周 梁，廖少明，史寧強(qiáng)，李家平

(1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海200092;2.林同炎國(guó)際工程咨詢(xún)有限公司，重慶400015;3.上海地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司監(jiān)護(hù)分公司，上海200003)

1 背景

上海早期建設(shè)的地鐵埋深較淺，且所處土層為淤泥質(zhì)黏土層和粉質(zhì)黏土層，這兩層土含水量及靈敏度較高，在隧道建設(shè)中易受到盾構(gòu)超欠挖或擾動(dòng)等因素引起施工沉降和工后沉降，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中地鐵列車(chē)的振動(dòng)增加了隧道的沉降，同時(shí)沿線(xiàn)鄰近地區(qū)大規(guī)模的工程建設(shè)也對(duì)隧道軟弱下臥土產(chǎn)生不利影響。圖1為上海地鐵1號(hào)線(xiàn)1995—1999年累計(jì)沉降曲線(xiàn)［1］，可以看出人民廣場(chǎng)站—新閘路站之間的區(qū)間隧道最大累計(jì)沉降量超過(guò)145 mm，黃陂路站—人民廣場(chǎng)站之間的區(qū)間隧道的差異沉降量也達(dá)到近90 mm。這些不均勻沉降可以導(dǎo)致隧道滲水漏泥或結(jié)構(gòu)局部破壞，給列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了隱患，因此，處理隧道沉降問(wèn)題也成為了地鐵隧道后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)的重要環(huán)節(jié)。

分析沉降原因主要有［2］:

1)隧道深部存在軟弱下臥層淤泥質(zhì)黏土層和粉質(zhì)黏土層，在該區(qū)段建設(shè)過(guò)程中受到擾動(dòng)引起初始沉降;

2)建設(shè)完成后下臥土層超孔隙水壓力消散而引起的固結(jié)沉降及次固結(jié)沉降;

3)在列車(chē)振動(dòng)荷載循環(huán)持續(xù)的作用下，隧道下臥土的震陷效應(yīng)也會(huì)對(duì)隧道引起隧道沉降［3］。

為解決隧道沉降的問(wèn)題，需對(duì)隧道軟弱下臥土層淤泥質(zhì)黏土層進(jìn)行加固，鑒于高壓旋噴樁受隧道內(nèi)施工場(chǎng)地限制，同時(shí)也會(huì)對(duì)高靈敏度的下臥土產(chǎn)生較大擾動(dòng)［4］，因此采用注漿法進(jìn)行加固。本注漿試驗(yàn)的目的是為獲得較好的注漿加固施工參數(shù)。

圖1 1995—1999年上海地鐵1號(hào)線(xiàn)累計(jì)沉降曲線(xiàn)［1］Fig.1 Cumulative settlement of Shanghai Metro Line M1 during 1995 －1999

2 注漿試驗(yàn)方案

上海地鐵某區(qū)間隧道自建成通車(chē)以來(lái)，一直處于沉降狀態(tài)，且呈不收斂趨勢(shì)，其中上行線(xiàn)最大沉降已接近120 mm，下行線(xiàn)最大累計(jì)沉降達(dá)130 mm。本試驗(yàn)場(chǎng)地鄰近該區(qū)間隧道的沉降段，對(duì)于淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行注漿試驗(yàn)，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，其土性參數(shù)為:重度 16.8 kN/m3，黏聚力 15 kPa，內(nèi)摩擦角11.1°，孔隙比 1.41，含水量 50% 。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)注漿后土體變形和孔隙水壓變化規(guī)律的分析來(lái)優(yōu)化施工參數(shù);通過(guò)靜力觸探試驗(yàn)測(cè)得注漿擴(kuò)散范圍;通過(guò)載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)注漿效果。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康闹贫ㄒ韵略囼?yàn)內(nèi)容(注漿孔及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置見(jiàn)圖2):①單段的最優(yōu)注漿量;②最優(yōu)單次注漿段數(shù);③注漿效果檢驗(yàn)。本次注漿采用單液漿，主要成分為GC灌漿材料，水灰比為0.55，密度為1.61 ～ 1.63 g/cm3，另添加水泥含量 2‰的檸檬酸以調(diào)節(jié)漿液初凝時(shí)間(試驗(yàn)中室外溫度為28～30℃時(shí)漿液初凝時(shí)間為1.5～1.75h)。注漿管結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)孔與監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置Fig.2 Layout of grouting test holes and measurements

