高水位小凈距暗挖隧道注漿加固及快速施工關鍵技術*

寧 波

(中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司,陜西 西安 710032)

0 引言

隨著國民經濟的快速發展和城市化進程的不斷推進,城區可利用的土地資源日益匱乏,為緩解居民出行與城市用地間的矛盾,地下空間工程近年來發展迅速,尤其是地鐵隧道的建設極大地方便了居民出行。隨著地鐵隧道的不斷建設,受場地條件、周邊環境控制要求和不良地質等影響,隧道工程建設的難度日益增加,為減小隧道工程施工對周圍環境的擾動,諸多學者開展了深入研究。

高利琴等[1]以北京地區新建小凈距暗挖區間工程為背景,建立有限元模型對隧道施工過程進行了分析,總結了小凈距暗挖隧道施工對既有高速鐵路路基的擾動規律,為類似工程的變形控制提供了參考。曹賀凱等[2]以香山軟弱破碎帶小凈距隧道為研究對象,結合現場監測數據得到了先、后行隧洞之間相互影響的工序控制要點。彭云涌等[3]以贛州蓉江過江隧道為研究背景,通過現場及室內試驗確定了注漿對土體強度參數的影響,同時采用有限差分軟件分析了小凈距隧道開挖引起的地表沉降及支護變形規律,可為設計和施工提供參考。閆振虎等[4]以四川德陽白竹山1號隧道為研究背景,基于普氏平衡拱理論,提出了小凈距隧道中夾巖柱上覆圍巖壓力計算公式,研究了小凈距隧道上覆圍巖壓力的影響因素。李小剛等[5]依托廈門海滄疏港通道工程項目,通過爆破振動測試與聲波測試對中夾巖體的爆破振動速度及圍巖聲波速度進行監測與分析,得到了循環爆破作用下中夾巖振動傳播與損傷演化規律,確保了大跨分岔隧道高效施工。

上述研究成果為本文的研究提供了較好的研究思路,但對于黃土地層,尤其是高水位飽和軟黃土地層的隧道工程研究較少,且上述研究較少涉及小凈距隧道建設的相互影響?；诖?本文以西安某典型高水位小凈距隧道施工為研究背景,從隧道注漿參數選取、隧道開挖工序優化等方面對高水位小凈距暗挖隧道注漿加固及快速施工關鍵技術進行針對性研究,以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 設計概況

西安某地鐵隧道采用“CRD+臺階法”進行暗挖隧道施工,暗挖段線路長170m,線路縱坡1.1%,內軌頂埋深25.3～30.6m。暗挖段隧道緊鄰城市人工湖,地下水豐富且水位較高,同時暗挖段左右線凈距較小(最小凈距僅3.8m)。暗挖段隧道開挖斷面采用9.10m×9.32m盾構空推斷面,暗挖隧道初期支護厚350mm,二襯厚450mm,初期支護由噴射混凝土、鋼筋網、鋼格柵拱架、注漿小導管等支護型式組合而成,初支采用φ6.0@130×130 全斷面鋼筋網雙層布置,鋼格柵內、外各一層。

暗挖段距城市中心湖最近約23.85m,最近點位于暗挖段南端頭,屬西安市飽和軟黃土發育的核心區,全區間均分布著厚度不等的飽和軟黃土。暗挖段地下水屬潛水類型,穩定水位埋深2m左右,該段區間隧道斷面均在穩定水位以下,地下水主要由湖水地下徑流及大氣降水等地表水滲入補給。

1.2 工程地質條件

根據地質勘查報告可知,暗挖隧道全斷面穿越粉質黏土層與老黃土層,拱頂位于粉質黏土層及老黃土層中,由于靠近城市人工湖,其飽和度較高。具體工程地質條件如表1所示。

表1 隧道沿線土體物理力學性質Table 1 Physical and mechanical properties of soil along the tunnel

1.3 工程重難點

1)根據勘察報告可知,暗挖隧道緊鄰城市人工湖,潛水位較高,穩定水位為2m,暗挖施工時易形成涌水、塌方等工程風險。

2)暗挖段左右線路凈距僅為3.8m,隧道開挖面土體穩定性差,需進行注漿加固,采用WSS全斷面注漿加固法易引起上部圍巖隆起、先行隧道側移變形、先行洞二次襯砌結構破壞等工程問題,因此如何控制注漿量、注漿壓力以減小注漿對環境的擾動成為一大難題。

3)傳統WSS全斷面注漿加固工序復雜、節奏緩慢,嚴重影響暗挖隧道施工效率,為減小施工給周圍居民帶來的影響,在保證施工質量的前提下,對工藝進行優化,減小施工周期對周邊環境的影響至關重要。

