砂土地层浅埋暗挖隧道预加固技术研究*

汪　波　李　铮　张　哲　莫晨聪　杨　意

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室　成都　610031)



砂土地层浅埋暗挖隧道预加固技术研究*

汪波李铮张哲莫晨聪杨意

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室成都610031)

本文以在建的莞惠城际轨道交通项目为依托，利用现场试验、数值模拟和室内模型试验等手段对穿越砂土地层的浅埋暗挖隧道预加固技术进行研究，通过控制围岩-支护体系的变形，分析适宜的预加固方法、范围和参数，结论如下：洞内帷幕注浆和地表注浆均难以形成止水帷幕，选择洞内水平旋喷桩配合掌子面注浆作为穿越砂土地层的最优预加固方案；依靠增加注浆范围控制砂土地层中的拱顶沉降和水平收敛是不利的，但可加强非砂土地层的围岩整体性，对控制地表沉降也较为有利；改变加固区参数对控制砂土地层中隧道拱顶的沉降有较大帮助，注浆效果越好，围岩的自承载能力提高越大，而其水平位移几乎没有变化。

砂土地层浅埋暗挖隧道预加固技术室内模型试验现场试验

0　引　言

随着我国城市化进程的快速推进，作为连接城市间重要线路的城际铁路快速发展(He et al.，2013)。但是，当下穿城市间密集的居民区，尤其是穿越砂土地层时，由于该类岩土体几乎没有任何自稳能力，开挖时易出现具有流动特征的大变形甚至坍塌，给隧道修建造成极大的困扰，须采取合理有效地预加固处理措施以保证工程安全(张建民等，1999；王明洋等，2002)。在砂土地层中进行超前预加固已成为隧道修建的关键问题，考虑到砂土颗粒松散、黏聚力低、在动荷载作用下液化现象明显导致强度下降快等特点，注入的浆液往往随着颗粒间的缝隙流动而难以形成稳定的加固圈，因此，在该地质条件下修建隧道应采用何种有效的预加固方法、加固范围和加固参数都需要进行专项研究。目前，常见的地层预加固方法包括管棚、小导管、超前锚杆、旋喷桩、超前注浆及人工冻结法等，预加固方法虽多，但并未形成系统性成果，大多缺乏深入研究和总结，针对穿越几乎无自稳能力的砂土而言，相关研究更是鲜有涉及(陈炜韬等，2009；旷文涛等，2010；李化云等，2012；朱正国等，2013)。本文以在建的莞惠城际轨道交通项目为依托，利用现场试验、数值模拟和室内模型试验等手段对穿越砂土地层的浅埋暗挖隧道预加固技术进行研究，通过控制围岩-支护体系的变形，分析适宜的预加固方法、范围和参数，研究成果在为类似地质条件下隧道设计和施工提供安全保障的同时，对于提高我国城市复杂环境条件下隧道工程领域的总体技术水平也有重要的意义。

1　工程背景

莞惠城际轨道交通项目(简称莞惠城际)GZH-7标起于大朗镇朗常路，沿常平大道下敷设，终于常平镇九江水村，线路全长11.7km，设计时速200km·h-1。 线路沿线地貌为东江三角洲平原、冲洪积平原、剥蚀丘陵及东江冲积平原。工程区间结构形式复杂，隧道约占全线的80%，不良地质区段长，沉降控制难度大，尤其穿越砂土的浅埋暗挖隧道段是施工的关键所在。

从莞惠城际典型地质纵断面图(图1)可知，覆土表层为人工杂填土或素填土，其下为第四系冲积的粉质黏土，下伏基岩为强-弱风化混合片麻岩，岩体破碎，节理裂隙较发育。隧道拱顶段多穿越砂土地层，该地层自稳能力差，开挖造成的扰动使细砂土易发生破坏，对隧道稳定性极为不利(刘光磊等，2008；吉小明等，2009)；且洞身下部多为整体性较差的全(强)风化混合片麻岩，隧道区间围岩总体呈现出“上软下硬”的复合特征。隧道区间均为浅埋，最小埋深仅9m，且地表车流量大，周围建筑物林立，地下管线密集，施工作业空间狭小，需采取适宜的预加固措施，重点加强沉降的监控，以保证工程安全。

图1　莞惠城际典型地质纵断面图Fig.1　Typical geological profile graph of Guan￣Hui inter-city rail transit project

