富水地層深孔注漿加固區(qū)暗挖施工滲流特征研究

徐萬春， 劉 光， 劉曉陽，

(1.中鐵四局集團(tuán)有限公司城市軌道交通工程分公司, 安徽合肥 230000;2.中鐵四局集團(tuán)有限公司, 安徽合肥 230000;3.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

地鐵線路的持續(xù)增加擴(kuò)展不可避免遇到越來越多的復(fù)雜地層環(huán)境。常遇到圍巖軟弱破碎且富水，圍巖開挖后不能自穩(wěn)，地下水大量滲入隧道，引發(fā)坍塌及地表過大沉降，進(jìn)而導(dǎo)致工程建設(shè)受阻的情況。文章依據(jù)深圳地鐵10號(hào)線下穿4號(hào)線福田口岸站站前35 m隧道工程為依托，對(duì)富水地層深孔注漿加固區(qū)暗挖施工滲流特征展開研究，得到相關(guān)結(jié)論，以期為類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

深圳地鐵10號(hào)線福田口岸站—福民站區(qū)間隧道垂直近接下穿既有4號(hào)線福田口岸站，與新修10號(hào)線福田口岸站間距35 m，其平面關(guān)系見圖1。由于4號(hào)線福田口岸車站地下連續(xù)墻及站底4根支撐樁侵入隧道修建范圍，隧道穿越時(shí)需將其破除。因此福田口岸站—福民站區(qū)間隧道采用盾構(gòu)施工和礦山法施工兩種工法，福民站始發(fā)至4號(hào)線福田口岸站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工；區(qū)間下穿4號(hào)線福田口岸站至接收采用礦山法施工，以便對(duì)侵入?yún)^(qū)間隧道范圍地下連續(xù)墻進(jìn)行處理，隨后盾構(gòu)磨除侵入部分地下連續(xù)墻。

圖1 深圳地鐵10號(hào)線與4號(hào)線福田口岸站平面位置關(guān)系

深圳地鐵10號(hào)線與4號(hào)線福田口岸區(qū)間段，穿越的主要地層為素填土、淤泥質(zhì)黏性土、粗砂、卵石、中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖(地質(zhì)剖面圖見圖2)等，地下水豐富，不同風(fēng)化程度巖層的強(qiáng)度沿深度變化劇烈，地層軟硬不均表現(xiàn)十分明顯。大量的工程實(shí)踐表明，在這類地層中采用暗挖法開挖隧道，會(huì)引起較大的地表沉降，而且地表沉降變化規(guī)律也十分復(fù)雜。

圖2 福田口岸站區(qū)間地質(zhì)縱剖面

2 工程重難點(diǎn)分析

由于暗挖段地質(zhì)條件差，圍巖等級(jí)多為Ⅵ級(jí)，開挖后圍巖不能自穩(wěn)，極易坍塌。地下水滲透會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生軟化作用，圍巖由硬塑變?yōu)檐浰軤顟B(tài)，甚至變?yōu)榱魉軤顟B(tài)，產(chǎn)生大變形而喪失穩(wěn)定性。如果沙層富含地下水，會(huì)形成流砂層，隧道洞周圍巖以及掌子面很難穩(wěn)定，且若初期支護(hù)不當(dāng)，流砂會(huì)涌入隧道內(nèi)形成大的坍塌、涌沙，因此，在流固耦合相互作用下，位移場和應(yīng)力場的變化將會(huì)更加復(fù)雜。

綜上可見，深圳地鐵10號(hào)線與4號(hào)線福田口岸站區(qū)間工程暗挖段礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)較大，如何控制礦山法隧道開挖后圍巖變形及地表沉降是保證軟弱富水地層順利施工的關(guān)鍵。

