閆茂旺

山東高速建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)城市地鐵建設(shè)發(fā)展較快，在成本、交通通行保障及工期允許的條件下最大限度降低工程施工對(duì)周邊環(huán)境的影響成為越來(lái)越重要的課題，而在地質(zhì)條件較差的區(qū)域，尤其在地鐵區(qū)間隧道穿越砂土地層時(shí)，超前注漿成為必要的選擇，國(guó)內(nèi)外諸多專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)此逐步形成Maag 理論、柱形擴(kuò)散理論、球形擴(kuò)散Raffle 理論、袖套管法理論、劉嘉才單平板裂隙注漿滲透模型、Wallner公式、Baker公式、G. Lombad公式等[1-5]。黃紅元等[6]建立柱形以及球形兩種滲透性的注漿擴(kuò)散公式，并應(yīng)用于工程實(shí)際。陳鐵林等[7]針對(duì)砂土地層隧道進(jìn)行注漿試驗(yàn)，分析研究注漿數(shù)量、速度、壓力、擴(kuò)散半徑等參數(shù)，為工程的設(shè)計(jì)、施工提供指導(dǎo)。許成順[8]研究飽和砂土的剪切特性及本構(gòu)模型?；矢γ鞯萚9]分析臺(tái)階、核心土長(zhǎng)度對(duì)隧道變形及穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為核心土的正確留設(shè)可顯著改善隧道工作臺(tái)面的穩(wěn)定性，減小地層的水平位移。

本文針對(duì)青島地鐵淺埋暗挖段河西-河?xùn)|區(qū)間砂土地層的特殊地質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)超前注漿處理砂土地層的試驗(yàn)，采用FLAC 3D模擬計(jì)算超前注漿以及預(yù)留核心土對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，研究成果可為類(lèi)似工程開(kāi)挖施工技術(shù)提供一定參考。

1 工程概況

本工程中河西站-河?xùn)|站區(qū)間(K16+149.875—K17+24.969)以隧道形式穿越砂土地層，隧道結(jié)構(gòu)為單洞單線馬蹄形，兩洞間距12 m，埋深10 m。隧道主體位于砂土地層之中，地下水位線以下滲透性強(qiáng)，工程性質(zhì)極差，根據(jù)地質(zhì)勘察資料，該區(qū)段第四系厚度為10.1～17.9 m，主要由洪沖積層、全新統(tǒng)人工填土以及上更新統(tǒng)洪沖積層等3部分組成。隧道頂板穿越粉質(zhì)黏土及砂土層，底板穿越粗砂-礫砂層，圍巖穩(wěn)定性差。

該區(qū)間段地下水主要賦存在第四系松散土層及基巖的裂隙中，屬松散層孔隙潛水，具有弱承壓性；裂隙水主要存在于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖層的節(jié)理、裂隙發(fā)育部分，透水性強(qiáng)。根據(jù)該區(qū)段的圍巖條件和以往工程經(jīng)驗(yàn)可判斷，隧道穿越砂土地層時(shí)產(chǎn)生較大的地表沉降，若控制不當(dāng)，容易發(fā)生涌砂、坍塌等工程事故。

2 隧道穿越砂土地層區(qū)仿真模擬分析

快速拉格朗日差分分析源于流體力學(xué)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地下工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等領(lǐng)域，與采用降階積分的有限元方法相比，此方法采用混合離散元方法模擬材料的屈服或塑性流動(dòng)更為合理；采用動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程求解，可對(duì)失穩(wěn)等動(dòng)態(tài)問(wèn)題進(jìn)行模擬計(jì)算；采用顯式方法求解，可方便地求得應(yīng)力增量及平衡力[10]。

2.1 計(jì)算工況

表1 工況劃分

地鐵區(qū)間隧道斷面(6 m×6 m)較小，中壁(center diaphragm，CD)法與交叉中壁(cross diaphragm，CRD)法在控制變形方面有較大優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際工作面較小，這兩種方法在地鐵區(qū)間隧道施工中并不實(shí)用?，F(xiàn)場(chǎng)施工開(kāi)挖采用臺(tái)階法，是否預(yù)留核心土成為研究重點(diǎn)。在砂土地層條件下，為降低隧道開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響，保證隧道主體結(jié)構(gòu)安全，通常采用超前注漿加固[11]。為研究注漿與預(yù)留核心土開(kāi)挖對(duì)穩(wěn)定性的影響，本文分別計(jì)算6個(gè)工況誘發(fā)的位移，工況劃分情況如表1所示。

2.2 模型建立

采用FLAC 3D數(shù)值計(jì)算軟件，模型橫向取50 m，豎向取20 m，隧道走向取30 m，劃分為103 760個(gè)單元，計(jì)算模型分為砂土，回填土，中風(fēng)化花崗巖，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，上、下臺(tái)階，注漿加固區(qū)，核心土以及上、下臺(tái)階襯砌等10個(gè)部分。

計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 隧道穿越砂土地層區(qū)計(jì)算模型

對(duì)模型的左右兩邊施加x方向的水平約束，在模型的前后兩邊施加y方向的約束，在底部施加豎向約束，在豎向施加自重應(yīng)力。單次開(kāi)挖進(jìn)尺2 m，開(kāi)挖前對(duì)注漿部分參數(shù)賦值，開(kāi)挖后對(duì)相關(guān)部位襯砌參數(shù)賦值，計(jì)算不同工況下的位移。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及地質(zhì)勘察資料，對(duì)各巖土力學(xué)參數(shù)賦值，如表2所示。

