西安飽和軟黃土隧道變形控制及其適用性*

康 佐 魏 琪

(西安市軌道交通集團有限公司, 710018, 西安∥第一作者, 正高級工程師)

西安地區有大量的飽和軟黃土,其屬于軟弱地層,具有承載力差、壓縮性強和工程性質較差等特點。在隧道開挖過程中,受飽和軟黃土的影響,隧道拱部極易發生坍塌、冒頂等事故,且其地層變形量難以控制。飽和軟黃土的含水率相對較高,其在降水和施工擾動后極易發生土體破壞,以降水井為中心產生地面變形,進而導致相鄰建(構)筑物和管線發生沉降。針對上述問題,學者們開展了大量研究。文獻[1]對西安飽和軟黃土的形成原因進行了研究分析。文獻[2]針對西安飽和軟黃土特性,提出了采取開放式降水、帷幕內降水和洞內注漿止水措施等綜合控制措施。文獻[3]提出了一種飽和軟黃土地層地面沉降預測方法。文獻[4]研究了針對飽和軟黃土的施工方法。由此可見,研究飽和軟黃土地層內,由隧道施工引起的地面變形規律及其控制方法具有重要的現實意義。

本文基于飽和軟黃土地層的物理力學性質,以西安地鐵4號線暗挖隧道為例,對西安飽和軟黃土的止水與降水措施進行了數值模擬研究,并結合現場實測數據,對所采取的兩種控制措施的控制效果進行了對比分析。本文研究可為后續工程施工及相似案例提供借鑒。

1 工程概況

西安地鐵4號線區間斜下穿西安火車站站場咽喉區及F3地裂縫,車站設在西安火車站站場下方,與西安火車站站場斜交約53°。站場內設有隴海正線2條,客車到發線6臺11線。本段地層從上至下依次為素填土、飽和軟黃土、新黃土、古土壤、粉質黏土、粉土和粉細砂層。飽和軟黃土埋深為9.5 m,土層厚度為4.5 m,含水率為30.4%,壓縮系數為0.53 MPa-1,場地范圍內的地下水位較高,水位位于地面以下5.3～6.2 m處。地鐵車站隧道斷面尺寸為11.7 m×10.1 m,穿越F3地裂縫段隧道斷面尺寸為9.00 m×9.22 m,隧道施工均采用CRD(中隔墻加臺階)法。為了控制飽和軟黃土對隧道施工的影響,在西安火車站站場下、開挖輪廓線外2 m區域內,采用WSS(無收縮雙液)注漿止水措施,對該段土層進行4次循環注漿止水加固,注漿壓力為0.8～1.2 MPa。在穿越F3地裂縫隧道的上方采用井點降水,將施工期間的水位降至隧道底板下1.0 m處。

2 數值模擬

2.1 建立模型

采用Midas GTS NX巖土工程分析軟件建立隧道數值模型,如圖1所示。隧道數值模型的主要參數如表1所示。假設:① 采用彈塑性模型;② 巖體是各向同性的;③ 模型計算考慮3個土層;④ 隧道的受力和變形是平面應變問題;⑤ 初始應力場僅考慮自重應力;⑥ 上邊界及左右邊界為應力邊界,底邊界約束垂直、水平方向位移;⑦ 模型兩側邊界施加x方向約束,模型下邊界施加y方向約束。模型中的施工流程主要為:① 左、右線左側上臺階開挖;② 左、右線左側下臺階開挖;③ 左、右線右側上臺階開挖;④ 左、右線右側下臺階開挖。

表1 隧道數值模型主要參數

a) 隧道地層分析斷面

為減小邊界約束條件對計算結果的影響,設有限元計算模型地層范圍為:水平方向各取隧道3倍洞徑,縱向取隧道仰拱底部40 m范圍,隧道模型上方取實際埋深,左右兩洞間距為38.6 m。采用隧道與地層共同作用模型模擬分析隧道結構的受力。初期支護用梁單元模擬,二次襯砌和圍巖均用二維平面單元模擬。隧道開挖初期、支護施作時,圍巖應力釋放40%;施作二次襯砌時,圍巖應力釋放60%。

