粉細(xì)砂地層大斷面隧道暗挖注漿試驗(yàn)及地表沉降規(guī)律研究

牛 斌,周志龍,郭 婷,曾德光,金 亮

(1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司,北京 100037； 2.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,北京 100101)

1 概述

隨著軌道交通的快速發(fā)展,礦山法區(qū)間隧道由于其靈活性被廣泛采用。于鶴然等[1]通過(guò)暗挖數(shù)值分析劃分隧道對(duì)地表建筑物影響范圍的分區(qū)和控制標(biāo)準(zhǔn),提出相應(yīng)的影響范圍判定經(jīng)驗(yàn)公式；黃海斌等[2]通過(guò)數(shù)值分析得到CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂沉降規(guī)律；張先念[3]對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖引起的地層變形及控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究；丁燕平[4]通過(guò)計(jì)算分析了掘進(jìn)長(zhǎng)度、圍巖等級(jí)、埋深、跨度等對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的影響；余熠[5]通過(guò)計(jì)算分析得出合理的留設(shè)核心土可有效降低雙側(cè)壁導(dǎo)坑法地層沉降速率,改善圍巖受力；董新平[6]采用Timoshenko分層梁模擬支護(hù)并對(duì)支護(hù)構(gòu)件按等效剛度處理,指出雙側(cè)壁導(dǎo)坑法導(dǎo)洞支護(hù)的非均衡支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)地表沉降影響較大；譚勇等[7]針對(duì)淺埋暗挖軟基隧道,基于Winkler彈性地基梁理論，建立管棚超前支護(hù)和鎖腳錨桿力學(xué)模型,提出兩者對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向荷載的承載作用計(jì)算方法并推導(dǎo)出拱腳地基荷載的計(jì)算公式。

目前對(duì)暗挖穿越無(wú)水粉細(xì)砂層的研究較少,賀博[8]通過(guò)粉細(xì)砂層注漿試驗(yàn)研究,對(duì)粉細(xì)砂層注漿理論及機(jī)理進(jìn)行了探討,分析了不同參數(shù)對(duì)注漿效果的影響；游小鋒等[9]通過(guò)試驗(yàn)研究了注漿對(duì)粉細(xì)砂抗剪強(qiáng)度的影響；石宇涵[10]通過(guò)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)和顆粒分析等土工試驗(yàn)方法，對(duì)陜西北部地區(qū)粉細(xì)砂的地基土樣進(jìn)行原狀土和重塑土試驗(yàn),得出起始含水率和濕陷變形的關(guān)系；趙朋[11]通過(guò)數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法,得到通過(guò)深孔注漿和管棚支護(hù)的方式可以有效控制粉細(xì)砂地層暗挖隧道的地表沉降。

本文對(duì)粉細(xì)砂地層進(jìn)行了注漿試驗(yàn)研究,并通過(guò)數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法,對(duì)粉細(xì)砂地層雙側(cè)壁導(dǎo)坑法地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究,提出粉細(xì)砂地層設(shè)計(jì)和施工時(shí)的注意要點(diǎn)。

2 工程概況

石家莊地鐵1號(hào)線一期工程洨河大道站至西兆通車輛段區(qū)間,自洨河大道站中部引出(兩側(cè)為1號(hào)線二期正線區(qū)間),由暗挖大斷面區(qū)間逐漸分離為兩個(gè)單線單洞區(qū)間,線間距由5 m漸變成12 m,隧道包含雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和臨時(shí)仰拱法兩個(gè)施工斷面。線間距5 m的6導(dǎo)洞雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖斷面寬12 m,高9.73 m,拱頂覆土厚度約12 m。初期支護(hù)縱向格柵間距500 mm,初期支護(hù)厚度350 mm(非臨土側(cè)的臨時(shí)支撐和臨時(shí)仰拱厚度300 mm)；超前小導(dǎo)管每榀設(shè)置,直徑32 mm,壁厚3.25 mm,環(huán)向間距300 mm,長(zhǎng)度2 m；拱部180°范圍進(jìn)行深孔注漿,注漿范圍為初期支護(hù)外側(cè)1.5 m,內(nèi)側(cè)0.5 m。

根據(jù)詳勘報(bào)告[12],區(qū)間隧道穿越的地層有雜填土層、粉細(xì)砂、中粗砂層、中粗砂含卵石層。地下水位位于隧道底板以下20 m,施工時(shí)不需要降水。

3 注漿試驗(yàn)

3.1 粉細(xì)砂的特征

區(qū)間位于滹沱河流域,粉細(xì)砂層分布廣泛,粉細(xì)砂黏聚力小、自穩(wěn)能力差。根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》[13],粉砂土是指粒徑大于0.075 mm顆粒的質(zhì)量超過(guò)總質(zhì)量50%的土,細(xì)砂是指粒徑大于0.075 mm顆粒的質(zhì)量超過(guò)總質(zhì)量85%的土。粉細(xì)砂土的工程性質(zhì)介于粉砂土與細(xì)砂土之間,在天然狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)松散,密度也較低。在自重的作用下可壓密,埋深較大的粉細(xì)砂層,密度較大。粉細(xì)砂層粒徑分布均勻,且粒徑范圍小,在外界荷載作用下易變形。粉細(xì)砂土體主要靠粒間法向壓力的粒間摩擦力維持自身穩(wěn)定,因此提高砂土顆粒之間的黏聚力和內(nèi)摩擦角才能提高土層的自穩(wěn)能力。粉細(xì)砂滲透系數(shù)為(1.2～6.0)×10-3cm/s,屬于中等透水性[12]。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