圖3 注漿管結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of grouting pipes

2.1 單段最優(yōu)注漿量試驗(yàn)方案

單段最優(yōu)注漿量試驗(yàn)在A1孔進(jìn)行。根據(jù)以往注漿施工經(jīng)驗(yàn)，漿液擴(kuò)散半徑r為0.6m左右，每延米注漿深度上影響的土體體積為V=π×r2×h=1 130L，摻入比為20%，26%，33%時(shí)，所需注漿量為226，293，372L，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)每延米注漿段分為3次進(jìn)行，因此3個(gè)試驗(yàn)注漿量為75，100，125L/(33 cm)，具體試驗(yàn)如圖4。在淤泥質(zhì)黏土層由下至上依次進(jìn)行125，100，75L/(33 cm)的注漿試驗(yàn)，每一注漿量試驗(yàn)3次，且相鄰2次注漿時(shí)間間隔為3～5h。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括沉降監(jiān)測(cè)(深層沉降和地表沉降)，孔隙水壓力監(jiān)測(cè)。通過(guò)比較沉降量(深層、地表)的大小，得出最優(yōu)單段注漿量(125L/(33 cm)表示每33 cm的注漿深度注漿量為125L，下同)。

2.2 最優(yōu)單次注漿段數(shù)試驗(yàn)方案

本分試驗(yàn)是在上述最優(yōu)注漿量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，B1孔單次注漿段數(shù)為2段即深度為66 cm，B2孔單次注漿段數(shù)為3段即注漿深度為99 cm，B1孔與B2孔單次注漿量相同且均為單段最優(yōu)注漿量，注漿方案見(jiàn)圖5，監(jiān)測(cè)內(nèi)容與最優(yōu)注漿量試驗(yàn)相同。通過(guò)對(duì)B1與B2的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比得出最優(yōu)的單次注漿段數(shù)。

圖4 注漿量試驗(yàn)Fig.4 Grouting volume test

圖5 注漿段數(shù)試驗(yàn)Fig.5 Grouting segments test

2.3 注漿效果檢驗(yàn)試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)D7、D8孔按照最優(yōu)注漿量和最優(yōu)單次注漿段數(shù)進(jìn)行注漿，然后進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)，以獲得漿液在該土層中的擴(kuò)散范圍，同時(shí)也是對(duì)本注漿參數(shù)試驗(yàn)的加固效果檢驗(yàn)［5］。試驗(yàn)共設(shè)置了10個(gè)探測(cè)孔，與注漿孔之間距離在0.3～0.9m之間，具體位置如圖6。

圖6 探孔與D7、D8孔的相對(duì)位置Fig.6 Location of exploring hole and grouting holesD7＆D8

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

針對(duì)注漿加固過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，試驗(yàn)進(jìn)行了3次分試驗(yàn)，分別是注漿量試驗(yàn)，注漿段數(shù)試驗(yàn)和注漿效果檢驗(yàn)試驗(yàn)。通過(guò)注漿量試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析得出不同注漿量對(duì)土體的擾動(dòng)程度，以得出最優(yōu)注漿量;通過(guò)注漿段數(shù)試驗(yàn)分析不同注漿段數(shù)的組合對(duì)土體的擾動(dòng)影響，以得出最優(yōu)單次注漿段數(shù)。根據(jù)2.1和2.2得出最優(yōu)注漿控制參數(shù)，進(jìn)行注漿試驗(yàn)3，以檢驗(yàn)實(shí)際注漿效果。另外，筆者也對(duì)試驗(yàn)中注漿量與(超)孔隙水壓力，注漿量與注漿壓力之間的關(guān)系作了分析研究。

3.1 注漿量試驗(yàn)

對(duì)每延米進(jìn)行75，100，125L三種不同注漿量的試驗(yàn)且每個(gè)注漿量進(jìn)行3次，根據(jù)不同注漿量對(duì)地表(深層)土體變形影響的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到圖7和圖8。