2.2 模型結果分析

選取YCK19+215斷面(寬度為11.7 m)為分析斷面(見圖1 a)),x方向取132 m,y方向取50 m。模型兩側施加x方向位移約束,模型底部限制水平和豎直方向位移。施作二次襯砌后的左右線隧道圍巖位移云圖軟件截圖如圖2所示。當采用止水措施后,左線隧道圍巖均有向隧道收斂的趨勢,并產生了一定的位移。當施作二次襯砌后,圍巖變形基本穩定,水平、豎向位移以隧道中心對稱變化。隧道變形以豎向位移為主,左線隧道拱頂處的最大沉降值為5.9 mm,拱底處的最大隆起值為6.1 mm。當右線隧道二次襯砌完成后,隧道拱頂處的最大沉降值為6.3 mm,拱底處的最大隆起值為6.8 mm,最大水平位移為1.8 mm,且極值均出現在左線隧道。導致這種現象的原因主要為:左線隧道上方地層的穩定性比右線隧道差;在施工過程中,左線隧道圍巖受到二次擾動,進一步加劇了其變形。在采用止水措施后,圍巖的變形均在允許范圍內,說明隧道的開挖施工能安全進行。

a) 左線隧道水平位移

3 現場監測分析

3.1 現場試驗

根據土體監測結果(見表2)可知,全斷面注漿加固后,土體的無側限抗壓強度最大可提升至3倍以上,土體滲透系數也控制在10-6cm/s以下,進一步降低了土體的含水率,土體各項指標均能夠滿足設計要求。加固前后的土體含水率對比如表3所示。由表3可知,土體注漿加固后的含水率最多減少了約16%。因此,采用WSS注漿不僅能夠加固土體,還可以顯著降低飽和軟黃土的含水率。

表2 土體監測結果

表3 加固前后土體含水率對比

3.2 現場監測結果

3.2.1 注漿過程監測

本次注漿共分為4個循環,取第3次循環作為典型循環進行分析。通過調整注漿工藝、漿液配比及注漿孔位置等參數對掌子面進行注漿施工。注漿結束后,掌子面注漿效果較好(見圖3),漿脈明顯,地層較為干燥,圍巖獲得了較好的加固。在注漿過程中,對地面豎向變形進行了監測,注漿日期與注漿參數對照表如表4所示,監測結果如圖4所示。在CRD法施工過程中,上半斷面注漿壓力控制為0.8～1.0 MPa,下半斷面注漿壓力控制為1.0～1.2 MPa,地面豎向變形值為±1.0 mm,滿足設計要求。經統計分析,WSS注漿壓力與漿液擴散半徑之間的關系為:① 當注漿壓力為0.8～1.2 MPa時,擴散半徑為1.5～2.0 m;② 當注漿壓力為1.2～2.0 MPa時,擴散半徑為2.0～3.0 m。

表4 注漿日期與注漿參數對照表

圖3 掌子面注漿效果

注:圖例中的數字為監測點編號。

3.2.2 橫斷面監測結果

將YCK19+215斷面地面沉降實測值與數值模擬結果進行對比,如圖5所示。由圖5可知:① 施工結束后,地面沉降沿隧道軸線呈V字型分布,隧道中心處的地面沉降量最大,沉降值與距隧道中心距離呈反比,地面沉降槽的橫向影響寬度約為20 m。② 典型斷面處的地面沉降實測數據和數值模擬數據在分布形態上有所差異。在距隧道中心線10 m內的實測結果與數值模擬相差不大,驗證了模擬結果的準確性;距隧道中心線10 m外二者的結果存在一定差異,其原因是實際施工過程中,飽和軟黃土地層的變形機理更為復雜,對土層擾動較大。