2 小凈距隧道注漿設計與施工

2.1 施工方案設計

WSS注漿可將土顆粒間的水分擠壓排出,使漿液填充土體孔隙,待漿液固結后土體滲透性降低,同時土體強度增大,達到改良土體的目的,當前WSS注漿已成為軟土隧道土體加固的一種有效手段[6]。針對本工程水位高、飽和軟黃土流塑性強、先后行隧道凈距小的地質特點,同時結合室內外試驗及工程經驗選定WSS方法進行全斷面注漿,實現對隧道拱圈和掌子面開挖土體的改良。

2.2 注漿孔布設

WSS注漿前,按照設計布設注漿孔,并標記其位置,鉆孔施工時注漿先上后下、先外后內,采用后退式方式進行注漿,并通過現場試驗及監測數據不斷對注漿參數進行調整優化。

2.2.1注漿孔間距

WSS注漿加固范圍為隧道初支輪廓線外2m,注漿孔直徑為42mm,先行隧道注漿孔環向及徑向間距為1.0～1.5m。為減小后行隧道施工對先行隧道的影響,通過現場試驗及監測數據,最終確定后行隧道注漿孔環向及徑向間距加密至0.8m可實現良好的注漿止水效果。WSS注漿設計如圖1所示。

圖1 WSS注漿設計Fig.1 WSS grouting design

2.2.2注漿孔入射角

隧道注漿會引起周圍土體的擠壓變形,先行隧道注漿階段采用大角度入射至隧道間巖體,對隧道間地層進行全覆蓋預加固;后行隧道注漿則采用相對垂直角度入射,僅需對隧道延線上的土體進行止水加固處理,注漿孔入射角設計如圖2所示。

圖2 注漿孔入射角設計Fig.2 Design of injection hole incidence angle

2.2.3注漿壓力

先行隧道注漿壓力設計為1.0～2.0MPa;若后行隧道注漿壓力過大,極易引起隧道間土體位移、擠壓先行隧道初期支護,且先、后行隧道凈距較小,為減小后行隧道施工的影響,根據現場注漿試驗,確定后行隧道注漿壓力取0.6～1.2MPa適宜。

飽和軟黃土具有強度低、承載力差、抗變形能力弱等不良工程特性[7]。為保證暗挖隧道施工安全,同時減小隧道開挖對周邊環境的影響,準確分析隧道開挖引起的地表變形規律具有重要意義。

根據地質條件和施工參數建立數值分析模型。土體物理力學性質參考文獻[8],支護結構施工參數如表2所示。

表2 支護結構施工參數Table 2 Construction parameters of support structure

數值模型xy平面尺寸設計為100m×50m,掘進方向z向厚度取40m,模型邊界x向和y向為法向約束,z向設計為固定約束,土體模型采用M-C模型,采用六面體網格單元對結構進行劃分。網格模型如圖3所示。

圖3 隧道開挖三維網格模型Fig.3 3D mesh model of tunnel excavation

暗挖隧道凈空收斂現場監測數據和數值模擬結果如圖4所示。

圖4 現場監測數據與數值模擬結果Fig.4 Field monitoring data and numerical simulation results

由圖4可知,數值模擬結果與現場監測數據趨勢基本一致。差異原因主要是土體假設為水平勻質地層,沒有考慮水滲流對變形的影響,可認為數值模擬參數取值較合理;隧道累積凈空收斂持續增大,在隧道開挖12d階段內,隧道變形明顯,累積最大隧道變形達6mm左右,12d后,隧道變形速率逐漸變緩。因此在隧道開挖初期,需加強對隧道變形的監測,及時施作隧道初襯,確保隧道變形滿足規范要求[9]。

為了進一步分析隧道注漿壓力對隧道變形的影響,在上述數值模擬分析的基礎上,設置0.8,1.2,1.5MPa 3種工況,得到注漿壓力對隧道變形的影響曲線如圖5所示。

圖5 注漿壓力對隧道變形的影響曲線Fig.5 Impact curve of grouting pressure on tunnel deformation

由圖5可知,隨著注漿壓力的不斷增大,隧道拱頂收斂增大,這主要是因為隨著注漿壓力的增大,隧道對周圍土體的作用增大,后期隨著注漿壓力的卸載,土體回彈擠壓隧道逐漸收斂使隧道變形增大。因此施工時需根據監測數據動態調整注漿壓力的大小,防止后期隧道變形增大引起施工風險。

隨著暗挖施工的開展,在土層中彌散、滲流的WSS漿液暴露在開挖面,如圖6所示。由圖6可知,WSS漿液分布均勻且全面,上述注漿參數設置合理,結合數值模擬隧道變形結果可知,WSS全斷面注漿加固工藝可滿足高水位暗挖隧道變形控制要求。

