徐繼光， 翁賢杰， 張龍生

(江西交通咨詢有限公司， 江西 南昌 330008)

在城市地鐵隧道工程中，經(jīng)常采用超前注漿工法加固隧道掌子面前方軟弱地層以保證隧道安全開挖。然而，城市地鐵隧道通常埋深較淺，超前注漿會(huì)引起目標(biāo)注漿區(qū)域上方地表隆起變形，當(dāng)隧道上方分布有道路、建筑物或市政管線時(shí)，超前注漿有可能會(huì)影響隧道上方路面行車安全、建筑物穩(wěn)定及市政管線安全。因此，研究隧道超前注漿導(dǎo)致地表隆起變形規(guī)律對(duì)于實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境下隧道超前注漿安全控制具有重要意義。

對(duì)于注漿導(dǎo)致注漿區(qū)域上方地表變形問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究，Sagaseta、Gollegger、唐志偉、Zhang等分別基于解析理論或數(shù)值方法獲得了注漿導(dǎo)致地表隆起變形的定量計(jì)算公式或求解模型；張世杰等開展了隧道砂土層注漿導(dǎo)致地表變形的模擬試驗(yàn)，分析了地表隆起過程中地層壓力及位移的變化規(guī)律。然而，以上研究大多集中在理論及室內(nèi)模擬試驗(yàn)方面，研究中對(duì)注漿抬升地表過程進(jìn)行了諸多簡化，目前尚缺乏現(xiàn)場試驗(yàn)方面的研究。

該文為揭示隧道超前注漿導(dǎo)致地表隆起變形規(guī)律，依托青島地鐵2號(hào)線啤～苗區(qū)間隧道超前注漿加固工程，開展注漿導(dǎo)致地表隆起規(guī)律現(xiàn)場試驗(yàn)，研究地表隆起值的空間分布特征及其隨注漿進(jìn)程的發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而分析注漿量、注漿材料類型等因素對(duì)地表最大隆起值的影響，在此基礎(chǔ)上提出隧道超前注漿過程中地表隆起變形控制方法并應(yīng)用于實(shí)際工程中。

1 依托工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件與潰砂災(zāi)害概況

青島地鐵2號(hào)線啤～苗區(qū)間隧道為左右分修的兩條并行的單線單洞地下隧道，線路間距為15～17 m，隧道開挖斷面寬度為7 m，高度為7.43 m，區(qū)間隧道埋深為11～16 m。隧道穿越地層地質(zhì)情況如圖1所示，部分區(qū)段隧道揭露厚度不一的富水含黏性土砂層，揭露厚度一般為0.5～2 m，該地層處于飽水狀態(tài)、膠結(jié)能力差、不具有自穩(wěn)能力，在開挖擾動(dòng)影響下極易誘發(fā)涌水潰砂災(zāi)害，施工風(fēng)險(xiǎn)極高。

圖1 隧道工程地質(zhì)條件

在隧道掌子面開挖至ZSK39+576里程時(shí)，掌子面發(fā)生涌水潰砂事故，大量砂-水混合物由隧道拱頂不斷涌出，由于隧道埋深較淺，洞內(nèi)潰砂逐漸發(fā)展至地表形成地表塌陷，之后隧道工程全線停工，潰砂事故嚴(yán)重影響了項(xiàng)目施工進(jìn)度并造成了極大的安全隱患，亟需有效治理。

1.2 隧道超前注漿設(shè)計(jì)

擬采用超前注漿方式加固隧道掌子面前方富水砂層，具體注漿設(shè)計(jì)如下。

(1) 加固范圍設(shè)計(jì)

注漿加固圈厚度為3 m，單循環(huán)注漿加固長度為12 m，每循環(huán)開挖長度為9 m，留設(shè)3 m注漿加固體為止?jié){巖盤。

(2) 注漿鉆孔設(shè)計(jì)

注漿鉆孔設(shè)計(jì)如圖2所示，采用三序次注漿鉆孔設(shè)計(jì)，注漿鉆孔1、2、3序孔加固長度分別為0～5、0～8.5、0～12 m。1序孔采用全孔注漿，2、3序孔采用前進(jìn)式分段注漿，分段次數(shù)為2次。漿液擴(kuò)散半徑設(shè)計(jì)為1.5～2 m，共設(shè)計(jì)1序孔8個(gè)、2序孔7個(gè)、3序孔8個(gè)、注漿效果檢查孔9個(gè)。

圖2 注漿鉆孔設(shè)計(jì)(單位：mm)

(3) 注漿材料選型

選用水泥單液漿與水泥-水玻璃雙液漿(C-S漿液)兩種注漿材料，利用水泥漿液的長期性能優(yōu)勢(shì)對(duì)砂層進(jìn)行有效加固，利用C-S漿液的速凝特性實(shí)現(xiàn)加固范圍的有效控制。水泥單液漿水灰比W/C=0.8～1。C-S雙液漿水灰比W/C=1，雙液體積比C∶S=3∶1～4∶1，雙液漿工程現(xiàn)場初凝時(shí)間為40～50 s。

