王小林 高海通 孟敏強(qiáng)，2 王 磊

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,710054,西安；2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，400450，重慶∥第一作者,副教授)

隧道穿越飽和軟黃土合理注漿半徑范圍研究

王小林1高海通1孟敏強(qiáng)1，2王 磊1

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,710054,西安；2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，400450，重慶∥第一作者,副教授)

以西安地鐵某號線穿越飽和軟黃土地段為研究對象,針對施工中采用的全斷面注漿加固地層措施,分析其合理的注漿半徑。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,重點(diǎn)分析地鐵隧道穿越飽和軟黃土地層時(shí)不同注漿半徑下的圍巖豎向變形,并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),確定合理的注漿半徑。分析結(jié)果表明,針對本工程實(shí)際地質(zhì)水文條件,合理的注漿半徑為2～3 m。其可為類似地質(zhì)條件下的工程提供借鑒。

地鐵; 隧道施工; 飽和軟黃土; 注漿半徑

First-author′s address College of Architecture and Civil Engineering, Xi′an University of Science and Technology,710054,Xi′an,China

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》[1],飽和黃土指飽和度大于80%且濕陷性已經(jīng)退化了的黃土,其可以分為兩類,一類是一般飽和黃土,一類為飽和軟黃土。西安地鐵勘查資料顯示,興慶湖周邊一定區(qū)域內(nèi)分布有飽和軟黃土,地鐵1號線、2號線、3號線、5號線沿線地層存在著一定厚度、連續(xù)的飽和軟黃土[2]。在西安地鐵隧道建設(shè)中,合理處理飽和軟黃土地層是施工中面臨的一個(gè)重要難題。為此,國內(nèi)學(xué)者開始將目光轉(zhuǎn)入飽和軟黃土地層地鐵隧道的施工研究中[3-6],其研究成果對工程建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),以地鐵區(qū)間隧道穿越飽和軟黃土地層段為研究對象,設(shè)計(jì)采用全斷面注漿加固。為確保其順利施工,且考慮經(jīng)濟(jì)性,研究全斷面注漿的合理范圍。

1 工程概況

西安地鐵某號線一期工程線路全長25.353 km,其中地下線長 24.136 km,采用盾構(gòu)法+礦山法施工。沿線場地近700 m長范圍分布有飽和軟黃土,其層厚2.70～14.60 m,層底深度10.90～17.80 m。飽和軟黃土地層屬較弱土體,降低地下水時(shí)易造成該段落沿線周邊鄰近建筑物過大附加沉降及地面沉降,故在該地層中采用暗挖法施工。穿越飽和軟黃土地層隧道斷面為馬蹄形,長約448 m,隧道斷面尺寸為5.4 m×6.2 m,襯砌厚度為0.3 m。根據(jù)實(shí)際工況,對地鐵隧道穿越飽和軟黃土地段進(jìn)行全斷面注漿加固。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

2.1 工程地質(zhì)

2.2 水文地質(zhì)

該區(qū)間場地地下水屬潛水類型,場地潛水賦存于上更新統(tǒng)殘積古土壤、中更新世風(fēng)積黃土和沖積粉質(zhì)黏土及其砂夾層中。主要含水層為中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土,中砂夾層,透水性好,賦水性強(qiáng),層厚0.50～8.20 m。據(jù)西安市多年水位觀測資料,擬建場地低水位期為7～9月,高水位期為12月至翌年3月,水位年變幅2 m左右。

3 注漿半徑有限元數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

本工程利用Ansys數(shù)值模擬軟件建立模型,隨后導(dǎo)入FLAC3D巖土工程有限差分軟件進(jìn)行模擬分析,最后導(dǎo)入Tecplot軟件進(jìn)行后處理[7]。圖1所示為本區(qū)間土層圖及隧道所處位置。根據(jù)隧道開挖對圍巖的影響范圍,選擇合理的區(qū)域建立數(shù)值模擬分析模型。由于隧道穿越飽和軟黃土地段較長,為簡化起見,取隧道長度為48 m,故三維模型尺寸為54.9 m(長)×48 m(寬)×43 m(高),如圖2所示。將建立的模型導(dǎo)入FLAC3D軟件中,可知在FLAC3D中共劃分52 430個(gè)節(jié)點(diǎn),49 536個(gè)三維網(wǎng)格單元。簡化隧道基本尺寸如下:拱頂位于地面以下12 m,隧道斷面尺寸為5.4 m×6.2 m,注漿材料采用C30混凝土,初期支護(hù)采用噴射混凝土支護(hù)。

