高水位小净距暗挖隧道注浆加固及快速施工关键技术*

宁 波

(中铁七局集团西安铁路工程有限公司,陕西 西安 710032)

0 引言

随着国民经济的快速发展和城市化进程的不断推进,城区可利用的土地资源日益匮乏,为缓解居民出行与城市用地间的矛盾,地下空间工程近年来发展迅速,尤其是地铁隧道的建设极大地方便了居民出行。随着地铁隧道的不断建设,受场地条件、周边环境控制要求和不良地质等影响,隧道工程建设的难度日益增加,为减小隧道工程施工对周围环境的扰动,诸多学者开展了深入研究。

高利琴等[1]以北京地区新建小净距暗挖区间工程为背景,建立有限元模型对隧道施工过程进行了分析,总结了小净距暗挖隧道施工对既有高速铁路路基的扰动规律,为类似工程的变形控制提供了参考。曹贺凯等[2]以香山软弱破碎带小净距隧道为研究对象,结合现场监测数据得到了先、后行隧洞之间相互影响的工序控制要点。彭云涌等[3]以赣州蓉江过江隧道为研究背景,通过现场及室内试验确定了注浆对土体强度参数的影响,同时采用有限差分软件分析了小净距隧道开挖引起的地表沉降及支护变形规律,可为设计和施工提供参考。闫振虎等[4]以四川德阳白竹山1号隧道为研究背景,基于普氏平衡拱理论,提出了小净距隧道中夹岩柱上覆围岩压力计算公式,研究了小净距隧道上覆围岩压力的影响因素。李小刚等[5]依托厦门海沧疏港通道工程项目,通过爆破振动测试与声波测试对中夹岩体的爆破振动速度及围岩声波速度进行监测与分析,得到了循环爆破作用下中夹岩振动传播与损伤演化规律,确保了大跨分岔隧道高效施工。

上述研究成果为本文的研究提供了较好的研究思路,但对于黄土地层,尤其是高水位饱和软黄土地层的隧道工程研究较少,且上述研究较少涉及小净距隧道建设的相互影响。基于此,本文以西安某典型高水位小净距隧道施工为研究背景,从隧道注浆参数选取、隧道开挖工序优化等方面对高水位小净距暗挖隧道注浆加固及快速施工关键技术进行针对性研究,以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 设计概况

西安某地铁隧道采用“CRD+台阶法”进行暗挖隧道施工,暗挖段线路长170m,线路纵坡1.1%,内轨顶埋深25.3～30.6m。暗挖段隧道紧邻城市人工湖,地下水丰富且水位较高,同时暗挖段左右线净距较小(最小净距仅3.8m)。暗挖段隧道开挖断面采用9.10m×9.32m盾构空推断面,暗挖隧道初期支护厚350mm,二衬厚450mm,初期支护由喷射混凝土、钢筋网、钢格栅拱架、注浆小导管等支护型式组合而成,初支采用φ6.0@130×130 全断面钢筋网双层布置,钢格栅内、外各一层。

暗挖段距城市中心湖最近约23.85m,最近点位于暗挖段南端头,属西安市饱和软黄土发育的核心区,全区间均分布着厚度不等的饱和软黄土。暗挖段地下水属潜水类型,稳定水位埋深2m左右,该段区间隧道断面均在稳定水位以下,地下水主要由湖水地下径流及大气降水等地表水渗入补给。

1.2 工程地质条件

根据地质勘查报告可知,暗挖隧道全断面穿越粉质黏土层与老黄土层,拱顶位于粉质黏土层及老黄土层中,由于靠近城市人工湖,其饱和度较高。具体工程地质条件如表1所示。

表1 隧道沿线土体物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of soil along the tunnel

1.3 工程重难点

1)根据勘察报告可知,暗挖隧道紧邻城市人工湖,潜水位较高,稳定水位为2m,暗挖施工时易形成涌水、塌方等工程风险。

2)暗挖段左右线路净距仅为3.8m,隧道开挖面土体稳定性差,需进行注浆加固,采用WSS全断面注浆加固法易引起上部围岩隆起、先行隧道侧移变形、先行洞二次衬砌结构破坏等工程问题,因此如何控制注浆量、注浆压力以减小注浆对环境的扰动成为一大难题。

3)传统WSS全断面注浆加固工序复杂、节奏缓慢,严重影响暗挖隧道施工效率,为减小施工给周围居民带来的影响,在保证施工质量的前提下,对工艺进行优化,减小施工周期对周边环境的影响至关重要。

