基于注漿加固技術的山嶺隧道沉降控制研究

摘要：以深圳某淺埋暗挖山嶺隧道為工程背景，為降低隧道施工對上部地層的擾動，提出一種結合常規注漿和劈裂注漿的二次注漿加固技術。通過室內試驗明確不同漿液配比下的材料性能差異，并構建相應的數據庫。基于數據庫，利用隨機森林模型構建材料性能預測模型，以便在實際施工時及時進行漿液配比的調整。采用鋼花管先進行常規注漿，達到初步加固土體的效果后施加壓力，利用劈裂注漿技術再次對土體進行加固，以達到進一步提高土體承載力的效果。通過在隧道拱頂布置沉降監測點，對監測數據進行分析，發現隧道拱頂沉降數值較小，表明本文提出的二次注漿加固技術可以有效加固隧道上方的土體，降低隧道坍塌的風險。

關鍵詞：山嶺隧道；土體沉降；性能預測；劈裂注漿；加固技術

0" "引言

隨著公路鐵路工程不斷發展，在施工過程中不可避免會穿越既有山嶺地區[1-2]。山嶺地區土體的地質特征復雜多變，包括不均勻性、水文條件、巖土層分布等[3]。在隧道開挖易造成周圍土體的應力釋放，可能會引起隧道坍塌[4-6]。因此在隧道開挖過程中，需要采取加固措施來保證隧道的穩定。

注漿是最常用的土體加固措施，其操作簡便、造價較低[7]。目前，普遍采用的方法是設置豎井灌漿的方式來加固隧道上方土體[8-10]。但這種方法雖然在一定程度上能夠解決隧道上方土體加固的問題，但也存在一些不足之處。比如：豎井灌漿需要耗費大量的人力和物力；豎井灌漿的效果并不穩定，有時候會出現灌漿不充分或漿液外滲情況，影響加固效果[11]。

劈裂注漿作為一種地基加固技術，其核心是在土體或巖石中通過施加高壓力注入漿液，以創造或拓寬裂隙，并在裂縫中填充漿料，以此提高土體的密實度、強度和承載能力[12-14]。考慮到工程環境的復雜性，實際施工時經常需要改變漿液的配比以確保不同的性能，因此需要補充更多的實驗確定漿液性能是否能滿足工程要求，這樣不但會增加工程費用，還會拖延現有的施工進度。

基于此，本文以深圳某暗挖隧道為工程背景，提出結合常規注漿和劈裂注漿的二次注漿加固技術和基于隨機森林方法的漿液性能預測技術。通過室內試驗明確不同漿液配比下的材料性能差異，并構建相應的數據庫。基于數據庫，利用隨機森林模型構建材料性能預測模型，以便實際施工時及時進行漿液配比的調整。在實際施工時，結合常規注漿和劈裂注漿技術，對地層進行加固。在實際注漿過程中，及時根據工程需要對漿液配比進行調整，待注漿完成，土體達到預定強度即可開始隧道開挖。

1" "工程概況

本文以深圳某暗挖隧道為工程背景，該工程起始里程K55+135.2～K59+300，路線長度4.165km。隧道埋深淺，頂部采用黏性土回填，洞口仰拱位置屬于強風化層，地基承載力較低，且隧道跨度大，出口K56+896～K56+950范圍采用鋼花管進行洞頂地表注漿加固，共計715根鋼花管。根據工程勘察報告，隧道周邊圍巖節理裂隙極發育，巖體破碎，且隧道入口段滑塌體分布較多，圍巖級別及穩定性影響較大。根據鉆孔結果，明挖隧址區地層巖性為坡殘積粉質黏土、沖洪積粉質黏土、侏羅系砂巖及其風化層；暗挖隧址區地層巖性為坡殘積粉質黏土、侏羅系砂巖及其風化層。

2" "室內試驗

本工程選取的實驗材料是硅酸鹽水泥，水灰比的比例為0.6：1、0.8：1、1：1、1.2：1、1.4：1和1.6：1。為提高水泥漿液的密實度和耐久性，在水泥漿液中加入不同波美度的水玻璃，分別為30°Bé、35°Bé、40°Bé和45°Bé。在實驗中主要研究漿液的流動性和強度（第28d）兩個指標。

2.1" "漿液流動度

漿液的流動度與波美度、水灰比的關系曲線如圖1所示。由圖1可以看出，當水灰比保持不變時，漿液的流動度隨著水玻璃波美度增大而降低。當水玻璃波美度一定時，漿液的流動度隨著水灰比的增大而提高。考慮到山嶺隧道地質的復雜性，需根據實際工程的需求不斷的調整漿液的配合比和波美度，以滿足工程流動度的需求。

2.2" "無側限抗壓強度

無側限抗壓強度與波美度、水灰比的關系如圖2所示。從圖2可以看出，當水灰比保持不變時，固結體的強度隨著水玻璃波美度增大而提高。當水玻璃波美度一定時，漿液的流動度隨著水灰比的增大而下降。

