采用超前小導管注漿對暗挖通道支護穩定性研究

潘夢陽，田承堯，胡學祥 （中建二局土木工程集團有限公司，北京 101100）

0 前言

隨著城市建設快速發展，對于土地資源緊缺的大型密集型城市，開發利用地下空間的優勢越來越明顯。地下市政工程往往建設周期較長，對地面交通及周邊環境的影響大，由此暗挖法施工在地下工程建設中有著一定的優勢。目前，市政通道工程常見的暗挖工法有礦山法、盾構法、頂管法等，傳統礦山法有著施工工藝成熟、造價低、施工快速、風險可控的優點[1]。

超前小導管是在開挖前預先打設注漿管并注漿加固地層的措施。漿液以充填，劈裂等方式注入后能與土顆粒緊密接觸，置換土顆粒間的水分及空氣后，經過一定時間凝結，將原有的松散土顆粒或裂隙膠結成一個整體，形成一個強度大、防水性能良好的固結體結構，使得圍巖松散破碎狀況得到大幅度改善。研究表明[2]，超前小導管可以對松散土體起到短期加固作用，能確保開挖過程中初期支護時間內圍巖的穩定。本文基于某市政地下通道工程，對采用超前小導管工程設計方案進行數值模擬分析，為類似工程提供技術參考。

1 工程概況

本工程為鄭州軌道交通某車站出入口過街通道，車站為地下三層島式站臺車站，位于某商業地塊內。根據乘車及疏散需要設置下穿快速道路出入口，快速路為雙向8車道主干道，施工期間不得影響交通。故本工程采用兩段明挖+暗挖段組成，明挖段與車站主體連接，快速道路下方采用暗挖法施工。暗挖段總長度約為54.0 m，覆土約8.0m埋深約14.5m。借鑒相關工程研究[3-4]，擬采用超前小導管注漿CRD工法施工。該工程施工順序為先施做明挖段，然后從明暗挖分界線施工暗挖段，暗挖施工前做好超前支護施工。工程平面位置示意圖，如圖1所示。

圖1 工程平面位置示意圖

2 工程地質概況

本工程進行了詳細地質勘查工作。勘察報告顯示，擬建場地地基土主要由粘性土、粉性土和砂土組成，地層從上到下主要為：雜填土、黏質粉土、粉質黏土等。通道基底位于③34黏質粉土層。地勘察期間，穩定地下水位埋深自然地面下2.0m。地下水主要賦存于常水位以下的粉質黏土和黏質粉土層中，均屬弱透水層。

3 暗挖設計

暗挖支護工程擬采用Φ42小導管CRD工法施工，內設格柵鋼架，襯砌間需設置防水層。Φ42超前小導管，t=3.25mm，L=2.5m，水平傾角10～15°，環距0.2m，縱距0.5m，注漿漿液為單液水泥漿；300mm厚C25早強噴射混凝土；格柵鋼架@0.5m，鋼筋主筋C25，連接筋C20，環向間距1000mm，內外雙層錯開、梅花型布置；A6.5@150×150雙層鋼筋網。暗挖段斷面為“馬蹄形”結構，襯砌型式為復合式襯砌。可采用拱頂注漿或全環注漿的方式，暗挖支護方案見暗挖斷面圖，如圖2所示。

圖2 暗挖支護斷面圖

4 數值模擬分析

采用三維有限元分析軟件FLAC3D對本工程進行數值分析。采用交叉中隔法（CRD）開挖，循環進尺為5～8米。分別通過未采用超前小導管注漿、拱頂注漿和全環注漿三種方式模擬，并在模型拱頂、左右拱肩和拱腰位置設置觀察點，對比分析三種情況下發生的沉降及水平位移值。

4.1 取值建模

根據工程具體尺寸及各設計參數建立三維數值模型。開挖跨度8.2m，開挖高度6.5m，模擬土體邊界：60m(x方向)、80m(y方向)、40m(z方向)，并根據勘察報告輸入土體參數。模型邊界條件：前后兩側施加y向位移約束，底部施加z向位移約束，左右兩側施加x向位移約束，頂部自由無約束。圍巖采用莫爾庫倫（Morh-Coulomb）模型，超前小導管注漿支護區通過改變圍巖地層參數實現[5-6]。模型物理參數參見表1。