(4) 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

依據(jù)注漿設(shè)備的性能參數(shù)，確定注漿速率為50～70 L/min。

單孔單段注漿量為0.5～1.5 m3，具體視注漿加固效果及地表隆起情況而調(diào)整。

采用注漿量、注漿壓力雙控注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量或注漿壓力達(dá)到1.5 MPa且持續(xù)5 min時(shí)，注漿結(jié)束。

1.3 超前注漿過程控制存在的問題

依托工程砂層超前注漿治理存在地表隆起變形及管線安全控制的問題，由于隧道埋深淺(埋深為11～16 m)，注漿會(huì)導(dǎo)致地表隆起及隧道上方的市政管線變形，且拱頂上方存在熱力、燃?xì)獾雀呶９芫€，若地層變形嚴(yán)重將引發(fā)市政管線斷裂事故，所以注漿過程中需嚴(yán)格控制地表隆起及管線變形。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

(1) 地表隆起監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

現(xiàn)場試驗(yàn)中通過監(jiān)測(cè)注漿區(qū)域上方地表變形情況來直接獲得地表隆起值，地表隆起監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，地表監(jiān)測(cè)區(qū)域位于隧道掌子面正前方，監(jiān)測(cè)區(qū)域沿隧道軸線方向的長度為12 m，與每循環(huán)注漿加固長度一致，監(jiān)測(cè)區(qū)域沿垂直隧道軸線方向的寬度也為12 m，與注漿加固圈的橫向?qū)挾然疽恢拢O(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向與橫向間距均為3 m，共設(shè)置25個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖3 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置(單位：m)

(2) 監(jiān)測(cè)方案

采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高度測(cè)量。在每一循環(huán)注漿施工前，測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始高度。當(dāng)注漿開始后，在每次注漿結(jié)束后進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高度測(cè)量。在實(shí)際施工中為提高注漿效率，采用跳孔注漿工藝，一次可完成2～3個(gè)注漿孔的注漿。通過處理監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)可獲得每次注漿導(dǎo)致的地表隆起量以及整個(gè)循環(huán)注漿結(jié)束后的累計(jì)地表隆起量。

(3) 注漿方案

為分析不同注漿材料類型、注漿量等因素對(duì)地表隆起變形的影響，設(shè)計(jì)4組注漿方案，如表1所示。方案1～3注漿材料相同，都采用C-S漿液，而單孔單段注漿量不同，主要用于對(duì)比分析注漿量對(duì)地表隆起的影響。方案2與方案4單孔單段注漿量相同，而注漿材料不同，主要用于對(duì)比分析注漿材料類型對(duì)地表隆起的影響。由于依托工程采用定流量注漿方式，注漿壓力為被動(dòng)數(shù)值，故在注漿方案中沒有將注漿壓力作為自變量來考慮。

選擇地質(zhì)情況相近的4個(gè)注漿循環(huán)開展超前注漿導(dǎo)致地表隆起規(guī)律現(xiàn)場試驗(yàn)，分別實(shí)施表1中的4種注漿方案，注漿過程中監(jiān)測(cè)地表隆起變形情況。

表1 注漿方案

注漿結(jié)束后通過注漿檢查孔觀察滲漏水量并進(jìn)行鉆孔電視探查，以判定注漿加固效果是否滿足要求，若注漿效果不能滿足要求，則要進(jìn)行補(bǔ)充鉆孔注漿。

3 地表隆起結(jié)果分析

3.1 地表隆起值的空間分布規(guī)律

4種注漿方案均順利實(shí)施，方案2、3實(shí)施后地表出現(xiàn)由于隆起導(dǎo)致的裂縫，方案1、4實(shí)施后地表并未出現(xiàn)裂縫。地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)距掌子面的距離用D表示，距隧道軸線的距離用L表示。為分析注漿結(jié)束后地表隆起值的空間分布規(guī)律，選擇方案2為特征工況進(jìn)行分析，注漿結(jié)束后地表隆起值空間分布如圖4所示。

圖4 注漿結(jié)束后地表隆起值的空間分布(方案2)

由圖4可知：

(1) 在垂直隧道軸線斷面上，地表隆起值均呈大致對(duì)稱的山峰狀分布，隧道軸線處的地表隆起值最大，最大值可達(dá)5.8 cm，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)距隧道軸線距離的增加，地表隆起值逐漸降低，在注漿加固邊界處(L=±6 m左右)地表隆起值最小，注漿加固邊界處的地表隆起值為1～2.5 cm。