3 施工過程數(shù)值仿真分析

3.1 數(shù)值模型建立

利用FLAC3D軟件建立了三維滲流數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)富水軟弱地層雙洞隧道暗挖施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。數(shù)值模型中，左、右線隧道兩側(cè)采用三排旋噴樁，并與10號(hào)線車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和4號(hào)線車站地連墻形成封閉止水。左、右線隧道開挖前，對(duì)掌子面進(jìn)行深孔注漿加固，深孔注漿加固范圍為導(dǎo)洞開挖輪廊線外3 m。左、右線隧道開挖斷面直徑均為6.6 m，凈距10.2 m，模型邊界從左、右隧道外側(cè)邊界向外擴(kuò)展60 m，縱向全長60 m，實(shí)際隧道開挖段長35 m，上邊界取隧道埋深16.8 m，下邊界距隧道底部30 m，由于該暗挖區(qū)間段處于富水地層中，模型各邊界均設(shè)為透水邊界(即固定邊界孔隙水壓力)，地下水位位于地表以下2.5 m左右，具體計(jì)算模型如圖3所示。模型的建立過程中，地層采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，對(duì)于旋噴樁、車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及初期支護(hù)等均用實(shí)體單元建模，采用彈性本構(gòu)模型，且均設(shè)為不透水模型，中隔板同樣采用不透水殼結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，此外，隧道全斷面注漿加固則通過提高注漿區(qū)范圍參數(shù)，并降低滲透系數(shù)的方法進(jìn)行模擬。

圖3 注漿加固示意

3.2 數(shù)值模擬過程

數(shù)值模擬計(jì)算隧道開挖的施工過程主要分為以下5個(gè)步驟：

(1)按照施工設(shè)計(jì)以及計(jì)算參數(shù)建立模型，模型的四周和底部的邊界條件為法向約束，地表為自由邊界條件，模型各邊界均設(shè)為透水邊界(即固定邊界孔隙水壓力)，然后在自重條件及孔隙水壓力場下求解至平衡，將位移場及速度場清零。

(2)首先對(duì)擬開挖隧道開挖斷面進(jìn)行深孔注漿加固，通過提高加固區(qū)范圍內(nèi)的土體力學(xué)參數(shù)及降低滲透系數(shù)的方式進(jìn)行模擬。每次循環(huán)加固長度為9 m，加固后均在重力場及孔隙水壓力場下聯(lián)合作用下求解至平衡。

(3)然后進(jìn)行隧道開挖，先開挖左線隧道，然后再開挖右線隧道，兩隧道錯(cuò)距12 m，開挖進(jìn)尺控制為2.4 m?？紤]到實(shí)際開挖施工進(jìn)度，上臺(tái)階開挖后至初期支護(hù)施做的時(shí)間間隔設(shè)定為4 h，為模擬這段時(shí)間內(nèi)隧道-地層系統(tǒng)位移場、應(yīng)力場及滲流場的變化，將掌子面和洞周孔隙水壓力設(shè)置成0(隧道開挖后，地下水從掌子面和洞周滲流進(jìn)隧道內(nèi)，掌子面和洞周孔隙水壓力下降至0)，然后進(jìn)行流固耦合計(jì)算。

(4)接著施作初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和中隔板(初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和中隔板均為不透水模型)，將開挖進(jìn)尺范圍內(nèi)洞周設(shè)定為不透水邊界，但仍保持掌子面為透水邊界，進(jìn)行流固耦合計(jì)算。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工進(jìn)度，滲流時(shí)間也控制在4 h左右。

(5)依次循環(huán)(2)、(3)、(4)步驟(隧道每循環(huán)進(jìn)尺開挖3次后，即開挖7.2 m后)，再進(jìn)行全斷面深孔注漿加固，按以上步驟循環(huán)開挖，直至左、右線隧道開挖完畢。

4 監(jiān)測點(diǎn)布置

為分析深圳地鐵10號(hào)線暗挖段礦山法施工預(yù)處理侵入隧道內(nèi)既有結(jié)構(gòu)工程中開挖雙洞地鐵隧道后地層變形及地表沉降的規(guī)律，對(duì)隧道-地層系統(tǒng)特定位置或斷面的變形進(jìn)行研究。首先，在地表布置三條縱向測線，分別為左、右線隧道縱向中線正上方和雙線隧道中線正上方地表(測線每隔1.2 m布置一個(gè)測點(diǎn))；在開挖區(qū)間中部地表設(shè)置一條垂直隧道軸線的測線(測線每隔1.0 m布置一個(gè)測點(diǎn))，如圖4所示。其次，設(shè)置了如圖5所示的5個(gè)典型監(jiān)控?cái)嗝?，?duì)這些位置的變形進(jìn)行研究。

圖4 地表沉降測線布置示意

圖5 典型監(jiān)控?cái)嗝娌贾檬疽?/p>

在數(shù)值模擬計(jì)算中，對(duì)不同開挖階段的地表沉降變化規(guī)律和地下水滲流特征進(jìn)行研究分析，以確保左右線隧道開挖各個(gè)階段的安全與穩(wěn)定。具體地，分三個(gè)階段進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，分別為：

