呂 緯， 吉小明

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

地下水的存在和活動(dòng)是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素，含水砂層地質(zhì)中的淺埋暗挖隧道修建時(shí)極易發(fā)生破壞，有效的注漿加固技術(shù)能大大提高隧道圍巖的穩(wěn)定性。關(guān)于這方面的研究也越來(lái)越多，文獻(xiàn)［1］以廣州地鐵5號(hào)線(xiàn)珠江新城站－獵德站淺埋暗挖區(qū)間隧道地面高壓旋噴樁加固飽和動(dòng)態(tài)含水砂層工程為例，對(duì)原設(shè)計(jì)雙重管高壓旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與單管、雙重管和三重管改進(jìn)高壓旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成樁質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析。文獻(xiàn)［2］通過(guò)對(duì)TSS型注漿管的研制，以及其在飽和含水砂層的應(yīng)用，成功地解決了單向袖閥式小口徑注漿管工藝，大大地提高了工程進(jìn)度，降低了造價(jià)。文獻(xiàn)［3］以北京“復(fù)－八”線(xiàn)地鐵施工資料為基礎(chǔ)，總結(jié)飽和土層因水而造成的砂土懸涌塌方事故情況，探討了北京陸相河流沖積扇地層懸涌塌方的機(jī)理。文獻(xiàn)［4］通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析凍土帷幕各種參數(shù)，指導(dǎo)隧道修復(fù)工作的進(jìn)行，并考察了隧道修復(fù)工作對(duì)凍土帷幕溫度的影響。文獻(xiàn)［5］采用非線(xiàn)性有限元法對(duì)硬質(zhì)圍巖鐵路隧道進(jìn)行了大斷面開(kāi)挖－錨噴支護(hù)施工全過(guò)程分析，并分析了圍巖的位移變形、應(yīng)力和塑性區(qū)分布等特征。國(guó)外的研究中，補(bǔ)償注漿技術(shù)［6］被成功運(yùn)用于倫敦Jubilee線(xiàn)的續(xù)建工程。文獻(xiàn)［7］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同漿液在砂層中進(jìn)行滲透注漿的注漿效果。文獻(xiàn)［8］提出了水泥漿液在粒狀介質(zhì)懸浮流的理論模型，在模型中考慮了水泥漿滲入速度及粒狀體滲透性的變化，給出了一維情形下的解析解，并將其結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。本文結(jié)合廣州地鐵5號(hào)線(xiàn)珠江新城至獵德段項(xiàng)目，采用有限差分軟件FLAC 3D模擬不同的隧道加固情況（是否采用二重管無(wú)收縮雙液注漿）對(duì)地表沉降及變形的影響，以期為同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況及注漿方案

廣州地鐵5號(hào)線(xiàn)珠江新城至獵德區(qū)間隧道在大里程方向至獵德站約200m長(zhǎng)隧道上方為不穩(wěn)定地層，拱部地層主要為沖積－洪積粉細(xì)、中粗砂層、硬塑狀黏性土、中密狀粉土、紅色砂巖類(lèi)強(qiáng)風(fēng)化帶，隧道下部主要為中風(fēng)化帶砂巖和微風(fēng)化帶砂巖。隧道上覆蓋土層距離透水砂層厚度小，砂層水量大且具有一定的承壓性，不利于隧道開(kāi)挖。

區(qū)間隧道過(guò)砂層段地面條件較為復(fù)雜，砂層厚度為2～3m，含水量大，并受到動(dòng)水的影響，砂層處理十分困難，左線(xiàn)ZDK16＋507～16＋530.3過(guò)砂層段局部地方砂層侵入拱頂，右線(xiàn)隧道里程YDK16＋480～YDK6＋530.3，砂層已進(jìn)入拱頂最深處達(dá)1.5m，嚴(yán)重影響隧道初期支護(hù)的施工，需要對(duì)砂層進(jìn)行加固處理。

