何秋敏 周冬輝 魏 琪

(1.西安有恒房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，710016，西安；2.西安市軌道交通集團有限公司，710018，西安∥第一作者，工程師)

淺埋暗挖法施工工藝較為簡單，且可根據(jù)監(jiān)控量測信息及時修正施工工藝。相較于明挖法和盾構(gòu)法，淺埋暗挖法具有適應(yīng)范圍廣、對周圍環(huán)境影響小、斷面變化靈活等優(yōu)勢，是城市地下工程施工的主要方法之一[1]。對于淺埋暗挖砂層隧道，由于砂層的膠結(jié)強度低和自穩(wěn)能力差等特性，極易引發(fā)隧道塌方與地表塌陷等災(zāi)害事故，繼而引起交通中斷、管線斷裂和房屋破壞等后續(xù)環(huán)境災(zāi)害[2-3]。注漿作為一種能夠有效提升圍巖承載能力的措施,廣泛應(yīng)用于隧道穿越砂層過程。對于城市淺埋砂層隧道，由于漿液在砂層中的擴散能力差，導(dǎo)致注漿加固范圍難以控制，且注漿易引起地表隆起和管線變形，需對注漿材料的滲透擴散和加固能力提出更高要求[4-5]。

諸多學(xué)者在砂層注漿加固方面進行了大量研究。文獻[6]通過數(shù)值模擬對地鐵隧道在軟弱砂層中穿越建筑物的注漿加固技術(shù)和控制效果進行了分析。文獻[7]利用多場耦合軟件建立隧道開挖-注漿耦合分析模型，對隧道開挖過程中注漿的漿擴散時空變化規(guī)律進行了研究。文獻[8]通過室內(nèi)試驗對磷酸-水玻璃注漿材料的凝膠時間、凝膠形態(tài)和砂土固結(jié)體強度的影響因素進行了研究。

盡管超前注漿加固技術(shù)已大量應(yīng)用于實際工程，但由于注漿的隱蔽性、隨機性和復(fù)雜性，使其存在“難選材、難控制、難評價”等問題。本文通過室內(nèi)試驗分析了漿液配比，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗研究了注漿加固效果。本文研究可為類似工程提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

西安某地鐵停車場出入線區(qū)間為雙線、單洞單線設(shè)計，隧道右線長為423.07 m，左線長為416.13 m，左、右線間距為12.00 m。隧道埋深變化較小，在15.16～19.55 m之間浮動。隧道斷面尺寸為6 500 mm×6 950 mm,初期支護厚為250 mm，二次襯砌厚為350 mm，采用“上下臺階法+臨時仰拱”施工。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

該隧道地貌單元屬渭河二級階地，地表以下65 m范圍內(nèi)的地層主要由新黃土、古土壤、粉質(zhì)黏土、細砂、中砂、粗砂組成，隧道主要位于細砂和中砂層，地質(zhì)斷面圖如圖1所示。

圖1 地質(zhì)斷面圖Fig.1 Geological section diagram

地下水埋深為23.1～25.0 m，位于隧道拱底附近，屬第四系松散層孔隙潛水，主要賦存于中砂、粉細砂及粉質(zhì)黏土層中，富水性好。

2 室內(nèi)配比試驗

2.1 膠凝試驗

表1 膠凝時間及其效果評價Tab.1 Cementing time and effect evaluation

圖2 不同靜置時間下的漿液膠凝狀態(tài)Fig.2 Cementing state of slurry at different standing time

凝膠時間是注漿材料的重要性質(zhì)之一，其直接決定著漿液在土層中的擴散距離。當(dāng)工程的注漿范圍較大、且需要漿液有較大的擴散半徑時，漿液的凝膠時間應(yīng)足夠長，以保證漿液可以充分擴散至全部注漿范圍；若注漿范圍內(nèi)有地下水流動，為了防止地下水把漿液帶走或出于堵水的目的，則要求漿液的凝膠時間應(yīng)盡可能短，甚至瞬凝。由于所依托工程不受地下水影響，且受工期限制，所以膠凝時間不宜過長。根據(jù)膠凝試驗結(jié)果可知，當(dāng)水、磷酸、水玻璃體積比分別為12.00…1.00…3.25、12.00…1.00…3.35和13.00…1.00…3.30時，漿液可充分滲透至砂土中，工程應(yīng)用效果較好。

2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

根據(jù)膠凝試驗結(jié)果，選擇水、磷酸、水玻璃體積比為13…1…3.30和12…1…3.35時的改性水玻璃溶液加固砂土，進行無側(cè)限抗壓強度試驗。砂土在實驗室進行振搗制樣，制備試樣干密度為1.50 g/cm3，現(xiàn)場取樣的天然含水量為15%，圓柱體試樣高為80 mm，直徑為39 mm，試樣制備完成后靜置12 h，以保證充分凝結(jié)。試樣制備及試驗過程如圖3所示。

