富水砂層地鐵工程建設(shè)中的管棚注漿預(yù)支護(hù)技術(shù)

于云峰

（中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司， 北京 100020）

城市化進(jìn)行背景下，地面可用空間逐步趨于緊張，為滿足人們的交通出行需求，地鐵工程成為重要的解決途徑。當(dāng)前，國內(nèi)多數(shù)大型城市相繼展開了地鐵建設(shè)工作，因地質(zhì)環(huán)境的差異化加大了施工難度。地鐵施工作業(yè)發(fā)生于封閉空間內(nèi)，富水流沙層地質(zhì)環(huán)境中對技術(shù)水平提出更高要求，地鐵灣十區(qū)間隧道所在處的地面交通較為繁忙，存在大量管線交匯的情況，考慮到地面穩(wěn)定性要求，基于管棚注漿預(yù)支護(hù)的方式展開施工作業(yè)，從而避免圍巖變形現(xiàn)象，給工程質(zhì)量提供保障。

1 工程概況

灣十區(qū)間：該段總長度973.1m，含暗挖段施工作業(yè)，左線696.1m，右線685.281m，與情侶路共線段左線276.02m，右線275.729m，為雙洞單線設(shè)計(jì)形式。礦山法隧道所在區(qū)域地質(zhì)環(huán)境較復(fù)雜，IV 級左線100m、右線300m；V 級左線320m，右線195m；VI 級圍巖左線276.1m，右線190.281m。2 號豎井工程中，左線中心里程DK6+305，結(jié)構(gòu)整體深度24.266m。根據(jù)現(xiàn)場情況，施工下穿排洪渠，因地質(zhì)呈現(xiàn)出上軟下硬的基本特點(diǎn)，施工中伴隨明顯涌水涌泥現(xiàn)象?；诖瞬扇《磧?nèi)管棚注漿等方式，實(shí)際應(yīng)用效果欠佳，隨后設(shè)置咬合樁止水封閉區(qū)，設(shè)置袖閥管以完成注漿作業(yè)。

2 富水礫砂土

2.1 概念

富水砂礫土為典型的多相介質(zhì)，其具備特殊的結(jié)構(gòu)，所表現(xiàn)出的流動規(guī)律較為復(fù)雜[1]。因巖土顆粒骨架空間結(jié)構(gòu)的變化，所產(chǎn)生的地下水滲流路徑隨之發(fā)生改變，若為松散多孔隙介質(zhì)則會在空隙介質(zhì)中繞流，伴隨隧道施工作業(yè)的持續(xù)推進(jìn)，砂礫層滲透性處于持續(xù)變動狀態(tài)，致使地下水流動方向也隨之發(fā)生改變。

2.2 影響因素

富水砂礫土流動性受多方面因素影響，較典型的有顆粒大小、級配與密度。根據(jù)資料得知砂礫土顆粒較大，因此土體孔隙隨之加大，伴隨明顯的滲透現(xiàn)象；若砂礫層土體級配優(yōu)良，此時土體孔隙隨之減小，降低了滲透性；伴隨密度的提升，對應(yīng)的砂礫土滲透性表現(xiàn)出逐步減小的趨勢，若不存在地下水滲流現(xiàn)象，因滲透性的提升將會明顯加快漿液流動，使其具備可注性。但受到高水力梯度的影響隨之提升了注漿難度，不利于注漿加固效果。

3 技術(shù)優(yōu)化方案

區(qū)間暗挖段得以高效施工的基本前提在于超前支護(hù)與止水加固，此項(xiàng)工作是創(chuàng)造安全施工環(huán)境的關(guān)鍵。從隧道地質(zhì)情況出發(fā)，參考類似工程，選取管棚超前支護(hù)的方式，考慮到其它標(biāo)段隧道開挖情況，由于施工區(qū)域以富水砂層為主，該處的節(jié)理裂隙較發(fā)育，因此易出現(xiàn)開挖面塌方現(xiàn)象，加大了施工安全隱患。對此選擇全斷面止水固砂技術(shù)，營造安全的施工環(huán)境，順利完成洞門開口段施工作業(yè)。由于掌子面承受較明顯的土體側(cè)壓力，基于管棚注漿預(yù)支護(hù)的方式可顯著提升隧道上方土壓力，同時避免開洞時泥沙大規(guī)模涌出掌子面的情況。

管棚施工使用到熱軋無縫鋼管，其規(guī)格為φ108mm、壁厚6mm，針對兩端采取絲扣連接處理措施，管棚長14m，彼此間距均為0.3m，兩端形態(tài)為尖錐形，基于焊接的方式于尾部增設(shè)φ10mm 加緊箍，處理管壁四周，于該處施作3 排規(guī)格均為φ10mm 的壓漿孔，彼此間距保持為0.4m，采取的是梅花形布置方式。向鋼管中灌注施工，漿液水灰比1：1，初壓0.5～1.0MPa，后續(xù)逐步提升壓力，終壓為2.0MPa。