結(jié)合工程地質(zhì)勘察單位提供的巖土工程勘察設(shè)計(jì)參數(shù)建議,并將模型范圍內(nèi)巖土力學(xué)性質(zhì)相近的土層進(jìn)行合并簡化,反演計(jì)算出模型土層的主要物理參數(shù)[8],主要提高比例為:彈性模量提高50%,粘聚力提高45%,摩擦角提高2°,重度提高6%。主要參數(shù)如表1所示。

圖1 區(qū)間土層圖

圖2 隧道計(jì)算模型

表1 主要土層物理參數(shù)及支護(hù)材料

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本模型選取6種不同的注漿半徑對隧道施工分別進(jìn)行數(shù)值模擬。建模時(shí)取注漿半徑為0(未注漿)、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m和3.5 m,其地層豎向變形圖(Z-Disp)如圖3～9所示。在Tecplot軟件中,圖3～6采用切片模式,為x=2.45 m、y=24 m和z=2.45 m;圖7～9采用模型豎向位移云圖。

由圖3可知,在未采用加固注漿(即加固半徑為0)時(shí),隨著開挖掘進(jìn)完成,地層的最大沉降值為

圖3 圍巖豎向位移(未加固注漿)

圖4 圍巖豎向位移(注漿半徑1.0 m)

13.741 cm,發(fā)生在隧道頂部;而地層最大隆起值為27.818 cm,發(fā)生在隧道底部,其超過了允許值,甚至有可能造成塌陷,故必須采用全斷面注漿加固。

由圖4可知,在采用加固注漿(加固半徑為1.0 m)時(shí),隨著開挖掘進(jìn)完成,地層的最大沉降值為4.797 4 cm,發(fā)生在隧道開挖開始;而地層最大隆起值為6.239 3 cm,也發(fā)生在隧道開挖開始,底部有一個(gè)隆起過程,沉降值與隆起值明顯減小。在隧道開挖后半部分,隧道的沉降處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 圍巖豎向位移(注漿半徑1.5 m)

圖6 圍巖豎向位移(注漿半徑2.0 m)

由圖5可知,在采用加固注漿(加固半徑為1.5 m)時(shí),隨著開挖掘進(jìn)完成,地層的最大沉降值為4.189 3 cm,發(fā)生在隧道開挖開始;地層最大隆起值為5.406 3 cm,也發(fā)生在隧道開挖開始,底部有一個(gè)隆起過程,但沉降值與隆起值有減小趨勢。

由圖6可知,在采用加固注漿(加固半徑為2.0 m)時(shí),隨著開挖掘進(jìn)完成,地層的最大沉降值為 3.801 1 cm,發(fā)生在隧道開挖開始;地層最大隆起值為4.767 3 cm,發(fā)生在隧道開挖開始,底部有隆起,沉降值與隆起值減小。

由圖7可知,在采用加固注漿(加固半徑為2.5 m)時(shí),隨著開挖掘進(jìn)完成,地層的最大沉降值為3.465 5 cm,發(fā)生在隧道開挖開始;地層最大隆起值為4.257 3 cm,亦發(fā)生在隧道開挖開始,底部有隆起,沉降值與隆起值減小。

圖7 圍巖豎向位移(注漿半徑2.5 m)

圖8 圍巖豎向位移(注漿半徑3.0 m)

由圖8可知,在采用加固注漿(加固半徑為3 m)時(shí),隨著開挖掘進(jìn)完成,地層的最大沉降值為3.216 1 cm,發(fā)生在隧道開挖開始;地層的最大隆起值為3.901 6 cm,亦發(fā)生在隧道開挖開始,底部有隆起,沉降值與隆起值減小。

由圖9可知,在采用加固注漿(加固半徑為3.5 m)時(shí),隨著開挖掘進(jìn)完成,地層的最大沉降值為3.021 0 cm,發(fā)生在隧道開挖開始;地層最大隆起值為3.561 2 cm,也發(fā)生在隧道開挖開始,底部有隆起,沉降值與隆起值減小。

圖9 圍巖豎向位移(注漿半徑3.5 m)