圖7 不同注漿量對(duì)深層沉降的影響Fig.7 Effect of grouting volume on deep settlement

圖8 不同注漿量對(duì)地表沉降的影響Fig.8 Effect of grouting volume on surface settlement

分析圖7、圖8有:

1)注漿量為125L時(shí)，注漿對(duì)淤泥質(zhì)黏土層產(chǎn)生大的擾動(dòng)，擾動(dòng)的作用大于注漿所產(chǎn)生的正面效果，故發(fā)生沉降。

2)注漿量為100L時(shí)，注漿對(duì)淤泥質(zhì)黏土層產(chǎn)生的擾動(dòng)作用約等于注漿所產(chǎn)生的正面作用，兩者抵消，故土體深層和地表土體豎直位移都較小。

3)注漿量為75L時(shí)，注漿對(duì)淤泥質(zhì)黏土層產(chǎn)生的加固作用大于注漿擾動(dòng)淤泥質(zhì)黏土層帶來(lái)的負(fù)面擾動(dòng)作用，故深層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)為抬升。

綜上，得到以下結(jié)論:75L/(33 cm)的單段注漿量，不僅能起到加固作用還能夠適當(dāng)抬升原區(qū)間隧道，減少不均勻沉降值;100L/(33 cm)的單段注漿量可以在對(duì)土體擾動(dòng)較小的情況下加固土體。

3.2 注漿段數(shù)試驗(yàn)

根據(jù)軟土地基中大量注漿實(shí)踐，注漿導(dǎo)致的地面變形規(guī)律可以用參數(shù)S，ΔSmax，ΔS，ΔT表征，如圖9。其中:S為注漿引起的土體豎直位移變化;ΔSmax為注漿擠壓引起的初期最大土體豎直位移，表示注漿擾動(dòng)或擠壓程度;ΔS為注漿結(jié)束后土體位移穩(wěn)定值，表示注漿最終效果。根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得圖10和圖11。

圖9 注漿引起的土體豎直位移示意Fig.9 Schematic diagram of vertical soil displacement caused by grouting

圖10 不同注漿段數(shù)對(duì)深層沉降的影響Fig.10 Effect of grouting segments on deep settlement

圖11 不同注漿段數(shù)對(duì)地表沉降的影響Fig.11 Effect of grouting segments on surface settlement

在圖10和圖11中，ΔSmax－3表示單次3段注漿引起的最大土體豎直位移，ΔS－3表示單次3段注漿引起的土體位移穩(wěn)定值，其余類(lèi)同。由圖10可知，單次注漿段數(shù)為2時(shí)，對(duì)深層土體最大抬升值ΔSmax小，穩(wěn)定后引起的深層沉降也相對(duì)較小，接近于0。由圖11可知，單次注漿段數(shù)為2時(shí)，對(duì)地表土體最大抬升值ΔSmax大，穩(wěn)定后引起的地表沉降值相對(duì)較小，接近于0。結(jié)合圖10、圖11，每次注漿引起的地表沉降變化不大，且ΔS－2幾乎全為負(fù)值，表示注漿穩(wěn)定后地表(深層)均表現(xiàn)為沉降。但是單次注漿段數(shù)為2時(shí)無(wú)論是地表還是深層的穩(wěn)定沉降值均小于單次注漿段數(shù)為3的時(shí)候。綜合以上分析，單次注漿段數(shù)為3時(shí)對(duì)淤泥質(zhì)黏土層的擾動(dòng)較大，不利于土體加固，故選擇單次注漿段數(shù)為2是比較合理的。

3.3 靜力觸探試驗(yàn)

由觸探結(jié)果(圖12)可看到注漿前淤泥質(zhì)黏土層平均Ps值為0.65 MPa，Ps曲線(xiàn)基本無(wú)峰值;注漿后Ps曲線(xiàn)沿注漿段幾乎每一出漿段都有峰值，平均峰值為 1.3 MPa，最大峰值為 3.5 MPa，且漿液擴(kuò)散范圍在60～90 cm之間。

