超浅埋大断面隧道注浆加固范围研究

超浅埋大断面隧道注浆加固范围研究

陈第夫

中铁隧道集团一处有限公司，重庆市渝北区400000

摘要：为研究穿越超浅埋段隧道在地表注浆后的加固效果，确保隧道开挖及后期运营过程中的安全，以实验三中隧道工程为依托，对不同地表注浆范围下隧道开挖进行二维有限元数值模拟，对比不同注浆范围下的加固效果。结果表明：地表注浆加固后，隧道支护结构最大位移及轴力分别减少46.5%和39.1%，显著提高了隧道上覆软弱围岩的完整性，增强了地层成拱能力；隧道支护结构在地表注浆加固后整体受力性能得到极大改善，且在注浆范围在隧道开挖轮廓线外0.5倍开挖宽度时，能取得安全与经济的最佳效果。

关键词  隧道工程 浅埋 地表注浆 数值分析

1 引言

近年来，城市交通路网不断完善，隧道等地下穿工程常会穿越软弱围岩等不良地质体，由于地质条件较差，在隧道施工过程中，极易发生支护开裂、塌方、地表塌陷等灾害，严重威胁施工人员安全和施工设施等财产安全，更会对上方既有活动体造成恶略影响[1]`[3]。目前，针对城市中浅埋隧道穿越软弱围岩，常采用地表预注浆加固的方式，通过合理的设置注浆加固范围，保证施工的安全的同时达到经济高效的目的[4]~[6]。本文以贵阳市实验三中隧道浅埋段地表加固为例，结合数值模拟分析结果对比得出较为合理的加固范围。

2 工程概况

实验三中隧道下穿扶风东路及实验三中操场。设置双洞单向隧道1座，即实验三中隧道。左线起讫桩号为ZK12+538.5~ZK12+941，全长402.5m。右线起讫桩号为YK12+544.7~YK12+949，全长404.5m。实验三中隧道穿越实验三中操场段最大埋深11m，属于超浅埋短隧道。隧道内建筑限界宽度为18.75m，车行道高度为5.00m，人行道为2.50m，隧道单洞净空面积达 184㎡，属于超大断面隧道。

图1 现场施工图片

2.1工程地质条件

项目区位于扬子准台地黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区。场区上覆土层为残坡积层含碎石粘土、人工填土素填土；隧址区下伏基岩为二叠系上统长兴大隆组厚层灰岩、灰岩夹泥岩，由岩土勘察可知：隧道洞身穿越素填土，填土厚度大且厚薄不均，素填土厚度较大且厚薄不均匀，洞身所处灰岩地层岩溶发育强烈，存在隐伏岩溶发育的可能性，隧道开挖易产生涌水、突泥现象。隧道洞身段覆盖层厚度大，岩体节理裂隙很发育、岩体破碎、稳定性差，大规模爆破开挖易发生隧道进口处边仰坡垮塌、整体滑移失稳。

2.2水文地质条件

场区地下水类型主要为第四系松散孔隙及碳酸盐岩类岩溶水。松散孔隙、裂隙水主要赋存于第四系松散覆盖层中，水量总体较小，季节动态变化大，主要接受大气降水补给，透水性能好，富水性弱。

3 注浆加固方案

3.1地表注浆目的

隧道下穿实验三中操场段地表覆盖层较薄且多为人工填土、开挖跨度大、围岩稳定性较差、掌子面自稳能力弱、开挖过程中可能引起塌方。管棚不足以支承上部围岩土体，而使洞身受压变形严重，直至将管棚压塌，出现洞身塌方，同时严重影响隧道上方学校操场及周围建筑物的安全[7]。鉴于此，需对隧道上方实验三中土体进行地表注浆处理。

3.2注浆工艺

（1）施工准备：施工前将场地按现有地形进行相应平整，在作业区内设置必要的临时排水、排浆系统同时暂停隧道洞内施工，已开挖隧道掌子面进行回填反压并临时喷射混凝土封闭；并加强地表建（构）筑物和隧道洞内的监控量测。