2 小净距隧道注浆设计与施工

2.1 施工方案设计

WSS注浆可将土颗粒间的水分挤压排出,使浆液填充土体孔隙,待浆液固结后土体渗透性降低,同时土体强度增大,达到改良土体的目的,当前WSS注浆已成为软土隧道土体加固的一种有效手段[6]。针对本工程水位高、饱和软黄土流塑性强、先后行隧道净距小的地质特点,同时结合室内外试验及工程经验选定WSS方法进行全断面注浆,实现对隧道拱圈和掌子面开挖土体的改良。

2.2 注浆孔布设

WSS注浆前,按照设计布设注浆孔,并标记其位置,钻孔施工时注浆先上后下、先外后内,采用后退式方式进行注浆,并通过现场试验及监测数据不断对注浆参数进行调整优化。

2.2.1注浆孔间距

WSS注浆加固范围为隧道初支轮廓线外2m,注浆孔直径为42mm,先行隧道注浆孔环向及径向间距为1.0～1.5m。为减小后行隧道施工对先行隧道的影响,通过现场试验及监测数据,最终确定后行隧道注浆孔环向及径向间距加密至0.8m可实现良好的注浆止水效果。WSS注浆设计如图1所示。

图1 WSS注浆设计Fig.1 WSS grouting design

2.2.2注浆孔入射角

隧道注浆会引起周围土体的挤压变形,先行隧道注浆阶段采用大角度入射至隧道间岩体,对隧道间地层进行全覆盖预加固;后行隧道注浆则采用相对垂直角度入射,仅需对隧道延线上的土体进行止水加固处理,注浆孔入射角设计如图2所示。

图2 注浆孔入射角设计Fig.2 Design of injection hole incidence angle

2.2.3注浆压力

先行隧道注浆压力设计为1.0～2.0MPa;若后行隧道注浆压力过大,极易引起隧道间土体位移、挤压先行隧道初期支护,且先、后行隧道净距较小,为减小后行隧道施工的影响,根据现场注浆试验,确定后行隧道注浆压力取0.6～1.2MPa适宜。

饱和软黄土具有强度低、承载力差、抗变形能力弱等不良工程特性[7]。为保证暗挖隧道施工安全,同时减小隧道开挖对周边环境的影响,准确分析隧道开挖引起的地表变形规律具有重要意义。

根据地质条件和施工参数建立数值分析模型。土体物理力学性质参考文献[8],支护结构施工参数如表2所示。

表2 支护结构施工参数Table 2 Construction parameters of support structure

数值模型xy平面尺寸设计为100m×50m,掘进方向z向厚度取40m,模型边界x向和y向为法向约束,z向设计为固定约束,土体模型采用M-C模型,采用六面体网格单元对结构进行划分。网格模型如图3所示。

图3 隧道开挖三维网格模型Fig.3 3D mesh model of tunnel excavation

暗挖隧道净空收敛现场监测数据和数值模拟结果如图4所示。

图4 现场监测数据与数值模拟结果Fig.4 Field monitoring data and numerical simulation results

由图4可知,数值模拟结果与现场监测数据趋势基本一致。差异原因主要是土体假设为水平匀质地层,没有考虑水渗流对变形的影响,可认为数值模拟参数取值较合理;隧道累积净空收敛持续增大,在隧道开挖12d阶段内,隧道变形明显,累积最大隧道变形达6mm左右,12d后,隧道变形速率逐渐变缓。因此在隧道开挖初期,需加强对隧道变形的监测,及时施作隧道初衬,确保隧道变形满足规范要求[9]。

为了进一步分析隧道注浆压力对隧道变形的影响,在上述数值模拟分析的基础上,设置0.8,1.2,1.5MPa 3种工况,得到注浆压力对隧道变形的影响曲线如图5所示。

图5 注浆压力对隧道变形的影响曲线Fig.5 Impact curve of grouting pressure on tunnel deformation

由图5可知,随着注浆压力的不断增大,隧道拱顶收敛增大,这主要是因为随着注浆压力的增大,隧道对周围土体的作用增大,后期随着注浆压力的卸载,土体回弹挤压隧道逐渐收敛使隧道变形增大。因此施工时需根据监测数据动态调整注浆压力的大小,防止后期隧道变形增大引起施工风险。

随着暗挖施工的开展,在土层中弥散、渗流的WSS浆液暴露在开挖面,如图6所示。由图6可知,WSS浆液分布均匀且全面,上述注浆参数设置合理,结合数值模拟隧道变形结果可知,WSS全断面注浆加固工艺可满足高水位暗挖隧道变形控制要求。