分析認為，由于波美度的提高有利于水泥的水化反應，提高了固結體的強度。而水灰比的增加，導致結石體的強度逐漸減小。因此在工程中，需要根據工程需求選擇合適的漿液配合比。

3" "基于隨機森林的漿液性能預測模型

3.1" "預測模型的作用

在工程施工中，由于地質、天氣等不確定性因素可能會導致漿液性能的需求發生變化。此時可能需要增加更多實驗來確定漿液的性能是否能滿足工程要求。這樣一方面會增加成本，另一方面室內試驗需要一定的周期，可能會耽誤工期。為此本節以第2小節的實驗數據作為數據集，通過隨機森林模型對其進行訓練學習，不斷調整模型參數，使其性能達到最優。這樣可在工程施工過程中，對不同配比下的漿液性能進行預測，有效避免重復實驗的問題。

3.2" "隨機森林模型計算流程及特點

隨機森林模型是一種集成學習方法[15]，通過構建多個決策樹并將預測結果進行平均來提高預測的準確性和穩定性。計算過程如圖3所示。

首先，從訓練集中有放回地隨機抽取多個子樣本集，并在每個子樣本集中隨機選擇部分特征。然后，基于這些子樣本集和特征構建多棵決策樹。每棵樹獨立地進行訓練，并可以完全生長。最終，通過對所有決策樹的預測結果取平均值來得到預測結果，提高模型的準確性和穩健性，減少過擬合。該模型的優點有4點：一是能夠處理數量較少的數據集且不易發生過擬合；二是能夠評估各特征的重要性；三是在分類和回歸任務中都表現良好；四是對數據分布假設要求較低。

3.3" "預測結果

預測結果與實際值對比如表1所示，從表1可以看出，無論是對流動度，還是強度的預測，預測值與實驗值都較接近，誤差較小，表明隨機森林模型可以有效的進行預測。

4" "注漿工藝

4.1" "注漿方式

為有效的增強和穩定周圍的巖土體，防止隧道塌陷，本工程采用常規注漿和劈裂注漿相結合的方式進行加固。加固斷面和平面圖如圖4和5所示。

4.2" "注漿設施

注漿設施包含注漿器械和注漿漿液，注漿器械包括攪拌機、預制的鋼花管、潛孔鉆機等。

4.3" "注漿施工

4.3.1" "土方回填

清除施工范圍內的樹木、垃圾和有機物殘渣，重新測量放樣回填區域坡腳線。進行土料種類和含水量的檢驗，嚴格控制土方填筑厚度并進行壓實作業。設置排水溝和集水井，逐段、逐片地分期完成回填土方工作及加鋪防滑材料等。

4.3.2" "鉆孔

使用潛孔鉆機進行鉆孔作業，按照設計要求進行孔間距為2m的梅花形布置。在鉆進過程中，必須遵循“一聽、二看、三記錄”的原則。

4.3.3" "鋼花管加工

鋼花管采用A89×5mm鋼管制作，長度由每個孔地表至隧道底部以下2m。管節之間采用外套管焊接。除鋼花管尾部0.5m不鉆注漿眼外，其余部分沿鋼管軸線每隔15cm，沿鋼管徑向每旋轉120°鉆8mm的注漿眼，注漿眼沿鋼管四周呈螺旋狀布置。

4.3.4" "注漿要點

4.3.4.1" "準備工作

連接管路系統，試壓并檢查泄漏，打開水壓泵膨脹灌漿塞。確保注水壓力大于2/3的灌漿壓力，加壓至預定壓力開始灌漿。結束時先放掉灌漿壓力，再放掉充氣壓力。灌漿結束，取出灌漿塞，沖洗水管。

4.3.4.2" "第一次常規注漿

鋼花管入孔安裝后，將膠囊式止漿塞放入鋼花管距孔底50cm處加壓止漿后，開始第一次注漿。漿液通過壓力脹開鋼花管外包裹的橡膠帶，從孔底自下而上反向壓漿，且持續到孔口溢出凈水泥漿。當流出的漿液為正常水泥漿液時，即停止注漿，取出膠囊式止漿塞。

4.3.4.3" "第二次劈裂注漿

與第一次注漿間隔12h后，進行第二次劈裂注漿。初始注漿壓力0.5～1.0MPa，注漿壓力應從小到大逐步增加。成孔注漿采用由外到內、跳躍式、隔孔分段注漿，自下而上注漿分段長度為1m。注漿終壓2MPa，并在此壓力下持續注漿10min。

4.3.4.4" "注漿效果檢查

注漿效果檢查分片分區進行，并記錄注漿壓力和注漿數量，來初步判定每個區域的注漿效果。

4.4" "質量控制措施

所用水泥、鋼管必須符合有關質量標準，施工過程中應抽樣檢查，不得使用受潮結塊的水泥。使用高速攪拌機漿液時，攪拌時間不小于3min。使用普通攪拌機攪拌時，攪拌時間應不少于5min。自制備用完的時間應少于2h。詳細記錄每孔注漿量，分次注漿時嚴格按照設計要求控制好前后兩次注漿總量。施工過程中，密切注意壓力、流量的變化。注漿過程中，嚴格控制注漿速率，避免因注漿擠土效應過大，對周圍邊坡及隧道口構筑物造成破壞。