4 管棚支護(hù)數(shù)值模擬分析

4.1 計(jì)算模型的建立

綜合考慮隧道所在區(qū)域的地質(zhì)與水文情況，創(chuàng)建隧道模型時考慮的是暗挖區(qū)段左線進(jìn)洞處，長100m×寬14m×高50m。所得模型的上面未針對自由邊界做出約束，側(cè)面采取垂直約束，底部為所有約束。根據(jù)隧道圍巖的實(shí)際情況使用到8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，基于Mohr-Coulomb 理論展開計(jì)算分析。初期支護(hù)中，考慮到噴射混凝土與格柵鋼架等結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將其等效為0.40m 厚的襯砌；管棚采取梁結(jié)構(gòu)單元模擬的方式，且假定管棚一次全部搭設(shè)完畢。

建模過程中遵循精簡原則，將各土層相鄰界面均設(shè)置為平面，假設(shè)模型中各土層具備均勻化的基本特點(diǎn)?；诘刭|(zhì)勘探資料得知，模型中所對應(yīng)的各區(qū)段土層并不存在明顯變化，因此不會對模型計(jì)算結(jié)果造成過多影響，該部分可忽略?？紤]到計(jì)算結(jié)果精確性要求，隧道周邊區(qū)域的網(wǎng)格采取加密處理措施，其余部分相對疏松，根據(jù)自重應(yīng)力場的基本特點(diǎn)，針對隧道模型展開計(jì)算與分析。

4.2 隧道開挖及支護(hù)模擬結(jié)果分析

分析隧道開挖過程，此處選擇的是MIDAS/UTS 平臺，通過其中的“鈍化”與“激活”工具展開處理，首先施作管棚，基于對工藝參數(shù)的改變模擬真實(shí)的注漿作業(yè)，結(jié)束開挖后再展開初襯施工，考慮的是有無管棚預(yù)支護(hù)兩種方案。首先開挖1m，后續(xù)以3m 為步距依次展開開挖作業(yè)，施工現(xiàn)場含大量富水流沙層，分析模擬結(jié)果時主要考慮的是隧道水平X 軸與豎直X 軸位移情況，將其用于評定圍巖穩(wěn)定程度。具體而言，水平位移可反映兩側(cè)圍巖穩(wěn)定性，豎直位移可被用于反映開挖作業(yè)后的隧道拱頂情況。而基于XYZ 綜合位移，可實(shí)現(xiàn)對實(shí)際位移情況的系統(tǒng)性描述。

（1）工況1：無預(yù)支護(hù)時模擬結(jié)果位移分析

在缺乏預(yù)支護(hù)措施時，伴隨隧道施工作業(yè)的持續(xù)推進(jìn)，隧道周邊巖土體出現(xiàn)明顯的變形現(xiàn)象，豎直方向最大位移為28mm。隧道橫截面上表現(xiàn)出明顯的水平位移現(xiàn)象，隧道兩側(cè)大體相同，均為34mm。基于位移云圖可以得知，圍巖出現(xiàn)明顯變形且延展至地面，伴隨明顯的隧道拱頂沉降現(xiàn)象，最大處達(dá)到18mm，不利于隧道上方管線的正常使用，甚至對地面建筑物穩(wěn)定性造成影響。且隧道開挖兩側(cè)的圍巖也表現(xiàn)出明顯的變形現(xiàn)象，因此在缺乏超前支護(hù)措施時，難以為地鐵施工創(chuàng)造良好環(huán)境。

（2）工況2：管棚注漿預(yù)支護(hù)模擬結(jié)果位移分析

由于采取了管棚注漿預(yù)支護(hù)技術(shù)，盡管圍巖出現(xiàn)變形現(xiàn)象但得到了有效控制，豎直方向最大位移發(fā)生區(qū)域未出現(xiàn)變化，依然為隧道拱頂處，但縮減至6mm。同時，隧道橫截面處的位移縮減至7mm?；谖灰圃茍D可以得知，盡管圍巖出現(xiàn)變形現(xiàn)象且延展至地面，但此時地面表現(xiàn)出的沉降相對較小，最大值為4mm，基于對《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(UB50007-2011)的相關(guān)規(guī)定得知，各處的位移都滿足行業(yè)要求。

5 結(jié)束語

（1）地鐵工程施工富有復(fù)雜性，有限元法可從實(shí)際情況出發(fā)做出數(shù)值模擬與計(jì)算，基于MIDAS/UTS 軟件，能夠創(chuàng)建直觀的模型，將管棚設(shè)為梁單元，更為準(zhǔn)確地反映管棚的力學(xué)效應(yīng)；采取改變加固區(qū)物理力學(xué)參數(shù)的方式，可實(shí)現(xiàn)對管棚注漿效果的模擬，有助于分析隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用效果。

（2）綜合對比有無預(yù)支護(hù)措施兩種情況，得知施作管棚注漿預(yù)支護(hù)以后可有效控制圍巖變形現(xiàn)象，縮小擾動范圍。

（3）基于數(shù)值模擬的方式可以得知，將管棚注漿預(yù)支護(hù)的方式應(yīng)用于進(jìn)洞段后可提升洞口段覆蓋巖層的穩(wěn)定性，發(fā)揮出優(yōu)良的加固與支護(hù)效果，此方法在富水砂礫層中具有可行性，為安全進(jìn)洞創(chuàng)設(shè)了保障，也為后續(xù)掘進(jìn)施工提供了良好條件。