粉細(xì)砂層的注漿一般分為5個(gè)階段：充填滲透階段、擠密階段、劈裂階段、被動(dòng)土壓力階段、再滲透階段。本次注漿采用水泥-水玻璃雙液漿,通過(guò)取樣法對(duì)比注漿前后土體的力學(xué)參數(shù)來(lái)檢測(cè)注漿加固效果,加固前取6組試樣,將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行離散統(tǒng)計(jì)，得到該層注漿前的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量等力學(xué)參數(shù)；注漿加固后在同一深度土層再次取3組試樣,同樣對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行分析,通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比,對(duì)注漿加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1為粉細(xì)砂注漿加固后3號(hào)試樣室內(nèi)試驗(yàn)照片。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

注漿前后的土體物理和力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示。可以看出,注漿加固對(duì)土體的含水量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量均有明顯的改善。

圖1 粉細(xì)砂注漿加固后3號(hào)試樣室內(nèi)試驗(yàn)

表1 土體物理參數(shù)

表2 土體力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

采用Flac3D有限差分軟件進(jìn)行三維模型計(jì)算。地層及初襯、二襯結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,除支護(hù)結(jié)構(gòu)單元采用彈性模型外,地層材料采用彈塑性莫爾庫(kù)倫準(zhǔn)則模擬,地質(zhì)參數(shù)如表3所示。

表3 地層參數(shù)

根據(jù)圣維南原理,靜力計(jì)算采用的邊界寬度取3～5倍開(kāi)挖跨度[14],計(jì)算模型尺寸為70 m×30 m×48 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型底面邊界施加豎向固定約束,四周邊界施加水平固定約束,頂面邊界為自由面,計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

超前小導(dǎo)管外插角10°～15°,等效彈性模量為

(1)

式中，Ed為小導(dǎo)管等效彈性模量；E1為小導(dǎo)管內(nèi)漿液彈性模量；E2為小導(dǎo)管彈性模量；I1為小導(dǎo)管內(nèi)漿液慣性矩；I2為小導(dǎo)管慣性矩。

鋼拱架計(jì)算時(shí)也是采用等效剛度的方法折算到初期支護(hù)中[15]。折算后的初期支護(hù)彈性模量為

(2)

式中，Ec為折算后初期支護(hù)彈性模量；E0為混凝土彈性模量；Sg為鋼拱架截面積；Eg為鋼拱架彈性模量；Sc為初期支護(hù)截面積。深孔注漿、超前小導(dǎo)管注漿加固區(qū)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表4所示。

表4 結(jié)構(gòu)單元計(jì)算參數(shù)

4.2 施工步序

(1)初始地應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算[16]；

(2)打設(shè)導(dǎo)洞1、導(dǎo)洞2超前導(dǎo)管,預(yù)留核心土法開(kāi)挖上臺(tái)階,施作初期支護(hù),打設(shè)鎖腳錨管；

(3)開(kāi)挖導(dǎo)洞1、導(dǎo)洞2下臺(tái)階并施作臨時(shí)支撐；

(4)開(kāi)挖導(dǎo)洞3、導(dǎo)洞4并施作初期支護(hù)及臨時(shí)支撐；

(5)打設(shè)導(dǎo)洞5超前導(dǎo)管,預(yù)留核心土法開(kāi)挖上臺(tái)階,施作初期支護(hù)；

(6)開(kāi)挖導(dǎo)洞5下臺(tái)階并施作臨時(shí)支撐；

(7)開(kāi)挖導(dǎo)洞6并施作初期支護(hù)；

(8)截?cái)嗑植颗R時(shí)支撐；

(9)澆筑底板及拱腳二次襯砌；

(10)截?cái)嗍Ｓ嗯R時(shí)支撐；

(11)澆筑側(cè)墻及拱部二次襯砌,封閉成環(huán)。

4.3 結(jié)果分析

(1)地表沉降呈對(duì)稱分布,沉降槽為“V”形,沉降槽寬度系數(shù)(即沉降槽曲線反彎點(diǎn)與隧道中心線之間的水平距離)約為15 m,即距離隧道外輪廓以外約11 m,如圖3所示。地表沉降槽寬度系數(shù),本文采用O’Reilly[17]提出來(lái)的計(jì)算公式

(3)

式中，H為隧道軸線處的埋深,從而可得k=1.25。

圖3 地表及不同埋深處地層沉降槽曲線

(2)從圖3不同埋深處的地層沉降槽曲線還可以得到,地表最大沉降量為23.7 mm,拱頂最大沉降為37 mm,從拱頂?shù)降乇?隨著埋深的增大,其最大沉降量逐漸減小,這可由Peck公式推導(dǎo)得出。因?yàn)榈乇沓两挡鄣捏w積等于地層損失的體積,故不同深度處的值會(huì)逐漸變化[18]。