5" "施工效果

注漿加固完成后，在隧道開挖過程中對拱頂的沉降進行了實時監測，監測點的布置于拱頂和兩側拱腰處，選取初始斷面處的三個監測點編號為測點1、2和3。

3個測點的沉降數值如圖6所示。從圖6可以看出，隨著隧道施工的展開，沉降數值先呈現出上下波動的趨勢，然后開始逐漸穩定。分析認為，剛開挖時，地層原始應力狀態發生改變，導致出現上下波動，后期隨著支護結構的不斷完善，沉降數值還是變得穩定。3個測點的沉降數值均不超過10mm，一方面得益于支護結構的不斷推進，另一方面也證明了隧道上部地表的注漿加固，有效提升了地層的承載能力，因此可以降低隧道開挖引起的沉降變形。

6" "結束語

本文以深圳某淺埋暗挖山嶺隧道為工程背景，為有效地提高地層的承載能力，降低隧道開挖引起的地層變形，提出一種由常規注漿和劈裂注漿構成的二次注漿加固技術。

首先通過室內試驗明確不同漿液配比下的材料性能差異，并構建相應的數據庫。其次基于數據庫，利用隨機森林模型構建材料性能預測模型，以便實際施工時及時進行漿液配比的調整。最后分別進行兩次注漿，第一次為常規注漿，第二次為劈裂注漿，從而優化加固效果。相較于傳統方法，二次注漿方法加固效果好，簡單方便，可操作性強，適合在各種條件下進行施工，具有廣泛的應用前景。

通過對現場隧道拱頂沉降的監測數據進行分析發現，經過二次注漿技術加固后，各測點的沉降變形數值均不超過10mm，小于規范要求，表明二次注漿加固技術可有效增強隧道上方土體的結構強度，保證隧道施工的安全，防止隧道塌方。

參考文獻

[1] 何應媛.水玻璃注漿液加固隧道低穩土體應用與分析[J].西部交通科技，2019（10）：114-117.

[2] 付順義，陳龍飛，王哲.大斷面淺埋隧道穿越軟弱土層加固方法研究[J].浙江建筑，2017，34（2）：39-42.

[3] 汪東林.注漿加固技術在淺埋暗挖隧道中的應用[J].安徽建筑工業學院學報（自然科學版），2010，18（6）：5-7.

[4] Peck， R.B.， 1969. Deep excavations and tunneling in"soft ground // Proceedings of 7th International Conferenceof Soil Mechanics and Foundation Engineering. Mexico"City. pp. 225-290.

[5] YIN M L， JIANG H， JIANG Y S， et al. Effect of the excavation"clearance of an under-crossing shield tunnel on existing"shield tunnels[Jl. Tunnelling and Underground Space"technology， 2018，78：245-258.

[6] 隋金廷.大斷面黃土隧道淺埋暗挖法施工力學特性研究[J].工程機械與維修，2024（1）：114-116.

[7] 洪僑亨，賀雄飛，張明朗，等.固廢基盾構惰性同步注漿材料力學性能及抗水分散性研究[J].硅酸鹽通報，2024，43（2）：617-626.

[8] 李國華，劉協，彭會椿.雙爬升錐多點懸吊技術在深豎井灌漿中的應用[J].人民長江，2018，49（14）：84-88.

[9] 楊小華.豎井固結灌漿超前鉆孔預埋灌漿管、灌漿與混凝土澆筑同步進行施工技術的運用[J].中華民居（下旬刊），2014（3）：303.

[10] 路國娟.豎井帷幕灌漿現場生產工藝試驗方法[J].黑龍江水利科技，2021，49（9）：99-100.

[11] 冀云鵬，胡瑤紅，劉警鴻，等.自平衡高壓注漿與普通注漿土釘墻穩定性對比分析[J].低溫建筑技術，2017，39（11）：119-122.

[12] 竇金熙，張貴金，蔣煌斌，等.考慮滲濾效應的全風化花崗巖體脈動注漿擴散規律[J].工程地質學報，2023，31（6）：2060-2070.

[13] 王鈺鑫，呂思忠，姚望，等.粉質黏土地層樁側劈裂注漿參數設計與效果評價[J].山東大學學報（工學版），2023，53（6）：70-81.

[14] 柳昭星，張旗.奧陶系灰巖頂部劈裂注漿裂隙起裂機制PFC數值分析[J].煤田地質與勘探，2023，51（10）：72-85.

[15] 白曉平，劉雨杭.基于K-means退化識別和隨機森林的滾動軸承壽命分析[J].組合機床與自動化加工技術，2024，（7）：150-155+160.