淺埋暗挖隧道地層變形及超前注漿技術研究

楊培仕

(中鐵十二局集團第二工程有限公司 山西太原 030000)

1 引言

淺埋暗挖法適應于上覆土層較淺的地下空間暗挖施工，具有隧道結構形式靈活，造價低，施工設備簡單，對地面建筑影響小，拆遷占地少等優點。

淺埋暗挖隧道施工時不可避免地擾動地層，嚴重時導致地下管線破裂等問題。國內許多學者通過對現場監測數據進行比較分析，總結了淺埋暗挖隧道結構的變形形態[1-2]。白鵬程[3]以成都淺埋暗挖隧道為背景，給出隧道沉降控制方案。在注漿數值仿真方面，宋方佳[4]采用粒子流軟件對深孔注漿進行深度分析，總結出深孔注漿的規律。岳洪武等[5]研究了管棚預注漿對淺埋暗挖隧道中軟弱碎巖的加固效果，結果表明，管棚注漿降低了52.7%的地表沉降。郭建峰[6]和康雪軍[7]等人通過數值模擬和現場監測數據對比，揭示了淺埋暗挖隧道的地層變化規律，提出應對土層進行注漿加固處理。張杰[8]對軟弱富水地區的淺埋暗挖隧道進行數值模擬，研究了其地層變形的規律和支護效果。王國強[9]研究了淺埋暗挖隧道在特殊黃土地區注漿加固的機理。鄒金杰等[10]通過數值模擬結果與現場監測數據對比，利用淺埋暗挖工法對某塌方隧道進行治理。王有旗[11]分析了下穿輕軌線的淺埋暗挖成套施工技術。

本文依托鄭州地鐵5號線文化路站～花園路站右區間 DK5+849.221～DK5+924.189，左區間DK5+850.085～DK5+924.189的淺埋暗挖隧道，結合隧道現場施工技術和量測數據，分析淺埋暗挖隧道施工引起的地層變形及超前注漿施工技術措施，通過計算探究隧道施工變形風險區域和注漿效果，為淺埋暗挖隧道施工提供參考。

2 淺埋暗挖隧道施工注漿技術

2.1 工程簡介

文化路站～花園路站是鄭州地鐵5號線的一個重要區間，該區間隧道采用淺埋暗挖法進行施工。

文花暗挖段位于黃河路與花園路交叉口，里程范圍為:右DK5+849.221～右DK5+924.189，暗挖長度為74.968 m；左DK5+850.085～左DK5+924.189，暗挖長度74.104 m。區間暗挖開挖跨度6.7 m，開挖高度7.02 m，區間拱頂埋深8.8～9.7 m。區間暗挖隧道所經范圍地表主要為市政道路(黃河路)，道路兩側建筑物地形總體較為平坦。

其所在地區的地貌是黃河沖積所形成的平原。在30 m深度以內，第四系全新統(Q4)地層是場地的主要部分，從表面起20 m深度以內，地層主要由粉土、黏土組成，并夾雜著粉砂和細砂。而20～30 m的主要地層由密度較高的細砂構成。本區間隧道埋深變化較大，在9.0～21 m之間浮動。穿越主要地層有②32D層細砂、②33層黏質粉土、②33D層細砂、②34層黏質粉土。

該區間段的地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水。地下水位埋深在8.5 m左右，該含水層屬弱-強透水層，其地下水徑流由西、西南向東及東北徑流。

文花區間暗挖段隧道先施工右線，再施工左線，左線與右線開挖隧道錯開15 m。左右線隧道開挖按臺階法，先開挖上部臺階，施作格柵拱架初期支護、噴射混凝土，開挖過程中采用預留核心土法，拱腳部位施作鎖腳錨管，然后開挖下臺階，施作格柵拱架初期支護、噴射混凝土。上臺階與下臺階錯開8～10 m，上臺階及下臺階施工循環進尺0.5 m。根據隧道初支變形情況及時施作仰拱、側墻及拱部二次襯砌。