(1)階段一，即左線隧道開挖至中部(開挖長度達(dá)到18 m時(shí)刻)，此時(shí)右線隧道開挖長度達(dá)到8 m左右。

(2)階段二，即左線隧道開挖完成，且右線隧道開挖至中部位置時(shí)刻。

(3)階段三，即車站區(qū)間內(nèi)左右線暗挖隧道開挖均完成時(shí)刻。綜上，本次研究也就主要從這三個(gè)施工開挖階段的孔隙水壓力變化、孔隙水滲流特征等分析研究深孔注漿對(duì)地下水滲流規(guī)律的影響。

5 施工過程孔隙水壓力及滲流變化規(guī)律分析

圖6給出了監(jiān)控?cái)嗝?孔隙水壓力云圖及孔隙水滲流矢量分布圖，圖7為監(jiān)控?cái)嗝?孔隙水壓力云圖及孔隙水滲流矢量分布圖，圖8為監(jiān)控?cái)嗝?孔隙水壓力云圖及孔隙水滲流矢量分布圖。結(jié)合以上數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果圖，綜合分析深孔注漿加固后該暗挖區(qū)間隧道開挖過程中地下水滲流變化規(guī)律，可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

圖6 監(jiān)控?cái)嗝?地層孔壓云圖及孔隙水滲流矢量分布(單位：Pa)

圖7 監(jiān)控?cái)嗝?地層孔壓云圖及孔隙水滲流矢量分布(單位：Pa)

圖8 監(jiān)控?cái)嗝?地層孔壓云圖及孔隙水滲流矢量分布(單位：Pa)

(1)從圖6和圖7(垂直于隧道軸線平面和平行隧道軸線平面(監(jiān)控?cái)嗝?、2)地下孔隙水滲流矢量變化及孔壓云圖)中可以發(fā)現(xiàn)，在隧道開挖過程中，孔隙水會(huì)集中向隧道內(nèi)流入，洞周孔隙水壓力降低，但是，由于進(jìn)行了深孔注漿加固，在加固區(qū)范圍內(nèi)孔隙水滲流速度明顯弱于加固區(qū)外；另外，由于止?jié){巖盤的存在，隧道后方未開挖段的孔隙水也產(chǎn)生明顯的滲流規(guī)律，繞過止?jié){巖盤向洞周和掌子面向隧道洞周滲流入開挖隧道內(nèi)(未施作初期支護(hù)結(jié)構(gòu)前)。同時(shí)，在隧道開挖后，施作完初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，由于不透水的初期支護(hù)存在，洞周的孔隙水壓力也逐漸恢復(fù)。

(2)從圖8(隧道拱頂部位的孔隙水滲流矢量變化和孔壓云圖)中可以看到，在隧道開挖中，掌子面孔隙水壓力降低，而距掌子面一定距離的已開挖段孔隙水壓力逐漸恢復(fù)，孔隙水從未開挖隧道后方向隧道內(nèi)流入，并且由于兩隧道外側(cè)的旋噴樁加固止水的作用，隧道開挖過程中，地下水滲流只能顯著影響到兩側(cè)旋噴樁內(nèi)側(cè)的區(qū)域。可見，在兩隧道外側(cè)采用旋噴樁加固止水可以較好的控制地表沉降。

6 結(jié)束語

深圳地鐵10號(hào)線與4號(hào)線福田口岸站區(qū)間暗挖段礦山法施工開挖過程中，通過采用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，采用完全流固耦合計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)全斷面注漿加固后開挖地層孔隙水滲流進(jìn)行了綜合分析，得到了10號(hào)線隧道開挖過程中地層孔壓、地下孔隙水滲流變化規(guī)律等結(jié)果，并得到了如下結(jié)論:

(1)對(duì)掌子面進(jìn)行全斷面注漿加固不僅可以有效抑制地下水大量從開挖洞周和掌子面流入隧道，極大地避免了地下水滲流洞周圍巖的直接弱化作用，而且可以對(duì)隧道突發(fā)涌水以及洞周、掌子面圍巖的坍塌起到一定的防范作用。

(2)兩隧道外側(cè)的旋噴樁起到加固止水的作用，隧道開挖過程中，地下水滲流只能顯著影響到兩側(cè)旋噴樁內(nèi)側(cè)的區(qū)域。因此，在兩隧道外側(cè)采用旋噴樁加固止水可以較好的控制地表沉降。