（2）钻孔：采用多功能地质钻机间隔钻孔，孔位偏差±5cm，垂直度小于1.5%。

袖阀管按照梅花型布置，间距1.5mx3.0m，具体布孔间距应根据现场试验进行调整，保证被加固土体相互咬合，避免出现注浆盲区。

图2 袖阀管孔位分布图

图3 注浆交圈

图4 地表注浆断面图

（3）清孔：在已完成的钻孔中采用浓泥浆进行清孔，排除粗颗粒渣土等影响注浆效果的杂物。

（4）注浆：采用前进式分段注浆，将注浆芯管插入原底边下3m袖阀管处，开始第一段注浆，第一段注浆完成后将芯管向前进行第二段注浆，如此下去，直到完成整个注浆段。分段注浆长度取30~50cm，地质情况较好取高值，较差取低值，建议分段注浆长度以30cm进行控制。

3.3注浆材料及配比

袖阀管采用外径50x4的硬质PVC袖阀管，注浆部分每隔50cm钻出浆孔，非注浆部分不钻孔，注浆用水泥采用42.5的普通硅酸盐水泥。

（1）套壳料配合比

套壳料靠增大水泥用量调节凝固时间，施工过程中根据其强度增长规律进行注浆，否则要么套壳料强度不够，形不成分段针对性注浆，要么强度过高，注浆需要更高的压力才能劈裂开套壳料。套壳料配比详见下表。

表1 套壳料配比表（重量比）

（2）液浆配合比

单液浆设计为普通水泥浆，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，双液浆设计为水泥一水玻璃浆（C-S浆液），其配合比如下：

表2 浆液配合比

3.4注浆顺序

顺序原则上为“由上而下、隔孔跳注、先外后内”[8]~[9]。孔号布置按照从左至右、从大里程至小里程，依次进行编号。注浆前应先施工外缘双液浆区（从最外面一排开始），以起到止浆墙的作用，达到注浆控域的目的。

3.5注浆结束标准

（1）单根注浆孔结束标准：注浆时控制浆液注入率在5-10L/min，每延米注浆深度水泥用量250-400kg。注浆过程中，压力注浆上升，流量逐渐减少，当注浆压力达到设计终压并稳压5min以上或进注浆量达到设计注浆量的90%以上，即可结束本孔注浆。

（2）本循环注浆结束标准：所有注浆孔均达到注浆结束标准，并无漏浆现象，可结束本循环注浆。

（3）对进浆量大，压力不上升的孔位，可先灌注水泥砂浆或间歇注浆，注浆量已达到设计注浆量，并无漏浆现象，亦可结束该孔注浆。

3.6注浆施工注意事项

做好注浆过程中各项记录：记录注浆P-Q-t 曲线[10]，开环位置、注浆时间、注浆压力、水泥用量、水灰比、注浆过程出现的特殊情况等。注浆过程应随时检测浆液配比，并由专人记录浆液比重做好过程环节的控制。

注浆要经常检查双塞胶的完好程度，当出现从袖阀管内窜浆时，应立即进行更换。

3.7钻芯观察

在正式进行地表注浆时预先在试验段进行试注浆，对现场试验段地表注浆体进行钻芯取样，以此分析注浆效果并及时调整。

图5 试验段注浆加固芯样图

4 数值模拟分析

为深入分析地表预注浆对实验三中浅埋段隧道围岩稳定性、承载力、成拱能力的提升作用，采用有限元软件MIDAS/GTS NX对浅埋段隧道开挖进行分析，对比在有无地表注浆加固条件下隧道受力特征，同时研究不同注浆加固范围下隧道受力特征。

4.1数值计算模型

采用摩尔-库伦模型来模拟土层、注浆加固区岩体。由于隧道支护结构的材料力学特性远高于隧道周围岩体的力学特征，数值分析过程中将其看做弹性体。模型中模拟隧道开挖过程中的超前支护、初支以及二衬等结构，采用1D植入式桁架单元模拟隧道锚杆。建立隧道开挖平面模型如图所示。

