尚璽,袁越,廖孟光,秦堅,蘇海波

(1.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院, 湖南 湘潭 411201;2.南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室, 湖南 湘潭 411201;3.煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室, 湖南 湘潭 411201;4.地理空間信息技術國家地方聯(lián)合工程實驗室,湖南 湘潭 411201;5.廣州云舟智慧城市勘測設計有限公司,廣東 廣州 511400)

地鐵的開發(fā)極大地緩解了城市交通壓力,然而,地鐵隧道開挖對圍巖的擾動制約著隧道的安全掘進.盾構法已成為我國城市地鐵隧道施工的主流施工方法,盾構施工不可避免地會對隧道周圍土體產生擾動形成地層損傷,一方面改變受擾動巖土體的應力應變狀態(tài);另一方面改變巖土體力學特性,致使作用在管片結構上的荷載發(fā)生變化,產生附加內力[1].國內一些專家學者通過引入損傷力學,推導出節(jié)理巖土的損傷本構模型,從宏觀力學效應上對圍巖土穩(wěn)定性進行分析[2].我國幅員遼闊,地質構造在不同地區(qū)有著很大的差別,應對不同環(huán)境下隧道掘進的問題需要有不同的解決方案.

近年來眾多專家學者對地鐵隧道施工進行了大量的研究.酈亮[3]應用FLAC3D模擬研究了北京地鐵10號線盾構施工對周邊的影響,通過理論模擬、數(shù)值分析計算等對地表沉降做出模擬監(jiān)測；朱訓國等[4]根據(jù)大連地鐵建設構建物理模型試驗,并對巖土塊進行施壓試驗,分析隧道施工中輔助設施的位移變化,以此推測地層的移動情況；高健等[5]分析研究了隧道掘進過程中的多種穩(wěn)定問題；姚華彥等[6]比較了工程地質判別法、理論解析解、數(shù)值解法等對巖土體穩(wěn)定性評價的方法,采用數(shù)值模擬技術分析合肥地鐵1號線穿過南淝河處的地質情況,為隧道在盾構掘進過程中的加固支護提供了依據(jù)；李杰等[7]應用圍巖松動壓力理論計算淺埋洞室的應力,并利用有限元分析模擬確定支護方式,保障隧道安全穩(wěn)定掘進.

本文針對長沙地鐵6號線東湖-韶光區(qū)間隧道上覆巖層失穩(wěn)問題,采用極限平衡理論對巖層應力情況變化及失穩(wěn)誘因進行研究,通過水泥-水玻璃雙液注漿維穩(wěn)處置并配合水準測量監(jiān)測,使隧道上覆巖層穩(wěn)定,保障了施工與路面行車安全.

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

長沙地鐵6號線東湖—韶光線路出東湖站后,沿人民東路向東北方向前行進入韶光站,如圖1所示.該路段采用盾構法施工,路段左、右線為分修的單線隧道,右線全長782.02 m,左線全長784.24 m.左右隧道間距15.2～17.2 m,隧道埋深11.12～13.49 m,隧道設計直徑6.2 m.在施工行進到320 m處出現(xiàn)上覆巖土失穩(wěn)現(xiàn)象,導致盾構機出土量大,路面巖土松軟,裂隙明顯增多,并出現(xiàn)失穩(wěn)冒水現(xiàn)象,威脅路面行車安全.

圖1 施工線路失穩(wěn)位置

1.2 工程地質及水文

東湖—韶光段自上而下地層分別為瀝青路面、雜填土、素填土、粉質黏土、細砂、圓礫、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖,巖土信息見表1.隧道主要穿行于中風化泥質粉砂巖層.

本工點線路與瀏陽河最近距離約1.4 km.由于瀏陽河為湘江支流,平水期瀏陽河補給湘江,豐水期易形成湘江“倒灌”瀏陽河現(xiàn)象.本場地透水性地層與瀏陽河透水性地層雖距離較遠但仍存在水力聯(lián)系.工程場地包含松散土層孔隙水(上層滯水、孔隙承壓水)及基巖裂隙水2大類,但由于大部分地段圓礫層與基巖含水層直接連通,由此,孔隙承壓水與基巖裂隙水可視作同一層地下水.