由數(shù)值模擬結(jié)果可知,全斷面注漿加固地層對于控制地層沉降的效果是顯而易見的。隨著注漿半徑的逐步增大,地層的最大沉降值及隆起值逐漸減小,最后趨于穩(wěn)定。如圖10所示。在地鐵建設(shè)中,隧道施工時(shí)地層最大沉降量控制在3.5 cm左右。通過數(shù)值模擬分析,當(dāng)加固地層注漿半徑為2.5 m時(shí),地層最大沉降量為3.46 cm。故本工程隧道穿越飽和軟黃土地層注漿半徑設(shè)計(jì)時(shí),可采用2.5 m,注漿范圍及經(jīng)濟(jì)需求均符合工程施工要求。

圖10 地層沉降量及隆起量隨注漿半徑變化曲線

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn) ,隨著注漿半徑的增大,注漿壓力也會隨之增大。過大的注漿壓力會直接造成原有地層的破壞,反而不利于地鐵的施工,且大的注漿半徑必定會造成工程投資增大,造成浪費(fèi)。根據(jù)上述分析并結(jié)合工程實(shí)際情況,對于本工程來說,合理的注漿半徑為2～3 m即可。

4 結(jié)論

對不同注漿半徑情況下地層的沉降與隆起量進(jìn)行對比分析,得到如下結(jié)論:

(1) 地層注漿半徑的增大,也就是圍巖強(qiáng)度的增強(qiáng),使圍巖自穩(wěn)性得到提高,地層的沉降和隆起量減小。數(shù)值模擬結(jié)果可運(yùn)用于隧道穿越飽和軟黃土地層的研究以及實(shí)際工程采取全斷面注漿加固措施中。

(2) 利用數(shù)值模擬軟件,分別分析不同注漿半徑下的地層沉降與隆起量,結(jié)果表明,在2 m到3 m時(shí),其值處于合理的范圍且經(jīng)濟(jì)效果最為明顯。所以,合理的注漿半徑為2～3 m,工程中實(shí)際采用為2.5 m。

(3) 對于飽和軟黃土地層的注漿,要嚴(yán)格控制其注漿壓力,并隨時(shí)分析觀察漿液的充填情況。當(dāng)?shù)貙拥淖{效果未達(dá)到要求時(shí),應(yīng)及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)或者進(jìn)行二次補(bǔ)償注漿,直至達(dá)到工程要求。

(4) 通過數(shù)值模擬軟件得出合理的注漿半徑為2～3 m,沉降量符合實(shí)際工程要求,對于本工程的建設(shè)起到了指導(dǎo)作用,同時(shí)可為類似工程提供借鑒。

[1] 《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊[M].4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[2] 高虎艷,鄧國華.飽和軟黃土的力學(xué)與工程性質(zhì)分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2012,10(3):38.

[3] 韓日美,王彥臻.飽和軟黃土地鐵隧道施工地表沉降分析與預(yù)測[J].都市快軌交通,2012,25(2):74.

[4] 溫克兵.盾構(gòu)下穿飽和軟黃土地層地表沉降分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2011(3):51.

[5] 賀農(nóng)農(nóng),李攀,邵生俊,等.西安地鐵隧道穿越飽和軟黃土地段的地表沉降監(jiān)測[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào),2012,34(1):96.

[6] 曹振,雷斌,張豐功.地鐵濕陷性黃土暗挖隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)及控制措施[J].城市軌道交通研究,2013(3):97.

[7] 鄧紅衛(wèi),朱和玲,周科平,等.基于FLAC3D數(shù)值模擬的前后處理優(yōu)化研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2007,28(2):62.

[8] 王春波,丁文其,王軍.深基坑工程土層反分析方法探討研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2011,7(增2):1638.

Study on Reasonable Grouting Radius of Tunnel Crossing through Saturated Soft Loess

WANG Xiaolin, GAO Haitong, MENG Minqiang,WANG Lei

Taking a subway tunnel in Xi'an City as the research target, which crosses through the saturated soft loess, the reasonable radius is analyzed by adopting the whole section grouting to reinforced the formation in the construction. FLAC3D numerical simulation software is applied to study on the vertical strata deformation in different grouting radiuses when the tunnel crosses through the saturated soft loess. Combined with engineering experiences, the reasonable grouting radius is determined. The analyzed result shows that the reasonable grouting radius is about 2 ～ 3 m in view of the practical geological and hydrological conditions of the project. This reaserch can be taken as a reference for similar projects.

subway; tunnel construction; saturated soft loess; grouting radius

U 455.49

10.16037/j.1007-869x.2017.01.015

2015-04-03)