表2 隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.3 各工況計(jì)算結(jié)果

圖2為各工況的豎向位移云圖(圖中單位為mm)，工況1～6的最大位移分別為12.86、215.25、176.19、9.24、143.02、86.90 mm。

圖2 各工況豎向位移云圖

圖2表明，無(wú)論是否注漿加固，預(yù)留核心土均能較大程度地降低隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。若開(kāi)挖前不注漿，上下臺(tái)階預(yù)留核心土工況較上下臺(tái)階工況最大豎向位移降低18.15%；開(kāi)挖前若進(jìn)行注漿加固，上下臺(tái)階預(yù)留核心土工況的最大豎向位移較上下臺(tái)階不預(yù)留核心土工況降低39.24%。無(wú)論是否預(yù)留核心土，在開(kāi)挖前注漿均可較大程度地降低隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。上下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，注漿工況的最大豎向位移較不注漿工況降低33.56%；而上下臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖時(shí)，注漿工況的最大豎向位移較不注漿工況降低50.69%。

預(yù)留核心土及超前注漿加固均可有效降低隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖的影響，特別是地鐵隧道位于鬧市區(qū)，必須盡量降低隧道開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。開(kāi)挖前應(yīng)超前注漿加固，同時(shí)選擇上下臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖。對(duì)圍巖條件較差地區(qū)，下臺(tái)階開(kāi)挖前，上臺(tái)階襯砌作用于原巖上，支護(hù)結(jié)構(gòu)未形成環(huán)狀閉合結(jié)構(gòu)，加上原巖的承載力有限，故在上臺(tái)階襯砌施工后，地表仍出現(xiàn)較大程度的沉降，需縮短各工序的時(shí)間間隔，盡快封閉成環(huán)[12-16]。

3 沉降監(jiān)測(cè)曲線

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)可以定量評(píng)價(jià)地鐵隧道開(kāi)挖對(duì)周邊以及工程本身的影響，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)可能發(fā)生的隱患或事故，根據(jù)施工監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工步驟及支護(hù)參數(shù)，避免發(fā)生事故，確保工程安全[17-20]。

選擇預(yù)注漿、留核心土及上下臺(tái)階開(kāi)挖的處理方案，先外圈，后內(nèi)圈，間隔鉆孔注漿，注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa，對(duì)掌子面進(jìn)行加固，注漿加固后圍巖的強(qiáng)度指標(biāo)提高了30%～50%。

預(yù)注漿前后，模擬上下臺(tái)階預(yù)留核心土法施工時(shí)，模擬區(qū)段的里程樁號(hào)為K16+300—K16+360，隧道開(kāi)挖前，首先開(kāi)挖降水井處理降水，待水位低于隧道開(kāi)挖底面時(shí)，進(jìn)行全斷面帷幕注漿。為了準(zhǔn)確掌握隧道開(kāi)挖引起的地表沉降和拱頂沉降，在隧道開(kāi)挖至K16+300時(shí)，于K16+330處布設(shè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后在隧道開(kāi)挖至K16+330時(shí)在該處布設(shè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用國(guó)家二等水準(zhǔn)技術(shù)要求施測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為1次/d，數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大變化時(shí)適當(dāng)增大監(jiān)測(cè)頻率，拱頂沉降實(shí)測(cè)曲線與地表沉降實(shí)測(cè)曲線如圖3、4所示。

圖3 拱頂沉降全過(guò)程曲線 圖4 地表沉降全過(guò)程曲線

由圖3可以看出：布設(shè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，實(shí)測(cè)最大拱頂沉降為42.9 mm，與模擬變化趨勢(shì)基本一致，因前期的拱頂沉降不具備監(jiān)測(cè)條件，也可以利用實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線反推前期變化。

由圖4可以看出：地表沉降實(shí)測(cè)結(jié)果(72.14 mm)稍大于模擬計(jì)算結(jié)果，與模擬計(jì)算變化趨勢(shì)基本一致，原因是巖土體本身為復(fù)雜介質(zhì)，其物理力學(xué)參數(shù)的取值有較大的局限性。

4 安全控制措施建議

1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是了解拱頂與地表變形的第一手資料，一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常必須立即報(bào)警，分析原因并采取必要措施，保證隧道安全。

2)注漿后合理安排施工工序，開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)支護(hù)，盡快封閉成環(huán)，做到“三緊跟”：初支緊跟、仰拱緊跟、二襯緊跟。

3)按照新奧法“管超前、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)、早襯砌”的原則施工。

4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，實(shí)時(shí)優(yōu)化、調(diào)整注漿參數(shù)，提高注漿質(zhì)量。

5 結(jié)論

采用數(shù)值仿真及試驗(yàn)方法，研究隧道穿越砂土地層預(yù)注漿對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。數(shù)值仿真計(jì)算表明：淺埋暗挖地鐵隧道穿越砂土地層時(shí)，若開(kāi)挖前不注漿，上下臺(tái)階預(yù)留核心土工況的最大豎向位移較上下臺(tái)階工況降低18.15%；若開(kāi)挖前注漿加固，上下臺(tái)階預(yù)留核心土工況的最大豎向位移較上下臺(tái)階工況降低39.24%；進(jìn)行上下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，注漿工況的最大豎向位移較不注漿工況降低33.56%；進(jìn)行上下臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖時(shí)，注漿工況的最大豎向位移較不注漿工況降低50.69%，計(jì)算結(jié)果為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案的選擇與優(yōu)化提供了依據(jù)。

現(xiàn)場(chǎng)預(yù)注漿試驗(yàn)研究表明：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)及優(yōu)化的拱頂及地表沉降全過(guò)程曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)拱頂沉降最大值為42.90 mm，達(dá)到了注漿效果，保證了隧道施工安全。