表1 隧道上覆巖土信息

2 盾構隧道軟弱圍巖穩(wěn)定的極限平衡分析

考慮隧道圍巖體間滑動阻力對圍巖自身重力的影響,可依據(jù)圍巖的極限平衡理論進行分析[8].根據(jù)項目實況繪制截面理論模型(假設巖體厚度為0),如圖2所示.

圖2 隧道圍巖壓力計算示意圖

三角體巖土下滑對正上方圍巖產生的阻力T為

T=T1+T2.

(1)

式中:T1為巖體ABF下滑阻力;T2為側向未擾動圍巖的阻力.

AF與DE為假定破裂面,抗剪強度取決于滑面的摩擦角與黏結力,為簡化計算采用巖土的似摩擦角φ0.而上覆巖土BCIG與三角體的摩擦角θ與φ0是不同的,因為BG與CI并未發(fā)生破裂,所以它應介于零和巖土似摩擦角之間.θ值與巖體的物理力學性質有著密切的關系,在計算時可以取一個經驗數(shù)字.

基于上述假定,根據(jù)力學平衡條件,作用在隧道頂部總垂直壓力Q為

Q=W1-2T1sinθ.

(2)

式中:W1為巖體BCIG的重量.

圖3 圍巖摩擦阻力計算示意圖

為分析三角體巖土對上方土體的挾制力,對巖體ABF的受力分析如圖3所示.

根據(jù)力的平衡條件得

(3)

按正弦定理有

(4)

令

(5)

得出

(6)

由極限平衡理論可知,因為T為BF面的帶動下滑力,則τ為其側壓力系數(shù),因此可得出

(7)

(8)

得出總垂直壓力

Q=W1-γh2τtanθ.

(9)

隧道平均埋深H=14 m,荷載高度h=9.9 m,局部破壞長度L=10 m.根據(jù)東湖-韶光段上覆巖土類型和工程經驗取值,東湖-韶光段上覆巖土多數(shù)為泥質充填,呈石夾土狀或土夾石狀,圍巖的物理力學指標標準可取φ0為40°～50°,θ為φ0的0.5～0.7倍,圍巖重度γ的取值范圍是17～20 kN/m3.結合工程參數(shù),為便于計算取似摩擦角φ0=45°,計算得出W1=11 048.4 kN,垂直應力為11 143.67 kN.根據(jù)極限平衡理論得出的結果分析,在施工進程中兩側摩擦阻力無法對垂直應力進行阻動,給項目施工造成了圍巖剪切滑移、路基失穩(wěn)、掘進難度加大等問題.根據(jù)維穩(wěn)前計算結果可得在局部范圍內摩擦阻力相較于圍巖自重差值較小,當失穩(wěn)長度加大時(例如此項目失穩(wěn)長度延伸值大于30 m),隧道上覆巖土極易出現(xiàn)垮落,因此,需加強圍巖穩(wěn)定強度.

注漿支護可使破碎的圍巖連接成塊,從而加大圍巖強度與圍巖等級.根據(jù)注漿加固體強度估計[9],維穩(wěn)后可按照Ⅳ級圍巖等級計算,即似摩擦角φ0取60°,圍巖重度取22 kN/m3,垂直應力可達到14 212.55 kN,增加了原圍巖重力的28%,隧道管片能夠支撐的上覆巖層應力加大,提高了隧道掘進的穩(wěn)定性.