圖6 WSS注漿土層分布Fig.6 Distribution of WSS grouting soil layer

3 工序轉換優化

本工程小凈距淺埋暗挖隧道斷面均采用“CRD+臺階法”開挖,各導洞按臺階法開挖土方,待整個掌子面開挖至止漿墻后封閉掌子面,掌子面封堵采用I20,橫向間距1.0m,掛雙層φ8鋼筋網,工字鋼采用φ22連接筋連接,間距1.0m,同時噴射30cm厚C25混凝土封閉。考慮圍巖變形量控制的要求,開挖輪廓外放7.5cm,同時結合監測數據進行動態調整。采用WSS注漿對地層進行止水加固時,注漿沿隧道掘進方向20～25m為一個循環,但采用WSS全斷面注漿法與“CRD法+臺階法”聯合施工時,注漿完成12h且漿液凝固后才能進行掌子面拆除及土方開挖,施工速度緩慢。為達到快速開挖施工的目的,進行隧道開挖及WSS注漿2個工序轉換,放大Ⅰ,Ⅱ導洞與Ⅲ,Ⅳ導洞間步距,保證注漿和開挖互不干擾,提高工效,CRD法開挖支護及WSS注漿工序轉換如圖7所示。

圖7 工序轉化示意Fig.7 Transformation process

具體的實施工序如圖8所示。

1)工序1 施工超前小導管并注漿,采用臺階法開挖導洞Ⅰ,施作初支。人工開挖后,噴混凝土并及時封閉掌子面,施工完畢及時施作初期支護和臨時支護,初噴混凝土,安裝鋼筋網片,架立格柵鋼架,打設鎖腳錨管,復噴混凝土,嚴格控制開挖進尺及臺階長度(各導洞均采用上、下臺階法施工,單次進尺0.5m),導洞開挖前應在掌子面打設水平孔,探測前方土體加固情況,孔深3～5m。

2)工序2 縮短導洞Ⅱ,Ⅰ間的步距,導洞Ⅱ開挖滯后導洞Ⅰ3.0m,施工步驟與導洞Ⅰ相同。

3)工序3 導洞Ⅰ,Ⅱ到達止漿墻后一起進行WSS注漿,同時在放大Ⅱ,Ⅲ導洞間步距至8.0m的前提下同步開展導洞Ⅲ,Ⅳ的開挖,施工步驟同工序1,2。

4)工序4 導洞Ⅲ,Ⅳ開挖至止漿墻進行WSS注漿,同時導洞Ⅰ,Ⅱ注漿凝固已達到要求,可正常開始開挖進尺,施工步驟同工序1,2。

計算導洞Ⅲ,Ⅳ的開挖工效,實際開挖工效為1m/工班,導洞Ⅲ上臺階需5d開挖至止漿墻位置,下臺階將增加1～2d;Ⅳ導洞縮短步距需延長1d,因此Ⅲ導洞開挖至第2階段注漿位置共需8d。每個導洞注漿需4d,因此待導洞Ⅲ,Ⅳ開挖至止漿墻位置時,導洞Ⅰ,Ⅱ可注漿完成,從而能及時、有效地銜接后續工序。對比4個斷面同時注漿的施工方法,可更加快速地完成循環施工,同時結合注漿工藝參數的試驗調整,既能保證土體的加固和止水效果,又能將下一階段注漿對臨近導洞的擾動降到最低。

4 臨時仰拱格柵鋼架改為型鋼架

傳統CRD隧道施工采用格柵拱架進行初期支護,現場注漿開挖試驗階段,格柵間距設計為0.5m,在進洞處采用4榀格柵鋼架并聯密排布置,在洞外加工成型,洞內安裝,格柵鋼架間設置縱向連接筋,環向間距為1m,每側拱腳均設2根鎖腳錨管,鎖腳錨管采用φ42鋼管,L=1.5m,每環設18根鎖腳錨管。小凈距隧道采用WSS全斷面注漿可能造成先行隧道側移變形、先行洞二次襯砌結構破壞等問題,因此需提高先行隧道初期支護結構的剛度。對于隧道凈距大于5.0m的先行隧道,可適當加大格柵鋼架的間距;對于隧道凈距小于5.0m的先行隧道,將格柵鋼架替換為型鋼架,可有效抵抗注漿對隧道支護結構變形的影響。

5 結語

1)采用WSS注漿可有效保持暗挖隧道掌子面的穩定性,對于高水位、小凈距隧道先行隧道注漿孔凈距設計為1.0～1.5m,注漿壓力為1.0～2.0MPa,后行隧道加密至0.8m,隧道變形隨著注漿壓力的不斷增大而增大,根據目前的監測數據可知,注漿壓力為0.6～1.2MPa可保持隧道穩定,同時可減小后行隧道施工對先行隧道的影響。

2)根據地質狀況,在保證開挖面穩定性的前提下,調整CRD隧道開挖導洞Ⅰ,Ⅱ與導洞Ⅲ,Ⅳ間的步距可確保注漿和開挖互不干擾,提高施工工效。

3)對于隧道凈距小于5m的先行隧道,將傳統的臨時格柵拱架改為型鋼架可提高先行隧道初期支護結構的剛度,有效抵抗注漿對隧道支護結構變形的影響。