在数值计算过程中，设置五种工况，分别与无措施工况进行对比。其中：

工况一：地表加固范围为隧道侧开挖边界5m范围；

工况二：地表加固范围为隧道侧开挖边界10m范围内；

工况三：地表加固范围为隧道侧开挖边界15m范围内；

工况四：地表加固范围为隧道侧开挖边界20m范围内；

地表预注浆通过改变注浆范围内围岩的力学特性来实现围岩强度的变化，改变了隧道周围及上方岩体的力学特性。通过对比分析不同工况下的隧道正上方地表位移与隧道结构受力进行对比分析，得出地表注浆效果与不同注浆范围内的注浆效果，以此得到最合理注浆范围。

4.2材料计算参数

各材料的物理力学特征参数由地质勘察资料及经验值可得，如表所示。

表3 土层及支护参数

4.3结果分析

（1）不同加固范围效果对比

实验三中隧道超浅埋段成拱能力弱，在隧道进行开挖过程中隧道支护结构即受到较大的应力荷载，为保证隧道安全顺利的穿越浅埋段，需采取必要的地表注浆措施进行加固处理，同时分析隧道在加固前后支护结构的竖向位移与应力，通过对不同无措施与不同范围内地表注浆下各工况的数值计算，得到结果如图8、图9所示。

图 8不同工况下隧道初支最大竖向位移

通过对比不同工况下隧道初支位最大竖向位移值，可知在无地表注浆加固措施下，隧道支护结构在开挖后受到最大的竖向位移。在地表注浆后隧道支护结构所受最大竖向位移明显减小，并且随着注浆加固范围的增加，隧道支护结构在开挖后最大竖向位移逐渐减小，但是在工况二之后支护结构位移值下降幅度减缓。因此，在注浆加固范围达到隧道侧边界10m范围时，隧道支护结构最大竖向位移相对无措施时降低46.5%，此时注浆效果已十分明显。

图 9不同工况下初支所受最大轴力值

通过对比不同工况下隧道初支最大轴力值，可知在无地表注浆加固措施下，隧道支护结构在开挖后受到最大的轴向力。在地表注浆后隧道支护结构所受最大轴力值明显减小，并且随着注浆加固范围的增加，隧道支护结构在开挖后所受最大轴力值逐渐减小，但是在工况二之后支护结构所受轴力值值下降幅度减缓。因此，在注浆加固范围达到隧道侧边界10m范围时，隧道支护结构最大竖向位移相对无措施时降低39.1%，此时注浆效果已十分明显。

（2）最佳注浆范围效果分析

为对比分析最佳最注浆范围下地表注浆效果，选取无措施与工况二情况下隧道支护结构所受位移与轴力云图如图10、图11所示，对其进行分析。

图10 无措施锚杆轴力

图11 工况二锚杆轴力

通过云图可以看出，在采取地表注浆加固措施后，隧道支护结构受力情况明显得到改善，支护结构所受轴力明显变小。由此说明在地表注浆后隧道上方地层成拱效应明显增强，隧道受力更加有利。

图12 无措施支护竖向位移

图13 注浆加固后初支竖向位移

由图12、图13可以看出，在注浆后，隧道开挖过程中支护结构竖向位移明显减小，说明此时隧道上方地层更加稳固，隧道支护结构变形更小；与此同时，浅埋隧道上方沉降也更加小，此时开挖较为有利。

5 结论

（1）基于实验三中隧道超浅埋段软弱围岩的情况，袖阀管地表注浆能够有效的改善注浆区围岩成拱能力，对隧道开挖过程中的受力及位移也较有利，对隧道下穿超浅埋段安全快速施工具有重要作用。

（2）地表注浆能够有效的降低超浅埋隧道开挖过程中支护结构受到的力及位移；由数值曲线分析可知，在工况二情况下，注浆范围达到隧道外轮廓线外10m时，即0.5倍隧道开挖宽度时，隧道支护结构最大位移及轴力分别减少46.5%和39.1%，随着注浆范围继续扩大，效果增长已十分缓慢，此时施工成本却在大幅增长。因此注浆范围在隧道轮廓线外10m左右位置，即0.5倍隧道开挖宽度。

（3）从数值结果云图可知，在最佳地表注浆范围内，隧道支护结构所受轴力明显减小，隧道竖向位移显著降低。由此说明，在最佳地表注浆范围时，隧道支护结构在开挖过程中受力效果较好，能够保障施工安全，达到安全、经济、高效的效果，为工程建设提供新思路。

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科技大学,2021.