3 隧道圍巖局部失穩(wěn)現(xiàn)場處置

圖4 注漿施工流程

根據(jù)圍巖極限平衡理論,加強上覆巖層圍巖等級,增大圍巖之間摩擦力,能夠有效防止巖土垮落、路基失穩(wěn)等工程問題.隧道工程的維穩(wěn)方法常用的有錨桿支護、管棚鋼架支護和注漿支護.其中管棚鋼架支護多用于隧道內對拱頂?shù)闹ёo；錨桿支護需利用巷旁圍巖減弱圍巖壓力,進而穩(wěn)定巷道應力；混合漿體注入到圍巖含水層與隔水層之間的溶洞與裂隙中,能夠迅速填充其空隙,并使含水層與隔水層粘結凝固為一體,雙液注漿可以對松散地層進行凝固,使其固結為同一整體,改善施工條件,可阻隔地下含水層對垂直應力的影響[10].混合注漿技術更適合解決該類工程失穩(wěn)問題,施工流程如圖4所示.

隧道上覆巖層失穩(wěn)后,便進行維穩(wěn)處置.首先在失穩(wěn)的路面鉆孔,嵌入注漿管道.注漿孔位置如圖5所示.再在路面上將水泥-水玻璃注漿液按比例混合好后使用注漿機將其注入失穩(wěn)的巖層中,增加圍巖強度.在注漿過程中要防止因為注漿機壓力過大而出現(xiàn)跑漿的情況,因為漿體在注入時成液狀,未凝結時會對路基巖土造成沖擊,易使未松動巖土體破損造成路面失穩(wěn)；當其凝結后體積膨脹,對路面亦會帶來安全隱患.注漿參數(shù)信息見表2.

圖5 注漿孔位置

表2 注漿參數(shù)

4 監(jiān)測及處置效果分析

對隧道上覆巖土垮落區(qū)使用精密水準儀進行日常二等水準測量,實時掌控隧道路基地表的沉降情況,以觀察注漿對隧道圍巖維穩(wěn)效果.通過沉降監(jiān)測,準確找出隧道沉降規(guī)律,預測變化速率、幅度、范圍及可能產生的危害,為采取措施提供準確、科學的監(jiān)測資料[11].

在距離施工段50 m擾動圈范圍外設立基準點,基準點的高程使用GPS-RTK技術或全站儀從高等水準控制網進行支線測量.考慮道路過往車輛的頻繁,基準點設立在道路外圍的固定設施處,以減小基準點誤差.由基準點起點開始進行二等水準測量,對隧道右線中線點著重進行測量,采集失穩(wěn)范圍中心點處的高程變化情況,繪制折線圖進行分析,如圖6所示.

圖6 水準監(jiān)測數(shù)據(jù)

從圖6可知,隧道掘進過程中在未到達失穩(wěn)區(qū)時(4日—5日)地表隆起,誤差在允許范圍內.隧道掘進至YDK45+831到YDK45+781范圍內即6日位置,路面急劇下沉,超過3 mm誤差警戒線,路面出現(xiàn)較大縫隙和失穩(wěn)現(xiàn)象.隨即開始在隧道上覆巖層注入水泥-玻璃水注漿液進行維穩(wěn).圖中9日—13日監(jiān)測信息顯示,經過一段時間的漿液固化,路基膨脹、地表高程上升.14日—17日之間漿體與巖土充分結合,路面高程逐步趨于穩(wěn)定.18日之后,經過一段時間固化后的漿體與巖土充分結合,地表沉降值趨于穩(wěn)定.

5 結論

1)隧道掘進遇到散體或松軟巖土地段,隧道側面滑動阻力受地質條件限制,不足以挾制垂直應力對隧道的作用,為保證此地段掘進安全施工,應考慮增強巖土間的摩擦阻力.

2)采用水泥-水玻璃雙液注漿能夠快速凝結成固,加速巖土間的結合,適用于隧道圍巖條件差、多散體的地段,對隧道突發(fā)失穩(wěn)、交通條件復雜的環(huán)境下有利于加強隧道圍巖穩(wěn)定.

3)使用水準測量對地表沉降監(jiān)測能夠反映出隧道維穩(wěn)前后高程變化,反饋注漿維穩(wěn)效果.在地質構造簡單、圍巖強度低的地段施工時,為保障施工安全可考慮降低預警線,降低報警水準高程差值,增大監(jiān)控強度.