模型物理參數 表1

4.2 模型結果

根據相關規范[7-8]要求結合鄭州當地做法[9]要求，關于礦山法隧道支護結構的變形、沉降的控制要求，本案周圍土體定為Ⅳ級圍巖，隧道工程風險等級二級。初期支護結構拱頂沉降限值為20mm，初期支護結構底板豎向位移限值為10mm，隧道拱腳豎向位移限值為10mm，初期支護結構收斂限值為10mm。

運用數值模擬分析了本工程在開挖過程中，通過未采用注漿支護、拱頂注漿以及全環注漿三種不同工況，結構圍巖及初襯的豎向位移（沉降）及水平位移情況，如圖3～5所示。從而進行對比分析，不同超前小導管注漿方式對圍巖支護穩定性的影響。

圖3 未采用注漿數值云圖

圖4 拱頂注漿數值云圖

圖5 全環注漿數值云圖

4.3 豎向位移分析

豎向位移（沉降）情況分析：①未注漿工況，周圍土層及邊墻、拱頂及其上部土層均有明顯沉降，隧道結構及周圍土體整體下沉約5.0mm，拱頂下沉為17.4 mm，仰拱及以下的土體產生向上位移為7.9 mm；②拱頂注漿工況，隧道結構及周圍土體整體下沉約2.5mm，拱頂下沉12.8 mm，仰拱抬升位移為7.7 mm；③全環注漿工況，隧道結構及周圍土體整體下沉約2.0 mm，拱頂下沉12.6 mm，仰拱抬升位移為7.0mm。具體如表2所示（向下為正，反之為負）。

三種工況下模型豎向位移表 表2

對于上述三種工況豎向位移均滿足規范要求。由于本案凈跨跨度較小、圍巖土質較好，在未采用注漿加固措施情況下也能滿足相關規范要求，但結構整體沉降較大，拱頂豎向位移較大。采用拱頂注漿后，能有效控制拱頂豎向位移，其余位置位移也均有所減小。采用全環注漿后，結構各位置位移均進一步減小，但除了仰拱位移控制效果較好之外，其余位置豎向位移控制均不明顯。

4.4 水平位移分析

水平位移情況：①未注漿工況，圍巖土層會產生向內部橫向位移量約為2.0 mm，內襯橫向位移中，左右邊墻為不利位置，向內收斂移動量為10.9mm；②拱部注漿工況，拱頂土層和仰拱以下土層幾乎沒有橫向位移，左右邊墻為不利位置，向內收斂移動量為9.4 mm；③全環注漿工況，圍巖土層幾乎沒有橫向位移，左右邊墻為不利位置，向內收斂移動量為6.7 mm。具體如表3所示。

未采用注漿措施加固時，結構橫向位移量大于收斂限值10mm，不滿足規范要求。在采用拱頂及全環注漿措施后，橫向位移收斂均滿足規范要求。但是，對于橫向位移控制，采用全環注漿加固措施較拱頂注漿更為有效。

三種工況下模型水平位移表 表3

5 結論

①運用FLAC 3D模擬了暗挖出入口通道支護結構及其圍巖的模型，并分析了未采用超前小導管注漿加固、拱頂注漿、全環注漿三種工況下結構豎向位移以及水平位移情況。

②采用超前小導管注漿支護，能夠有效改善支護區域圍巖的物理力學性質，提高加固區圍巖的強度，使結構拱頂、墻邊和仰拱處豎向位移以及邊墻水平位移的控制效果明顯。故，超前小導管注漿支護能有效增強支護區圍巖的穩定性，產生棚護作用。

③采用拱頂注漿加固方式，能有效控制拱頂豎向位移，墻邊位置豎向位移也有所減小。針對邊墻水平位移收斂也具有一定效果。對于仰拱豎向位移的控制效果一般。

④采用全環注漿加固方式，拱頂和邊墻的豎向位移的控制與拱頂注漿效果類似。對于仰拱位置的位移控制優于拱頂注漿加固。全環注漿對于邊墻水平位移收斂的控制效果顯著。