線段表示隧道的襯砌施工，這說(shuō)明隧道的初襯施工中對(duì)地表的沉降影響很小。開挖過(guò)程中，地表和拱頂最大變形已經(jīng)超過(guò)安全限值，這是由于沒有超前注漿加固地層造成的。因此，在上軟下硬地層中進(jìn)行隧道開挖，必須要進(jìn)行必要的地層加固。此外，在下臺(tái)階開挖完畢后應(yīng)當(dāng)及時(shí)施作初襯，或者增加支撐，以防止襯砌結(jié)構(gòu)的變形和失穩(wěn)。

(2)加固方案1結(jié)果分析

圖7 地表三維沉降曲線

圖8 右線隧道各施工步地表沉降曲線

圖9 左線隧道各施工步地表沉降曲線

圖10 右線隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖11 左線隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖12 地表三維沉降曲線

圖13 右線隧道各施工步地表沉降曲線

由圖10～圖14可知，右線隧道上臺(tái)階開挖到12 m時(shí)，左線隧道開始開挖，在這一階段，左線隧道地表沉降都接近于0，說(shuō)明在堅(jiān)硬地層中進(jìn)行隧道施工，先開挖隧道對(duì)后開挖隧道上方地表基本沒有影響。隨著左、右線隧道的同時(shí)開挖，地表沉降顯著增大。右線隧道7個(gè)施工步的地表最大沉降值分別為:3.82 mm、5.28 mm、6.05 mm、6.42 mm、6.58 mm、6.68 mm、6.73 mm；左線隧道7個(gè)施工步的地表最大沉降值分別為:0.21 mm、0.36 mm、4.30 mm、5.84 mm、6.43 mm、6.67 mm、6.75 mm。由此可以看出:在隧道開挖過(guò)程中，地表最大沉降值的變化較小，但隨著開挖距離的增大，地表出現(xiàn)較大沉降的區(qū)域在不斷增多(曲線中出現(xiàn)的水平線段表示隧道的襯砌施工，這說(shuō)明隧道的初襯對(duì)地表的沉降影響很小)。此外，右線隧道開挖到12～18 m時(shí)，右線隧道的起始端地表沉降變化很小，說(shuō)明隨著施工面的推進(jìn)，距開挖面越遠(yuǎn)，施工對(duì)其影響也越小。

(3)加固方案2結(jié)果分析

圖14 左線隧道各施工步地表沉降曲線

圖15 右線隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖16 左線隧道豎向位移云圖(單位：m)

由圖15～圖19可知，隨著左、右線隧道的同時(shí)開挖，地表沉降顯著增大。左線隧道7個(gè)施工步的地表最大沉降值分別為:0.20 mm、0.37 mm、1.37 mm、2.47 mm、3.28 mm、3.67 mm、3.81 mm，右線隧道7個(gè)施工步的地表最大沉降值分別為:1.88 mm、2.73 mm、3.22 mm、3.46 mm、3.57 mm、3.63 mm、3.66 mm。由此可以看出:在隧道開挖過(guò)程中，地表最大沉降值的變化較小，但隨著開挖距離的增大，地表出現(xiàn)較大沉降的區(qū)域在不斷增多，但總體上沉降量比較小(曲線中出現(xiàn)的水平線段表示隧道的襯砌施工，這說(shuō)明隧道的初襯對(duì)地表的沉降影響很小)。此外右線隧道開挖到12～18 m時(shí)，右線隧道的開始端地表沉降變化很小，說(shuō)明隨著施工面的推進(jìn)，距開挖面越遠(yuǎn)，施工對(duì)其影響越小。

圖17 地表三維沉降曲線

圖18 右線隧道各施工步地表沉降曲線

圖19 左線隧道各施工步地表沉降曲線

(4)加固方案3結(jié)果分析

由圖20～圖24可知，隨著左、右線隧道的同時(shí)開挖，地表沉降顯著增大。左線隧道7個(gè)施工步的地表最大沉降值分別為:0.06 mm、0.13 mm、1.14 mm、1.75 mm、2.03 mm、2.15 mm、2.19 mm，右線隧道7個(gè)施工步的地表最大沉降值分別為:0.99 mm、1.56 mm、1.87 mm、2.03 mm、2.11 mm、2.16 mm、2.18 mm。由此可以看出，在這種注漿量下開挖隧道，地表沉降值均非常小，但是會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)，且對(duì)注漿壓力的要求很高，很難實(shí)現(xiàn)，工程中一般不采用。

(5)數(shù)值模擬分析總結(jié)

通過(guò)對(duì)不注漿加固方案及其他3種不同超前注漿加固方案的對(duì)比，研究了不同注漿方案對(duì)隧道開挖過(guò)程中地層應(yīng)力及變形情況的影響。著重分析了注漿區(qū)黏聚力和內(nèi)摩擦角兩個(gè)因素對(duì)加固效果的影響。

針對(duì)富水砂層，若隧道開挖前不進(jìn)行超前注漿，隧道施工引起的拱頂和地表沉降較大，地層變形非常大，隧道將處于危險(xiǎn)狀態(tài)。因此，在實(shí)際施工中必須要進(jìn)行超前注漿，以保證隧道開挖的安全。

通過(guò)幾種加固方案的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，提高注漿參數(shù)中的c、φ值，可以適當(dāng)增加注漿區(qū)強(qiáng)度，但對(duì)于減小地表及建筑物沉降的效果并不顯著，還有可能造成地表及建筑物的隆起(見圖25)。

圖20 右線隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖21 左線隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖22 地表三維沉降曲線

圖23 右線隧道各施工步地表沉降曲線

圖24 左線隧道各施工步地表沉降曲線

圖25 各方案下拱頂和地表最大沉降值對(duì)比

4種注漿加固方案下，隧道應(yīng)力變化曲線基本一致，但隨著注漿量的增加，應(yīng)力值趨于平緩。因此，增加注漿量在一定范圍內(nèi)可以改善隧道的受力狀況，減小其應(yīng)力的值，對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)有利。

4 結(jié)論

(1)區(qū)間隧道下穿萬(wàn)隆商廈施工，采用暗挖法施工可行，針對(duì)富水砂層，采用WSS法注漿止水效果顯著。

(2)從計(jì)算結(jié)果看，注漿加固后，地層性質(zhì)得到改善，隧道開挖過(guò)程中地層沉降和建筑物變形均在控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，施工安全能夠得到保證。

(3)不同注漿方案下，地表的最大沉降值出現(xiàn)的位置大致相同(均在右線隧道進(jìn)深約6 m處隧道中心線上部地表)。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在隧道洞口拱頂，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱肩處。在實(shí)際施工監(jiān)測(cè)中，以上幾個(gè)位置應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。