2　基于现场试验段的预加固方法研究

2.1现有预加固技术

复杂地质条件下修建隧道时，通常采用各种超前支护手段在开挖前对岩体进行预支护或加固，保持和利用围岩的自稳能力，国内外常用的各种地层预加固方法，其适应条件(表1)。

2.2现场试验段预加固研究

预注浆在众多地层加固方法中使用方便，适用性广，针对莞惠城际典型的砂土地层，对8号竖井区间(里程GDZK44+223～GDZK44+577)拟采用洞内帷幕注浆和地表注浆进行超前预加固现场试验以探索适宜的加固措施，具体如下：

表1　地层预加固方法一览表

Table 1　List of strata pre-reinforcement method

工法目 的围岩情况使用材料拱顶稳定掌子面稳定控制地表沉降固结止水硬岩软岩土沙机械切槽法√√√√√混凝土超前锚杆√√√钢筋、锚固剂冻结法√√√√√氨气、盐水小导管√√√√√钢管管棚√√√√√钢管预注浆√√√√√√√水泥及其他水平旋喷注浆√√√√水泥浆

2.2.1试验段注浆

2.2.1.1洞内帷幕注浆

参照帷幕注浆标准对试验段进行注浆加固，注浆结束后按设计图纸要求对加固段采取抽心检测，抽心过程中发现注浆无法达到加固效果，未形成止水帷幕，掌子面附近依然发生了严重的涌水涌砂情况(图2)。

图2　掌子面涌水涌砂Fig.2　Water inrush and gushing sand of tunnel face

2.2.1.2地表注浆

采用地表钻注一体注入双液浆加固，试验段长20m，试验时间为2个月，注浆用水泥650t。为验证试验效果，对注浆区域进行钻孔取心(图3)，取心揭示地表钻注一体注浆对砂土地层有一定效果，浆液能够扩散却并无规律，无法有效固结砂层，隧道开挖存在较大风险。

图3　试验段地表取心Fig.3　Ground coring in test section

2.2.2方案改进

上述两种预加固方案均未能较好的固结土体，围岩不具备开挖条件。分析原因可知，里程GDZK44+226～GDZK44+274存在明显的围岩突变，该区域内饱和砂层密集分布于隧道正洞拱顶附近，局部区域隧道穿越砂层；其特定的地质条件导致双液浆注入砂层后立即被稀释，随地下水流动，沿土体中薄弱地段或裂缝处扩散流失，难以形成止水帷幕(李铮等，2015)。

针对上述穿越饱和砂层特殊地质条件提出下述几种预加固方案(表2)。

表2　穿越饱和砂层预加固方案

Table 2　List of pre-reinforcement scheme when crossing the sand strata

方案对周边环境影响施工难易程度方案可控程度方案一:地面连续墙降水+洞内WSS双液注浆对地面交通及管线影响较大复杂交通及管线影响,不可控方案二:地表旋喷桩加固+洞内全半断面注浆对地面交通及管线影响较大复杂交通及管线影响,不可控方案三:洞内水平旋喷桩+掌子面注浆对地面交通无影响一般可控

对表2中预加固方案优劣性进行分析后，选用洞内水平旋喷桩+掌子面注浆作为最优方案，并再进行现场试验(图4)，取得了较好的效果，具备开挖条件。

图4　试验段地表取心(改进后)Fig.4　Ground coring in test section(improved)

3　室内模型试验研究

为研究穿越砂土地层适宜的掌子面超前预加固范围，室内模型试验采用定制的台架式钢板试验模型槽，该模型槽尺寸为4.3m×3.7m×0.8m，隧道模型尺寸为0.85m×0.90m×0.80m(图5)。

图5　模型试验装置Fig.5　Model test apparatus

3.1模型试验概况

根据工程类比分析及试验可行性确定室内模型试验采用几何相似比为CL=20，容重相似比为Cγ=1，其余参数的相似比按照相似定理推导(陶志平等，2003)。围岩按照现场勘测资料(Ⅵ级围岩段)和钻芯取样测试数据，并结合室内岩石物理力学试验资料，依次对各层岩土体进行相似材料配置，洞室上部围岩按原型砂土进行配置，注浆加固层采用在洞周上半断面范围铺设1层加固土体进行模拟，加固土体按比原位置土体围岩级别高1个等级的Ⅴ级围岩进行模拟。由于试验条件的限制，钢筋网、钢架、初喷等初支措施难以模拟，遂采用石膏材料模拟初支，其水膏比为1：1.12，通过现场浇注方式进行支护。