图6 WSS注浆土层分布Fig.6 Distribution of WSS grouting soil layer

3 工序转换优化

本工程小净距浅埋暗挖隧道断面均采用“CRD+台阶法”开挖,各导洞按台阶法开挖土方,待整个掌子面开挖至止浆墙后封闭掌子面,掌子面封堵采用I20,横向间距1.0m,挂双层φ8钢筋网,工字钢采用φ22连接筋连接,间距1.0m,同时喷射30cm厚C25混凝土封闭。考虑围岩变形量控制的要求,开挖轮廓外放7.5cm,同时结合监测数据进行动态调整。采用WSS注浆对地层进行止水加固时,注浆沿隧道掘进方向20～25m为一个循环,但采用WSS全断面注浆法与“CRD法+台阶法”联合施工时,注浆完成12h且浆液凝固后才能进行掌子面拆除及土方开挖,施工速度缓慢。为达到快速开挖施工的目的,进行隧道开挖及WSS注浆2个工序转换,放大Ⅰ,Ⅱ导洞与Ⅲ,Ⅳ导洞间步距,保证注浆和开挖互不干扰,提高工效,CRD法开挖支护及WSS注浆工序转换如图7所示。

图7 工序转化示意Fig.7 Transformation process

具体的实施工序如图8所示。

1)工序1 施工超前小导管并注浆,采用台阶法开挖导洞Ⅰ,施作初支。人工开挖后,喷混凝土并及时封闭掌子面,施工完毕及时施作初期支护和临时支护,初喷混凝土,安装钢筋网片,架立格栅钢架,打设锁脚锚管,复喷混凝土,严格控制开挖进尺及台阶长度(各导洞均采用上、下台阶法施工,单次进尺0.5m),导洞开挖前应在掌子面打设水平孔,探测前方土体加固情况,孔深3～5m。

2)工序2 缩短导洞Ⅱ,Ⅰ间的步距,导洞Ⅱ开挖滞后导洞Ⅰ3.0m,施工步骤与导洞Ⅰ相同。

3)工序3 导洞Ⅰ,Ⅱ到达止浆墙后一起进行WSS注浆,同时在放大Ⅱ,Ⅲ导洞间步距至8.0m的前提下同步开展导洞Ⅲ,Ⅳ的开挖,施工步骤同工序1,2。

4)工序4 导洞Ⅲ,Ⅳ开挖至止浆墙进行WSS注浆,同时导洞Ⅰ,Ⅱ注浆凝固已达到要求,可正常开始开挖进尺,施工步骤同工序1,2。

计算导洞Ⅲ,Ⅳ的开挖工效,实际开挖工效为1m/工班,导洞Ⅲ上台阶需5d开挖至止浆墙位置,下台阶将增加1～2d;Ⅳ导洞缩短步距需延长1d,因此Ⅲ导洞开挖至第2阶段注浆位置共需8d。每个导洞注浆需4d,因此待导洞Ⅲ,Ⅳ开挖至止浆墙位置时,导洞Ⅰ,Ⅱ可注浆完成,从而能及时、有效地衔接后续工序。对比4个断面同时注浆的施工方法,可更加快速地完成循环施工,同时结合注浆工艺参数的试验调整,既能保证土体的加固和止水效果,又能将下一阶段注浆对临近导洞的扰动降到最低。

4 临时仰拱格栅钢架改为型钢架

传统CRD隧道施工采用格栅拱架进行初期支护,现场注浆开挖试验阶段,格栅间距设计为0.5m,在进洞处采用4榀格栅钢架并联密排布置,在洞外加工成型,洞内安装,格栅钢架间设置纵向连接筋,环向间距为1m,每侧拱脚均设2根锁脚锚管,锁脚锚管采用φ42钢管,L=1.5m,每环设18根锁脚锚管。小净距隧道采用WSS全断面注浆可能造成先行隧道侧移变形、先行洞二次衬砌结构破坏等问题,因此需提高先行隧道初期支护结构的刚度。对于隧道净距大于5.0m的先行隧道,可适当加大格栅钢架的间距;对于隧道净距小于5.0m的先行隧道,将格栅钢架替换为型钢架,可有效抵抗注浆对隧道支护结构变形的影响。

5 结语

1)采用WSS注浆可有效保持暗挖隧道掌子面的稳定性,对于高水位、小净距隧道先行隧道注浆孔净距设计为1.0～1.5m,注浆压力为1.0～2.0MPa,后行隧道加密至0.8m,隧道变形随着注浆压力的不断增大而增大,根据目前的监测数据可知,注浆压力为0.6～1.2MPa可保持隧道稳定,同时可减小后行隧道施工对先行隧道的影响。

2)根据地质状况,在保证开挖面稳定性的前提下,调整CRD隧道开挖导洞Ⅰ,Ⅱ与导洞Ⅲ,Ⅳ间的步距可确保注浆和开挖互不干扰,提高施工工效。

3)对于隧道净距小于5m的先行隧道,将传统的临时格栅拱架改为型钢架可提高先行隧道初期支护结构的刚度,有效抵抗注浆对隧道支护结构变形的影响。