其原因?yàn)椋好總€(gè)注漿孔所對(duì)應(yīng)的注漿漿液大都呈水平漿脈的形式以注漿孔為中心分布在隧道上方區(qū)域，多個(gè)注漿孔對(duì)應(yīng)的漿脈在隧道軸線附近區(qū)域重疊最多，注漿加固邊界處的漿脈重疊數(shù)量最少(圖5)，故地表隆起值隧道軸線附近最大，注漿加固邊界處最小。

圖5 注漿結(jié)束后漿脈分布狀態(tài)

(2) 在平行隧道軸線斷面上，隨著距掌子面距離的增加，地表隆起值呈現(xiàn)出先快速增加后緩慢減小的趨勢(shì)。地表隆起值最大的斷面并不是位于注漿加固范圍的中間，而是位于距離掌子面較近的區(qū)域。在距離隧道掌子面3 m處地表隆起值最大，掌子面正上方斷面與距離掌子面12 m處的斷面所對(duì)應(yīng)的地表隆起值處于同一水平，為1～2 cm。地表隆起值最大的斷面位于距離掌子面較近區(qū)域的原因?yàn)椋阂劳泄こ滩捎萌蜚@孔注漿方式，且2、3序孔采用分段注漿，導(dǎo)致距離掌子面較近區(qū)域(1～4 m)存在重復(fù)注漿加固段[圖2(d)]，重復(fù)注漿加固段上方的地表隆起值必然大于其他區(qū)域，因此地表隆起值最大的斷面位于距掌子面較近區(qū)域。

3.2 地表最大隆起值影響因素分析

3.2.1 注漿量的影響

選擇注漿方案1～3分析注漿量對(duì)地表最大隆起值的影響，不同注漿量條件下地表最大隆起值隨注漿進(jìn)程的變化情況如圖6所示。

圖6 不同注漿量條件下地表最大隆起值變化曲線

由圖6可知：

(1) 隨著注漿進(jìn)程的進(jìn)行，地表最大隆起值的增長速度逐漸加快。1序孔注漿導(dǎo)致的地表隆起值增長最慢，1序孔注漿結(jié)束后不同工況的地表隆起最大值普遍不超過1 cm。分析原因?yàn)椋荷皩映白{過程可分為“壓密變形吸收→地層整體抬升”兩個(gè)階段，在砂層壓密變形吸收階段中，注漿產(chǎn)生的劈裂漿脈對(duì)漿脈兩側(cè)的砂層進(jìn)行壓密，然而壓密變形被原有地層吸收，并不能引起地表的顯著變形；在地層整體抬升階段，砂層壓密變形吸收量達(dá)到極限，之后進(jìn)入地層的注漿漿脈所產(chǎn)生的變形會(huì)傳導(dǎo)到地表，造成地表的整體抬升，1序孔注漿階段屬于壓密變形吸收階段，所以其引起的地表抬升量很小。

(2) 對(duì)比1序、2序1段與3序1段等3個(gè)注漿階段，可發(fā)現(xiàn)上述3個(gè)階段地表隆起值增加量依次增加，3序1段對(duì)應(yīng)的地表隆起值增加量為1序隆起值增加量的2～4倍，由圖2(d)可知，上述3個(gè)注漿階段所對(duì)應(yīng)的注漿區(qū)域?yàn)橹貜?fù)注漿區(qū)域，說明重復(fù)注漿對(duì)地表最大隆起值的增長速度影響很大，重復(fù)注漿會(huì)顯著提高地表最大隆起值。

(3) 單孔單段注漿量對(duì)地表最大隆起值影響顯著，地表最大隆起值與注漿量正相關(guān)，單孔單段注漿量1、1.5、2 m3分別對(duì)應(yīng)最終最大隆起值2.6、5.8、10.4 cm，由此可見注漿量的線性增加會(huì)導(dǎo)致地表隆起值的非線性增加，地表隆起值的增長速度要快于注漿量的增長速度，這與砂層注漿過程的兩階段相對(duì)應(yīng)，額外的注漿量會(huì)全部轉(zhuǎn)化為地表隆起值。

3.2.2 注漿材料的影響

選擇注漿方案2與方案4分析注漿材料類型對(duì)地表最大隆起值的影響，不同注漿材料對(duì)應(yīng)的地表最大隆起值隨注漿進(jìn)程的變化情況如圖7所示。