圖3 試樣制備及試驗過程Fig.3 Sample preparation and test process

不同漿液配比下，無側(cè)限抗壓強度試驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。通過試驗結(jié)果可知：當(dāng)水、磷酸、水玻璃體積比為13.00…1.00…3.30和12.00…1.00…3.35時，抗壓強度均接近50 kPa；4 h后，抗壓強度均衰減至10 kPa以下。與水、磷酸、水玻璃的體積比為12.00…1.00…3.35相比，當(dāng)體積比為13.00…1.00…3.30時，抗壓強度在短時間內(nèi)上升得更快，表明其在短時間內(nèi)的加固效果更優(yōu)，實際工程應(yīng)用效果更好。

2.3 直剪試驗

以原狀土的干密度和含水量制備素砂土進行直剪試驗，獲得的抗剪強度包線如圖5所示。由圖5可知，素砂土的黏聚力C=0.37 kPa，內(nèi)摩擦角φ=16.8°。

圖4 不同漿液配比下的無側(cè)限抗壓強度Fig.4 Unconfined compressive strength at different slurry ratios

圖5 素砂土抗剪強度包線Fig.5 Shear strength envelope of plain sand

保持干密度和含水量與原狀土一致，以水、磷酸、水玻璃體積比分別為12.00…1.00…3.35和13.00…1.00…3.30的改性水玻璃溶液加固砂土進行直剪試驗。砂土在實驗室進行振搗制樣，試樣制備完成后分別靜置12 h和18 h，以保證其底部充分凝結(jié)。當(dāng)法向固結(jié)應(yīng)力分別為50 kPa、100 kPa和200 kPa時，不同體積比及靜置時間下固砂體的抗剪強度包線，如圖6所示。

不同漿液配比下，砂土的抗剪強度指標(biāo)如表2所示。由表2可知，在砂土中添加改性水玻璃溶液可有效提高其黏聚力，而內(nèi)摩擦角則稍有降低。隨著靜置時間的增長，體積比為13.00…1.00…3.30的固砂體黏聚力基本保持不變，其內(nèi)摩擦角則增大接近至素砂土的內(nèi)摩擦角值；隨著靜置時間的增長，體積比為12.00…1.00…3.35的固砂體黏聚力和內(nèi)摩擦角均無顯著變化。因此，當(dāng)體積比為13.00…1.00…3.30時，固砂體的抗剪性能更強，漿液對砂土的加固效果更優(yōu)。

圖6 不同體積比及靜置時間下的固砂體抗剪強度包線

表2 不同漿液體積比下的砂土抗剪強度指標(biāo)

2.4 注漿配合比

結(jié)合實際工程需要，對不同體積比下漿液的膠凝時間及固砂體的無側(cè)限抗壓強度和直剪強度試驗結(jié)果進行綜合分析，確定水、磷酸、水玻璃最佳注漿配合體積比為13.00…1.00…3.30。

3 隧道開挖數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值計算模型

采用FLAC3D有限差分軟件模擬隧道開挖過程，如圖7所示。建立三維數(shù)值計算模型，模型尺寸為80 m×50 m×50 m，隧道左、右兩側(cè)距邊界為36.5 m，約為隧道洞徑的5倍，隧道底部距底部邊界為26.0 m，約為隧道洞徑的4倍。隧道埋深為17.0 m，模型上部邊界取自地表。模型在自重應(yīng)力場下進行計算，邊界條件定為模型底面固定，四周表面約束其法向位移，上表面取至地表，為自由表面，開挖步距為0.5 m。

圖7 數(shù)值計算模型Fig.7 Numerical calculation model

3.2 物理力學(xué)參數(shù)

圍巖采用摩爾庫倫準則進行模擬，圍巖物理力學(xué)參數(shù)參考室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)和地質(zhì)勘探資料，如表3所示，其中注漿加固作用等效為加固區(qū)。襯砌采用彈性模型，初支等效折算為實體單元，支護力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表3 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

表4 數(shù)值模型支護力學(xué)參數(shù)表

3.3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.3.1 地層沉降分析

注漿處理和未注漿處理條件下的隧道地層沉降云圖如圖8所示。由圖8可知，對砂層進行注漿處理可以有效控制地層和地表的沉降。未注漿時，工后地表最大沉降量為23.0 mm；超前注漿處理后，工后地表最大沉降量為1.2 mm，大幅度減小了地表沉降。因此，注漿處理可以有效改善隧道圍巖條件。由室內(nèi)試驗結(jié)果可知，注漿對砂層的加固作用主要是大幅增強砂體黏聚力。注漿加固條件下其他地層沉降也有所減小，新黃土和古土壤地層沉降量分別從26.0 mm和60.0 mm減小至2.0 mm和11.0 mm。從拱頂至地表，注漿處理可使地層沉降減小約80.0%～95.0%，地層沉降控制效果顯著。由于隧道上方分布有污水、燃氣、給水和熱力等多條管線，超前注漿加固可通過減小地層沉降有效控制管線沉降，從而確保施工安全。