位移采用千分之一精度的差动变压器式位移计进行量测。地表测点布置了7个，由隧道正上方依次向左、右排列，编号分别为105～111，间距为200mm；土体中测点包括拱顶处共布置了4个，编号分别为101，102，103，104，间距250mm。监测点的布置(图6)。

图6　模型试验监测点布置图(mm)Fig.6　Model test monitoring plane(mm)

3.2试验工况

本次模型试验采用现场实际的CD法进行开挖，拟定两组模型试验如下，工况一：预加固区10cm(模拟预加固区2m)；工况二：预加固区15cm(模拟预加固区3m)。试验开挖与支护过程(图7)。

图7　试验开挖与支护过程Fig.7　The excavation and support process in experiment

3.3试验结果分析

两种工况中隧道拱顶、上覆土体和地表的沉降曲线(图8)。

图8　室内模型试验结果Fig.8　Laboratory model experiments resultsa.拱顶沉降曲线(101测点)；b.上覆土体沉降曲线(103测点)；c.地表沉降曲线(105～111测点)

由图8a可知：随加固区范围增大，拱顶沉降有所减小，但减小幅度并不大，也未出现收敛的趋势。表明增加预加固范围，对控制位于砂土地层中的拱顶沉降效果并不明显。由图8b可知：103测点并未处于砂土地层中，随加固区范围增大，其沉降值减小明显，且已逐渐收敛。表明增大预加固范围使非砂土地层的围岩整体性加强，承载能力提高，对控制围岩变形有一定帮助。由图8c可知：增大加固区范围，地表沉降大幅减小，最大减小幅度约22%，对控制地表沉降是有利的。

4　数值计算分析

为进一步验证现场试验段和模型试验结果的可靠性，采用数值分析手段进行模拟计算，研究砂土地层中加固区范围和参数对围岩-支护体系的影响。

4.1模型建立及计算参数选取

本次计算建立的模型尺寸为长×宽×高=80m×56m×32m，下边界施加竖直法向约束，左、右边界施加水平法向约束，上边界为自由面。为减小隧道开挖产生的“边界效应”(苏晓堃，2012)，在隧道轴向前后分别设置12m全断面段，CD法施工进尺为1m。计算模型(图9)，围岩的材料特性按均质弹塑性考虑，采用Druck-Prager屈服准则。考虑砂土地层软弱松散，应力场难以聚集，且隧道埋深较浅，故计算时以自重应力场为主(黄林冲等，2009)。

图9　三维数值计算模型图Fig.9　Three-dimensional numerical calculation model diagram

计算参数参考莞惠城际地勘资料、现场材料试验结果并结合《铁路隧道设计规范》选取(表3)。

表3　模型物理力学参数表

Table 3　List of mechanical parameters of physical model

名称弹性模量E/GPa泊松比υ重度γ/kN·m-3黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)素填土0.020.3618.851518粉质黏土0.080.3519.502022砂土0.130.3320.952625全(强)风化混合片麻岩0.380.3323.004231加固区土体0.500.3123.506035喷射混凝土25.000.2025.00——锚杆、拱架200.000.3078.00——临时支护28.000.2025.00——

4.2不同加固范围的模拟结果分析

数值模拟分为注浆加固层2m，3m和3.5m 3种工况进行研究，通过计算得到不同加固范围时莞惠城际段Ⅵ级围岩采用CD法开挖的围岩位移结果，以验证室内模型试验成果。选取模型中心断面为目标断面，在不同工况下，对隧道开挖目标面围岩特征点位移进行分析(图10)。

图10　不同加固区范围目标面围岩特征点位移Fig.10　Feature point displacement of target surface in different reinforcement zone rangea.不同工况目标面拱顶沉降；b.不同工况目标面拱腰收敛

由图10 可知：随加固区范围增大，拱顶沉降逐渐减小，从量值上看，其降幅并不明显，与室内模型试验结果相同，考虑到增大加固范围的成本和工期等因素，依靠增加注浆范围控制砂土地层中的拱顶沉降是不利的；而隧道水平收敛值随注浆范围增加相应增大，这是由于不断扩大的加固范围进一步增强了拱腰部位的围岩压力，而该处围岩位于砂土地层和全风化混合片麻岩的结合部，过大的岩体性状差异可能是诱发收敛增大的原因。