圖7 不同注漿材料地表最大隆起值變化曲線

由圖7可知：水泥漿液、C-S漿液分別對(duì)應(yīng)地表最大隆起值1.2 cm與5.8 cm，可見注漿材料類型對(duì)地表隆起具有顯著影響，在相同注漿量條件下，水泥漿液對(duì)應(yīng)的地表隆起值要顯著低于C-S漿液的地表隆起值。分析原因?yàn)椋核酀{液凝膠時(shí)間較長，可長達(dá)2～4 h，而每次注漿的時(shí)間一般不超過1.5 h，所以水泥漿液在整個(gè)注漿過程中的漿液擴(kuò)散阻力低，水泥漿液很容易擴(kuò)散到目標(biāo)加固范圍以外，同時(shí)漿脈厚度也較小，導(dǎo)致水泥漿液對(duì)應(yīng)的地表隆起值較低。C-S漿液為速凝類注漿材料，漿液凝膠時(shí)間為十幾秒至幾分鐘，在注漿過程中漿液凝膠阻力增長很快，導(dǎo)致C-S漿液擴(kuò)散范圍較小、注漿壓力較高、漿脈厚度較大，因此C-S漿液對(duì)應(yīng)的地表隆起值較大。

4 地表隆起控制方法

(1) 嚴(yán)格限制注漿量

由上述分析可知，注漿量對(duì)地表隆起變形影響顯著，過大的注漿量會(huì)導(dǎo)致地表隆起變形超限，因此，應(yīng)嚴(yán)格限制單孔單段注漿量，以保證地表隆起變形不超限。在依托工程中，地表隆起限值為3 cm，綜合現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，單孔單段注漿量設(shè)定為1.2 m3。

(2) 減少重復(fù)注漿

由于重復(fù)注漿會(huì)顯著提高地表隆起值的增長速度，重復(fù)注漿區(qū)域上方的地表隆起值過大，因此，在注漿序次上可減少重復(fù)注漿段，以消除或削弱重復(fù)注漿導(dǎo)致的地表隆起變形。在依托工程中，取消第3序鉆孔第1段的注漿。

(3) 配套膜袋定域注漿工藝

為減少深部注漿孔注漿過程中漿液在淺部地層的擴(kuò)散，造成重復(fù)注漿，采用膜袋定域注漿工藝，隔絕淺部地層的漿液擴(kuò)散。注漿工藝原理如圖8所示，在注漿孔內(nèi)設(shè)置可膨脹膜袋，在注漿開始前將膜袋膨脹，注漿開始后由于膨脹膜袋的隔離作用，漿液將只會(huì)進(jìn)入深部地層。

圖8 膜袋定域注漿施工工藝

(4) 加強(qiáng)地表變形監(jiān)測(cè)

注漿過程中應(yīng)對(duì)地表隆起變形狀態(tài)進(jìn)行密集監(jiān)測(cè)，當(dāng)注漿過程中地表隆起速率過大時(shí)，可提前結(jié)束注漿施工，適當(dāng)調(diào)整注漿參數(shù)或采取必要的施工工藝后再實(shí)施注漿。

在依托工程中，通過采取調(diào)整單孔單段注漿量為1.2 m3，取消第3序鉆孔第1段的注漿，配套膜袋定域注漿工藝，加強(qiáng)地表變形監(jiān)測(cè)等措施，有效保證了注漿過程中地表隆起變形不超限，地表隆起最大值維持在2～2.5 cm。與此同時(shí)，注漿加固效果也得到了有效保證，注漿后隧道開挖掌子面揭露漿脈較多，掌子面整體穩(wěn)定，基本無水，可保證初期支護(hù)完成前的圍巖穩(wěn)定。

經(jīng)過注漿加固后，檢查孔出水情況基本為無水或慢速滴水狀態(tài)，地層滲透系數(shù)小于1×10-4cm/s，滿足隧道滲水量的要求。在檢查孔內(nèi)通過鉆孔電視對(duì)孔內(nèi)圍巖進(jìn)行攝像觀察，檢查結(jié)果如圖9所示，由圖9可知：注漿前由于地層未得到加固，地層完整性差，鉆孔內(nèi)塌落物較多；注漿后注漿加固體完整性獲得明顯改善，圍巖具備自穩(wěn)能力，未發(fā)現(xiàn)塌孔情況，注漿對(duì)于砂層的加固效果顯著。

圖9 鉆孔電視探查結(jié)果

5 結(jié)論

(1) 在垂直隧道軸線方向上，地表隆起值呈大致對(duì)稱的山峰狀分布，隧道軸線處地表隆起值最大；在隧道軸線方向上，地表隆起值最大的位置位于距掌子面較近的區(qū)域。

(2) 隧道超前注漿過程可分為壓密變形吸收與地層整體抬升兩個(gè)階段，前一階段并不能引起地表的顯著隆起，地表隆起主要發(fā)生在后一階段，重復(fù)注漿會(huì)顯著提高地表最大隆起值。

(3) 地表最大隆起值與注漿量正相關(guān)，C-S漿液由于具有速凝特性，其地表隆起值要顯著高于水泥單液漿。

(4) 提出了超前注漿過程中地表隆起變形控制方法，主要包括：嚴(yán)格限制注漿量、減少重復(fù)注漿、配套膜袋定域注漿工藝、加強(qiáng)地表變形監(jiān)測(cè)等措施。