(3)各不同施工步下隧道中心線處地表沉降如圖4所示,可以看出：上導(dǎo)洞上臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)地表沉降的影響較大,施工時(shí)應(yīng)對(duì)拱頂處加強(qiáng)注漿；另外,兩側(cè)上、下導(dǎo)洞施工會(huì)對(duì)地面沉降產(chǎn)生“疊加”效應(yīng),上、下導(dǎo)洞施工時(shí)應(yīng)錯(cuò)開(kāi)足夠的距離,計(jì)算時(shí)上、下導(dǎo)洞錯(cuò)開(kāi)距離分別按6，8，10，12 m進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明隧道中心處的最大沉降值變化不明顯。但是錯(cuò)開(kāi)距離越小,地表沉降槽寬度系數(shù)和土體塑性區(qū)增大較明顯,結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)上、下導(dǎo)洞不同錯(cuò)開(kāi)距離的地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果,建議上、下導(dǎo)洞錯(cuò)開(kāi)距離不小于10 m。

圖4 隧道中心線處地表沉降曲線

(4)通過(guò)調(diào)整鎖腳錨管的剛度,得出鎖腳錨管剛度對(duì)上導(dǎo)洞下臺(tái)階施工時(shí)沉降有一定的影響,但影響較小。

(5)計(jì)算時(shí)通過(guò)對(duì)上導(dǎo)洞(即1、2、5導(dǎo)洞)核心土的留舍可以得出：預(yù)留核心土可以改善掌子面的穩(wěn)定性,有效減少塑性區(qū)的范圍,同時(shí)可以減小拱頂沉降,現(xiàn)場(chǎng)施工也印證了這一點(diǎn)。核心土的預(yù)留長(zhǎng)度建議不小于2 m,核心土面積應(yīng)占上臺(tái)階開(kāi)挖面積的50%以上[19]。

(6)從圖4還可以看出,臨時(shí)支撐的拆除會(huì)引起一定的地表沉降和拱頂沉降[20],因此臨時(shí)支撐應(yīng)分段拆除。根據(jù)計(jì)算分析,拆除長(zhǎng)度分別為6，8，10，12 m時(shí),因拆除支撐所占總沉降的比值分別為5%，5%，6%，8%,建議沿隧道縱向臨時(shí)支撐拆除長(zhǎng)度不宜大于10 m。

圖5 主要施工步完成后土體的塑性區(qū)狀態(tài)

(7)由于本次深孔注漿僅加固拱腰以上區(qū)域,未加固拱腰下部及拱腳部位的土體,故此部位出現(xiàn)較大塑性區(qū),如圖5所示。對(duì)于粉細(xì)砂地層,拱腰及拱腳也是薄弱位置,注漿范圍應(yīng)擴(kuò)大至拱腳以上區(qū)域,否則下導(dǎo)洞施工時(shí),砂層脫落導(dǎo)致側(cè)墻出現(xiàn)較大的超挖,進(jìn)一步加大地表沉降。

5 監(jiān)控量測(cè)

暗挖施工前進(jìn)行地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè),如圖6所示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的地表沉降曲線如圖7所示。

由于在深孔注漿過(guò)程中注漿壓力的變化,導(dǎo)致在局部位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移上升,但沉降曲線趨勢(shì)與圖3和圖4的計(jì)算結(jié)果基本保持一致。

圖6 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)(單位：m)

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)粉細(xì)砂注漿試驗(yàn)研究,并結(jié)合數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)施工和監(jiān)測(cè),針對(duì)無(wú)水粉細(xì)砂地層雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工得出以下結(jié)論。

(1)采用注漿加固,可以有效提高土體的含水量、黏聚力、內(nèi)摩擦角和壓縮模量,從而提高粉細(xì)砂的自穩(wěn)能力。

(2)上導(dǎo)洞施工引起的沉降量較大,應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)此部位的注漿。

(3)根據(jù)數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,粉細(xì)砂地層大斷面暗挖上、下臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)距離不宜小于10 m。

(4)上導(dǎo)洞上臺(tái)階施工時(shí)應(yīng)預(yù)留核心土,長(zhǎng)度不小于2 m,核心土面積占上臺(tái)階開(kāi)挖面積不少于50%。

(5)臨時(shí)支撐破除時(shí)對(duì)沉降有一定影響,破除時(shí)應(yīng)分段破除,根據(jù)數(shù)值計(jì)算及初期支護(hù)和地表監(jiān)測(cè)結(jié)果,建議一次破除長(zhǎng)度不大于10 m。

(6)從塑性區(qū)發(fā)育狀態(tài)來(lái)看,對(duì)于粉砂層的超前深孔注漿加固,不應(yīng)僅加固拱頂范圍,除仰拱范圍外,拱腳以上部位均應(yīng)進(jìn)行注漿加固。