4.3不同加固参数的模拟结果分析

本次计算通过对国内外相关文献资料的调研(张贵金等，2015)，以改变加固区围岩的材料参数来分析加固效果，从而选取针对砂土地层较为适宜的加固参数，数值模拟选用了3种不同工况进行对比，具体参数(表4)。

表4　不同加固区岩土体参数

Table 4　Geotechnical parameters in different reinforcement area

名称弹性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)密度/kg·m-3工况一6000.3251322350工况二5000.3542.5362350工况三8000.3068382350

工况一为现场注浆加固后取心测量的实际岩土体参数，通过现场试验结果分析，比原土体在弹性模量和黏聚力上提高约50%，泊松比、内摩擦角和密度几乎没有改变(10%之内)。为与之进行对比，数值计算设置了工况二和工况三。其中，工况二的弹性模量和黏聚力在原土体基础上提高了25%，而工况三则提高了100%。通过计算可以得到不同加固区参数下，砂土地层中采用CD法开挖的围岩位移结果，确定适用于砂土地层的加固区参数。在不同加固区参数作用下，对隧道开挖目标面围岩特征点的位移进行分析(图11)。

图11　不同加固区参数目标面围岩特征点位移Fig.11　Feature point displacement of target surface in different reinforcement zone parametersa.不同工况目标面拱顶沉降; b.不同工况目标面拱腰收敛

从图11 可以看出，改变加固区参数，对控制砂土地层中隧道拱顶的沉降有较大帮助，而其水平位移几乎没有变化。注浆效果越好(围岩参数提升较大)，围岩的自承载能力提高越大，则控制拱顶沉降更加有利。

5　结　论

(1)对砂土地层进行洞内帷幕注浆和地表注浆现场试验表明，富水砂层中注入的双液浆立即被稀释并随地下水流动，沿土体中薄弱地段或裂缝处扩散流失，难以形成止水帷幕，多次试验后选择洞内水平旋喷桩配合掌子面注浆作为最优预注浆方案。

(2)室内模型试验结果表明，增加预加固范围对控制位于砂土地层中的拱顶沉降效果并不明显，但可以加强非砂土地层的围岩整体性，提高其承载能力，对控制地表沉降也较为有利。

(3)不同加固区范围的数值模拟与室内模型试验结果相同，依靠增加注浆范围控制砂土地层的拱顶沉降和水平收敛是不利的。

(4)改变加固区参数对控制砂土地层中隧道拱顶的沉降有较大帮助，注浆效果越好，围岩的自承载能力提高越大，而其水平位移几乎没有变化。

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PRE-REINFORCED TECHNOLOGY FOR SHALLOW EXCAVATION TUNNEL IN SAND GROUND

WANG BoLI ZhengZHANG ZheMO ChencongYANG Yi

(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu610031)

This article is based on the project of Guan-Hui inter-city rail transit.It uses field experiment，laboratory model experiments and numerical simulation method and develops a pre-reinforced technology for shallow excavation tunnel crossing sand ground.In analysis of the deformation of surrounding rock and supporting system suitable pre-reinforced method，scope and parameters can be obtained.The conclusions are as follows：Curtain grouting in tunnel and surface grouting are difficult to form waterproof curtain.When crossing sand strata，horizontal jet grouting and tunnel face grouting are the best pre-reinforcement scheme.Increasing grouting range is disadvantageous to control vault subsidence and horizontal convergence in sand strata，but can strengthen the integrity of the surrounding rock in unsand strata.Meanwhile，it is favourable to control the subsidence of ground.Changing the reinforced area parameter is highly advantageous to control the settlement of tunnel vault in sand strata.The better grouting quality accomplished，the greater the self-supporting capability of surrounding rock improved，while the horizontal displacement is nearly unchanged．

Sand strata，Shallow excavation tunnel，Pre-reinforced technology，Laboratory model experiments，Field test

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.020

2015-07-03;

2015-08-28.

国家自然科学基金(51378434，51578456)，广东省交通运输厅科技项目(2012-02-032)资助.

汪波(1975-)，男，博士，副教授，主要从事隧道与地下工程方向的教学与研究.Email: ahbowang@163.com

简介：李铮(1987-)，男，博士生，主要从事隧道与地下工程方向的研究工作.Email: lizheng872@163.com

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