圖5 YCK19+215斷面地面沉降實測值與數值模擬 結果對比

3.2.3 縱向斷面監測結果

統計分析該區段30 d內、距離隧道洞口5 m處的地面及隧道拱頂沉降監測點數據,如圖6所示。由圖6可知:① 當飽和軟黃土采取WSS注漿止水措施后,西安火車站站一期暗挖隧道地面累計沉降值為10.5 mm,其最大變形速率為1.3 mm/d;隧道拱頂累計沉降值為3.3 mm,其最大變形速率為0.4 mm/d。② 當采取降水措施后,地面累計沉降值達到了30.0 mm,其最大變形速率為3.8 mm/d;隧道拱頂的累計沉降值為6.6 mm,其最大變形速率為0.9 mm/d。相對于降水工藝,采用WSS全斷面注漿工藝后,地面沉降量減少了65%,拱頂沉降量減少了50%。③ 西安火車站站一期暗挖隧道地面及拱頂沉降量小于F3地裂縫地面及拱頂沉降量,故采取WSS注漿止水加固措施對地層變形的控制效果要優于采取降水措施的地層變形控制效果。

a) 距離隧道洞口5 m處

3.2.4 不同施工方法的監測結果對比分析

文獻[1]和文獻[5]的工程研究背景與本項目類似,且其隧道支護條件等因素也類似,故選取其臺階法和盾構法開挖的地面沉降實測數據與本文的YCK19+215典型斷面監測數據進行對比分析,如圖7所示。由圖7可知:采用臺階法施工時,地面中心點沉降值最大,為41.07 mm;采用CRD法施工時,地面中心點沉降值次之,最大沉降值為30.20 mm;采用盾構法施工時,地面中心點沉降值最小,僅為20.10 mm。分析其原因主要為:隧道施工改變了土層的應力狀態,導致土體發生次生固結,此時飽和軟黃土的高壓縮性被充分體現出來,盾構法施工速度較快,故對飽和軟黃土地層的擾動相對較小。此外,在臺階法和CRD法施工前均進行了降水措施,導致地面發生了較大的沉降,而在盾構法施工過程中并不需要采用降水措施,這也是臺階法和CRD法施工時的地面沉降最終值均大于盾構法的主要原因。

圖7 不同施工方法的地面沉降實測數據對比

4 結語

針對西安地區飽和軟黃土特殊的物理力學性質,本文以西安地鐵4號線穿越飽和軟黃土工程為例,通過數值模擬和現場試驗對止水和降水措施的控制效果進行了研究,主要獲得以下結論:

1) 解決飽和軟黃土工程危害的關鍵是對水的治理,降水和止水措施作為目前控制飽和軟黃土暗挖隧道圍巖變形的重要手段,均可有效降低土體含水率。在隧道開挖過程中:當采用降水措施時,地面和建筑物的沉降總量大、但差異沉降小,沉降曲線呈臺階式分步發展;當采用止水措施時,起到了止水和加固圍巖的雙重作用,地面和建筑物的沉降總量小,呈平緩遞增趨勢發展。

2) 在飽和軟黃土的影響下,隧道變形以豎向位移為主,隧道拱頂處的最大沉降值為6.3 mm,拱底處的最大隆起值為6.8 mm,最大水平位移為1.8 mm,且均出現在左線隧道。通過對比不同施工方法引起的地面沉降量可知:采用臺階法施工時,地面中心點沉降量最大,為41.07 mm;采用CRD法施工時,地面中心點沉降值次之,為30.20 mm;而盾構法施工時最小,最大沉降值僅為20.10 mm。這表明在飽和軟黃土地層進行隧道施工時,采用盾構法所造成的擾動相對較小,應優先考慮此施工方法。

3) 現場監測結果表明,采用WSS全斷面注漿工藝后,開挖輪廓外2 m范圍內,土體加固后強度達到了1.2 MPa,開挖范圍內的土體加固強度達到了0.6 MPa,滲透系數不大于1.0×10-6cm/s,加固土體均滿足設計要求。與降水措施相比,采用WSS全斷面注漿工藝后的地面沉降量減少了65%,拱頂處的沉降量減少了50%。