根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況，注漿材料漿液采用AB、AC液雙液漿。注漿材料參數(shù)為：A液為40Bé水玻璃175kg；B液為Gs劑8.5kg，P劑4.5kg，DHP劑 6.7kg；C液為P.O.42.5水泥250kg，外加劑6.9kg。溶液由A、B液組成，懸濁液由A、C液組成。漿液種類(lèi)為水泥－水玻璃雙液漿，水泥品號(hào)為P.O.42.5，原水玻璃型號(hào)為40Bé，水灰比為1.5∶1～2.0∶1，體積比為1∶1，注漿用水玻璃型號(hào)為30～35Bé。

根據(jù)已有的施工經(jīng)驗(yàn)和隧道3臺(tái)階開(kāi)挖的實(shí)際情況，結(jié)合隧道開(kāi)挖時(shí)暴露的地質(zhì)及地下水情況，確定垂直方向加固范圍為拱頂上方3.0m，設(shè)計(jì)采用9排孔注漿，每排孔位環(huán)向間距為600mm，具體施工過(guò)程中可根據(jù)注漿情況進(jìn)行調(diào)整。鉆機(jī)在同一位置以不同的角度、不同的深度進(jìn)行鉆孔注漿。每循環(huán)注漿段長(zhǎng)度為10m，開(kāi)挖7m，留下3m作下一循環(huán)段注漿的止?jié){墻?？孜徊贾眉跋嚓P(guān)參數(shù)如圖1和圖2所示，WSS注漿孔位參考角度見(jiàn)表1所列。

注漿順序由兩側(cè)到中間，由下而上，如圖2所示。由于漿液的擴(kuò)散情況不同，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地層情況調(diào)整注漿孔位，以達(dá)到更好的注漿效果。主要的注漿參數(shù)有：注漿壓力為0.5～2.0MPa，注漿終壓為2.0MPa，漿液擴(kuò)散半徑為500mm，漿液初凝時(shí)間為10s～1min，注入率為40%左右，注漿管孔徑為Φ42mm。

注漿量根據(jù)注漿壓力或溢漿情況進(jìn)行控制，若注漿壓力穩(wěn)定在2.0MPa、孔口返漿量較大、注漿壓力高于2.0MPa時(shí)注入困難，即可認(rèn)為此孔注漿完成。每個(gè)循環(huán)注漿10m，開(kāi)挖7m，留3m的止?jié){墻。

圖1 WSS注漿加固縱斷面

圖2 WSS注漿加固剖面圖

表1 WSS注漿孔位參考角度

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)不同的地質(zhì)條件及單元所在的地質(zhì)情況，賦予土層不同的材料參數(shù)。本文建模采用Mohr－Coulomb模型。首先，執(zhí)行滲流分析，將各節(jié)點(diǎn)的孔隙水壓力和水頭儲(chǔ)存起來(lái)；然后通過(guò)總水頭值計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的水頭梯度值，將計(jì)算得到的滲流力作為節(jié)點(diǎn)力儲(chǔ)存起來(lái)；最后將滲流分析得到的滲透力作為力邊界條件施加到應(yīng)力分析中。

建模時(shí)，為了減小模型邊界的效應(yīng)影響，把計(jì)算模型的范圍設(shè)定為：上至隧道地表，下至隧道地面以下32.047m，水平方向至隧道兩側(cè)各33.22m。取隧道總長(zhǎng)度為66m。位移邊界條件為：兩側(cè)限制水平位移，底面限制豎向位移，地表取為自由邊界，對(duì)二重管無(wú)收縮雙液注漿加固過(guò)的圍巖按采用提高參數(shù)值的方法進(jìn)行模擬，計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示，土層材料參數(shù)見(jiàn)表2所列。