2.2 淺埋暗挖隧道注漿技術

本項目淺埋暗挖隧道由于開挖斷面內地下水豐富，提前采用全斷面深孔注漿進行外圍止水和洞身土體加固，采用高壓劈裂注漿施工工藝；隧道拱頂施工采用超前小導管注漿加固，施工范圍為拱部150°，布設單排超前小導管，保證暗挖隧道施工的安全。

2.2.1 深孔注漿

在該區間隧道深孔注漿加固范圍為初襯外輪廓向外2.5 m的全斷面。注漿孔采用500×500 mm間距布置，通過設置不同外插角確保注漿加固范圍；注漿采用后退式注漿工藝，分段注漿，每段深孔注漿縱向長度12 m，開挖10 m，段與段之間搭接2 m，下一段注漿前設置止漿墻。注漿孔直徑為89 mm，注漿管直徑為50 mm，注漿孔間距0.5 m。根據開挖面前方的圍巖條件注漿壓力控制在0.3～1.0 MPa，并從里向外逐漸減壓，漿液擴散范圍為1.0 m。在漿液完全擴散凝固后，地層的強度處于0.6 MPa到0.8 MPa之間。并且滲透要滿足工程設計準則。注漿時必須按注漿參數進行，以確保注漿效果。深孔注漿管橫斷面布置如圖1所示。

圖1 深孔注漿管橫斷面布置示意

通過現場地層注漿試驗確定漿液的成分和配合比，依據試驗結果采用雙重管A、C化學漿液，即A液為稀釋后的水玻璃，C液由水泥加稀釋劑和添加劑組成。

在注入A、C漿液之前，必須對其進行充分的攪拌，并且要確保組合漿液的凝固時間滿足現場的施工環境。其配比如表1所示。

表1 A、C雙液漿注漿材料配比

將A、C漿液分別注入注漿管的內外管，混合位置在注漿管的端頭，利用濾網進行水平噴射，每個噴口的間距保持0.3～0.5 m，以確保漿液能充分滲透至地層之中。在進行階梯回抽噴射時，一般以10～20 cm為一區間。所有階梯噴射完畢后，實行封密。

2.2.2 超前小導管注漿

在該區間隧道超前小導管注漿施工范圍為隧道拱部150°，布設單排超前小導管，小導管為φ＝42 mm，厚度t＝3.5 mm，長2.5 m的熱軋鋼管。小導管的管頭部分為圓錐形，長度為10 cm，該設計能為注漿提供便利，在小導管尾部焊接鋼筋箍，直徑為6～8 mm。距小導管后端100 cm以內不設注漿孔，其余區域布設梅花形溢漿孔，間距為20 cm，直徑為8 mm。

注漿漿液及配合比須由現場對各土層進行注漿試驗確定，注漿壓力范圍為0.5～1.5 MPa，并根據土層變化作相應調整。注漿擴散半徑不小于0.5 m，注漿材料為水泥、水玻璃雙液漿，體積比為1∶1。為防止漿液外漏，必要時可在孔口處設置止漿塞。注漿結束后，必須對注漿效果進行檢查，并對注漿的薄弱部位，重新補充注漿。圖2為超前小導管布置示意圖。

圖2 超前小導管布置示意

3 淺埋暗挖隧道施工注漿效果分析

淺埋暗挖隧道施工極為復雜，在有限元分析中通常將開挖階段看作一個非連續的過程。采用有限元分析軟件進行數值模擬隧道注漿效果。隧道開挖期間，隧道上半部分采用超前小導管和深孔注漿結合加固做法，隧道下半部分采用深孔注漿加固。因此，數值模擬中也采用相同的注漿方案，在注漿結束且待圍巖穩定后，再模擬隧洞的開挖過程，并將注漿后的位移變形結果與未注漿的位移變形結果對比，合理分析注漿效果。