對(duì)比分析不同位置的靜探結(jié)果，可以得出以下結(jié)論:

1)漿液劈裂方向具有不確定性，沿不同方向漿液擴(kuò)散范圍具有不確定性，其中影響漿液擴(kuò)散范圍的有注漿壓力、注漿量、土層性質(zhì)、漿液性質(zhì)等;

2)注漿后，以注漿孔為中心，半徑為60 cm內(nèi)土體Ps值基本可提高1～1.5倍;

3)土質(zhì)均勻時(shí)，水泥漿液在淤泥質(zhì)黏土層擴(kuò)散最大距離為90 cm。

圖12 靜力觸探結(jié)果Fig.12 Results of static sounding

3.4 孔隙水壓力分析

注漿結(jié)束后，超孔隙水壓力隨時(shí)間逐漸消散，漿液強(qiáng)度逐漸變大，土體固結(jié)并被擠密，土體有效應(yīng)力、抗剪強(qiáng)度也隨之增長(zhǎng)［6］。根據(jù)2.1所做的A1孔注漿后的孔隙水壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有圖12和圖13，其中孔隙水壓力計(jì)埋深為14.1m。圖13、圖14分別給出了(超)孔隙水壓力在空間和時(shí)間上的孔隙水壓變化曲線(xiàn)。

圖13 超孔隙水壓力隨距離變化Fig.13 Excess pore water pressure changing with distance

圖14 孔隙水壓力隨時(shí)間變化Fig.14 Pore water pressure changing with time

分析圖13、圖14可知:

1)注漿對(duì)水平距離4m范圍內(nèi)的超孔隙水壓力影響顯著，且該區(qū)間內(nèi)超孔隙水壓力衰減迅速;對(duì)4m以后的孔隙水壓力影響較小，且衰減速度緩慢;對(duì)10m以外的孔隙水壓力幾乎沒(méi)有影響。

2)注漿引起的超孔隙水壓力越大，消散的速率也越快，且在4.5h后超孔隙水壓力基本消散完畢。

3.5 注漿壓力與注漿量分析

注漿壓力與注漿量在注漿過(guò)程中關(guān)系密切且相互作用。注漿壓力為漿液在地層中提供運(yùn)動(dòng)的能量，注漿量的大小也會(huì)反過(guò)來(lái)影響注漿壓力的大小。高延法［7］等研究了注漿減沉過(guò)程中注漿壓力的變化規(guī)律，M.Brantberger［8］等通過(guò)研究注漿量與注漿壓力的關(guān)系，認(rèn)為可以通過(guò)GIN=P×V來(lái)概括(P為注漿壓力，V為注漿量，GIN為常數(shù))。

通過(guò)對(duì)A1孔注漿壓力與注漿量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到圖15。由圖可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本符合P×V=C(75L·MPa)，但由于注漿量140～250L中間試驗(yàn)數(shù)量偏少，因此僅可初步作為上海地區(qū)淤泥質(zhì)黏土注漿加固控制曲線(xiàn)，有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)補(bǔ)充。

圖15 注漿壓力與注漿關(guān)系Fig.15 Relationship between grouting volume and grouting pressure

4 結(jié)語(yǔ)

本次注漿試驗(yàn)主要針對(duì)上海地區(qū)典型軟土淤泥質(zhì)黏土，進(jìn)行了注漿法加固參數(shù)試驗(yàn)，得出的主要結(jié)論有:

1)注漿量在75～100L/(33 cm)范圍之內(nèi)為適合單段注漿量。

2)單次注漿段數(shù)為2段時(shí)相對(duì)于單次注漿為3段時(shí)相對(duì)擾動(dòng)較小。

3)注漿漿液的擴(kuò)散范圍在60～90 cm之間，Ps值測(cè)試顯示對(duì)于60 cm內(nèi)的土體有良好的加固效果。

4)注漿對(duì)距注漿孔水平距離為4m的范圍內(nèi)土體孔隙水壓力影響較大，且超孔隙水壓力的消散時(shí)間在4.5h左右。

5)根據(jù)GIN注漿控制法通過(guò)對(duì)注漿壓力和注漿量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出GIN法的控制參數(shù)。

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