隧道開(kāi)挖前，隧道所處的圍巖為飽和圍巖，滲流邊界條件在地下水處為自由邊界，左右兩側(cè)及底部邊界為不透水邊界，隧道開(kāi)挖前圍巖孔隙水壓力為靜水壓力，水壓力場(chǎng)與深度成正比。隧道開(kāi)挖施工后，地下水在隧道開(kāi)挖輪廓的邊界上為自由透水邊界，圍巖的滲流場(chǎng)發(fā)生了改變。

圖3 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

表2 土層材料參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)建立的模型，分有、無(wú)預(yù)加固（WSS加固）措施2種情況進(jìn)行數(shù)值模擬，分別監(jiān)測(cè)各橫斷面的地表沉降和隧道圍巖塑性區(qū)，并進(jìn)行比較。不同工況時(shí)各橫斷面拱頂最大沉降量見(jiàn)表3所列。

比較2種不同工況所引起同一橫斷面的沉降曲線(xiàn)，如圖4所示，從圖4可看出，隧道開(kāi)挖過(guò)程中，不采用預(yù)加固和采用預(yù)加固在橫斷面所引起的地表最大沉降值分別為2.2cm和4.0cm，兩者相差近一倍；各工況引起的地表沉降規(guī)律基本相同，地表橫向影響范圍約為30m。有無(wú)預(yù)加固情況下圍巖豎向位移及圍巖狀態(tài)如圖5、圖6所示。從圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn)，采用二重管雙液注漿加固的圍巖塑性區(qū)明顯小于加固時(shí)圍巖塑性區(qū)。開(kāi)挖面上一點(diǎn)的水平位移圖（z軸方向）如圖7所示，從圖7可以看出，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，采用預(yù)加固時(shí)開(kāi)挖面的最大水平位移為2.7cm，不采用預(yù)加固時(shí)開(kāi)挖面最大水平位移為3.5cm，這表明雖然效果不是很明顯，但 WSS預(yù)加固對(duì)開(kāi)挖面的水平位移也能起到一定的抑制作用。

由于開(kāi)挖后，實(shí)際進(jìn)行初次支護(hù)的時(shí)間比模擬時(shí)有所推遲，會(huì)導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生松弛效應(yīng)，引起拱頂沉降增加，所以實(shí)測(cè)的沉降可能比模擬時(shí)有所增大，但可以判斷，采用二重管無(wú)收縮雙液注漿加固對(duì)含水砂層隧道地表沉降有很好的控制作用。

表3 不同工況時(shí)各橫斷面拱頂最大沉降量 mm

圖4 橫向地表沉降曲線(xiàn)

圖5 圍巖豎向位移

圖6 圍巖狀態(tài)

圖7 開(kāi)挖面水平方向位移

3 結(jié)論

二重管無(wú)收縮雙液注漿技術(shù)（WSS）比其他類(lèi)型地基處理方法在處理復(fù)雜地質(zhì)情況時(shí)適用性更強(qiáng)，可以滿(mǎn)足越來(lái)越復(fù)雜的工程地基處理要求，能有效地改變含水砂層圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，在隧道開(kāi)挖面上部形成剛度較大和整體性較好的預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)隧道圍巖塑性區(qū)和地表拱頂沉降都有著很好的控制作用，同時(shí)，也能在一定程度上減小開(kāi)挖面水平方向的位移。而且，其漿液混合方式和注漿的方向性可隨時(shí)調(diào)節(jié)，注漿材料的凝膠時(shí)間可以從瞬結(jié)到緩結(jié)，配比可任意搭配，使用電子監(jiān)控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)定向、定量、定壓注漿施工，更有利于施工。

FLAC 3D的計(jì)算結(jié)果顯示，該數(shù)值分析方法分析邊坡的穩(wěn)定性時(shí)不需要事先指定破壞面的范圍，能自動(dòng)找到多重破壞面，坡體的破壞按自然的方式發(fā)生，在此基礎(chǔ)上還可大致確定不穩(wěn)定區(qū)域及其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，因此，在巖土工程分析中，較其他方法有更好的適用性。

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