3.1 分析模型

本工程分析模型選取為實際工程的右線DK5+850～右線DK5+910段，暗挖長度為60 m。隧道開挖直徑取7 m，計算模型尺寸為60 m×20 m×30 m。土體選用8節點單元模擬，為降低計算耗時，網格為非均勻劃分，著重對開挖面周圍進行加密處理，以確保模型的精確性。襯砌與土體接觸采用面接觸。

邊界條件為:沿x軸方向約束x方向位移；沿z軸方向約束z方向位移；底邊為固定邊界。模型上表面施加50 kPa面荷載作用。有限元計算模型共生成1 918單元和2 680節點，其中沿垂直方向向上為y的正方向。

3.2 參數取值

采用摩爾-庫倫屈服準則判斷塑性變形產生，土體的彈性模量采用經驗值為2～5倍壓縮模量，本文取試驗土體壓縮模量的5倍[12]。詳細地層參數取值見表2。

表2 地層參數

3.3 計算結果

為研究隧道橫斷面地表沉降規律，選取隧道右DK5+850～右DK5+910某斷面為計算對象，計算兩種工況下相應斷面的地表沉降結果。

3.3.1 未注漿時豎向和水平位移

未注漿時隧道開挖位移云圖如圖3所示。

圖3 未注漿時位移云圖

對于未注漿情況下，隧道拱頂最大沉降量為22.59 mm。在隧道開挖完畢后，隧道拱底的最大隆起為40.00 mm，地表的沉降最大為17.35 mm。拱腰左側和右側基本一致，分別為21.07 mm、18.54 mm。

3.3.2 深孔注漿與小導管注漿后豎向和水平位移

深孔注漿與超前小導管注漿后隧道位移云圖如圖4所示。

圖4 注漿后位移云圖

對于已注漿情況下，隧道拱頂最大沉降量為16.65 mm。在隧道開挖完以后，隧道拱底的最大隆起量為14.24 mm。拱腰左右側基本對稱，左側最大位移和右側最大位移分別為10.18 mm、10.30 mm。

3.3.3 二種工況對比

由圖5可知，對于隧道開挖后，深孔注漿和超前小導管注漿結合的注漿方式能有效降低拱腰兩側和拱底及拱頂的變形量，因此，當隧道施工位于強度低、壓縮性高、受壓易變形的地層時，可采用二者結合的注漿方案，將大大降低隧道開挖產生的變形，增加淺埋暗挖隧道施工的安全性。

圖5 拱部位移

4 施工監測數據與計算結果討論

由于拱頂下沉值和水平收斂值是判斷圍巖穩定性的重要參考依據，選取GDC段的拱頂下沉值和JKJ段的水平收斂值與數值模擬結果對比。

由圖6可知，數值模擬的結果比現場監測的數據偏大，這可能是因為數值計算地層參數采用的經驗值，未針對實際工程地層開展試驗確定。數值模擬計算可以作為現場實測方法的有利補充，對隧道施工安全提供依據。

圖6 實測值與數值模擬對比

圖6a中的JKJ段的4號測點和圖6b中的GDC段的5號測點均為當前測段所有測點的最大位移值，其分別對應著第3章數值計算的拱腰和拱頂。其拱腰左右側位移影響范圍為1.934 m，拱底位移影響范圍為3.334 m，拱頂影響范圍一直延伸至地表。在隧道施工過程中，應當注重拱頂等位移變化最大的位置，對該區域增加注漿量或者后期進行二次注漿的方法進行再加固，保證隧道工程的安全進行。

5 結論

(1)計算分析與監測結果值較吻合，監測結果變形總量小于數值分析值，可通過模擬結果預測圍巖變形，能為工程提供可靠的依據。

(2)深孔注漿與超前小導管注漿結合的注漿方案是非常有效的淺埋暗挖施工的加固措施，注漿加固效果優秀，可在實際工程中采用。

(3)隧道施工過程中，拱腰兩側以及拱頂處的位移變化量最大，并且導致襯砌所對應的地表處位移也最大。增加風險區域的注漿量，并且嚴格監測其日后的沉降量是否超出規范，以確保施工的安全進行。