圖8 地層沉降云圖軟件截圖Fig.8 Screenshot of formation subsidence nephogram in software

3.3.2 拱頂沉降分析

超前注漿加固可大幅減小隧道拱部變形量，有效控制拱頂沉降。未經(jīng)過注漿處理的隧道拱頂沉降為11.9 mm；注漿加固后的隧道拱頂沉降為6.0 mm，比未注漿工況減小了49.6%，與地層沉降分析結(jié)果相符。提取隧道中間斷面拱頂沉降曲線如圖9所示。由圖9可知，經(jīng)過注漿處理后，拱頂沉降達到穩(wěn)定狀態(tài)的開挖距離大幅減小。未注漿時，隧道開挖至中間斷面后30 m才逐漸達到穩(wěn)定；經(jīng)過注漿處理后，隧道開挖至中間斷面后20 m，拱頂沉降值基本不發(fā)生變化，說明圍巖變形已達到穩(wěn)定。

圖9 中間斷面拱頂沉降曲線Fig.9 Settlement curve of middle section vault

3.3.3 塑性區(qū)分布

注漿能有效抑制地層沉降變形，并減小塑性區(qū)分布，注漿處理和未注漿處理工況下的塑性區(qū)云圖如圖10所示。由圖10可知，注漿加固主要抑制隧道拱部圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，其余未加固地層的塑性區(qū)分布變化不大。未注漿時，隧道拱部塑性區(qū)的分布呈貓耳朵形，由于砂層黏聚力較小，拱部圍巖主要為剪切破壞。注漿加固后，地層黏聚力有所增加，抑制了拱部特別是拱頂部分塑性區(qū)的形成。

圖10 圍巖塑性區(qū)分布Fig.10 Distribution of surrounding rock plastic zone

4 現(xiàn)場注漿試驗

4.1 注漿方案

試驗斷面位于細砂層，為保證隧道開挖的穩(wěn)定性，采用上臺階全斷面注漿方案。在拱頂約120°范圍內(nèi)，打設(shè)φ42 mm超前小導(dǎo)管，長度為1.8 m，環(huán)向間距為30 cm。掌子面小導(dǎo)管長度與拱頂保持一致，環(huán)向間距由拱頂向內(nèi)逐漸增大，為0.5～1.0 m。小導(dǎo)管漿液溢出孔采用梅花形布置，間距為15～25 cm。

4.2 開挖穩(wěn)定性分析

隧道注漿斷面開挖長約4.7 m，高約1.6 m，開挖進深約1.2 m，如圖11所示。由圖11可知，拱頂上方及拱肩位置處的砂層土體保持穩(wěn)定，未發(fā)生顯著砂層滑塌現(xiàn)象，表明注漿后的砂層土體穩(wěn)定性良好，地層成拱效果較好。在開挖斷面拱頂上部50 cm處設(shè)置地層沉降監(jiān)測點，未經(jīng)注漿處理開挖時，拱頂及拱腰處砂體滑落嚴重，地層沉降為31.5 mm；注漿處理后，開挖的地層沉降為5.9 mm，地層沉降減小了81.3%，與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。開挖過程中，可見擴散范圍內(nèi)漿液與砂體黏結(jié)形成固砂塊體，最大固砂塊體的長和寬約為37 cm，如圖12所示。由圖12可知，該漿液配比對砂層滲透效果較好，能夠有效黏結(jié)砂土并達到加固效果。

圖11 試驗斷面開挖狀態(tài)Fig.11 Excavation status of test section

圖12 注漿后砂體黏結(jié)效果Fig.12 Bonding effect of sand body after grouting

5 結(jié)語

為解決淺埋暗挖全斷面砂層隧道施工過程中的砂土滑塌問題，本文通過室內(nèi)試驗確定了改性水玻璃漿液配比，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗研究了注漿加固效果，所獲得的主要結(jié)論如下：

1) 水、磷酸、水玻璃的體積比為13.00…1.00…3.30的漿液，膠凝時間適中，在砂土中的滲透能力較好。與砂土形成固結(jié)體后，在短時間內(nèi)能夠顯著提高其抗壓強度和抗剪強度，推薦以此配比進行砂層隧道注漿加固。

2) 注漿加固能夠有效控制隧道開挖引起的地層沉降和拱頂沉降，抑制拱部圍巖破壞并提高圍巖成拱能力。對于城市淺埋暗挖隧道，超前注漿加固可降低開挖對圍巖及管線的影響，確保施工安全。

3) 注漿后開挖揭露的掌子面特征表明，該配比漿液在砂層中的擴散效果較好，砂層土體穩(wěn)定性和地層成拱效果良好，能夠達到預(yù)期加固效果，可為淺埋暗挖全斷面砂層隧道工程提供參考。