地表注浆在超浅埋隧道工程中的应用研究.pdf

第32卷第3期公路交通技术Vol.32No．32016年6月TechnologyofHighwayandTransportJun．2016DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.023地表注浆在超浅埋隧道工程中的应用研究史作璟,翁承显(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司,重庆401121)摘要:火凤山隧道为城市公路隧道,根据其进口段超浅埋回填土地质条件实际情况,设计中采用地表注浆预处理措施,以及早进洞施工,达到改善围岩强度,保证隧道施工安全的目的。运用大型有限元软件MIDASGTS对地表注浆效果进行数值模拟分析,并提出地表注浆效果评定方法。数值模拟及实际监测数据表明:地表注浆预处理后,围岩强度及完整性得到很大提高,隧道开挖后变形速率及最终变形值均较小,初期支护受力改善明显。由此可知,地表注浆预处理可有效保证隧道施工安全及质量。关键词:隧道;地表注浆;效果;检测文章编号:1009-6477(2016)03-0102-06中图分类号:U459.2文献标识码:AResearchonApplicationofSurfaceGroutinginSuper-shallowEmbeddedTunnelsSHIZuojing,WENGChengxianAbstract:HuofengshanTunnelisanurbanhighwaytunnelandsurfacegroutingpretreatmentmeasureindesign,aswellasearly-stagein-tunnelconstruction,areadoptedaccordingtothegeologicalconditionsofsuper-shallowembeddedbackfillingsoilattheinletsectionforthepurposesofimprovingwall-rockstrengthandguaranteeingsafetyintunnelconstruction.Thispapercarriesoutnumericalsimulationanalysisforthesurfacegroutingeffectbymeansoflarge-scalefiniteelementsoftwareMIDASGTS,andproposestheevaluationmethodsforthesurfacegroutingeffect.Numericalsimulationandactualmonitoringdatashowthataftersurfacegroutingpretreatment,wall-rockstrengthandintegrityaregreatlyimproved.Afterexcavationoftunnel,deformationrateandfinaldeformationvaluearebothsmallandstressoninitialsupportisimprovedremarkably.Itissuggestedthatsurfacegroutingpretreatmentcanguaranteeconstructionsafetyandqualityoftunnels.Keywords:tunnel;surfacegrouting;effect;detection[2]随着我国经济的飞速发展,城市隧道与地铁建工程建设造成了一定的安全隐患和经济损失。设兴起,隧道工程越来越多,地质条件也越来越复本文以重庆市火凤山隧道进洞口超浅埋回填土地质杂。隧道工程在超浅埋回填土地质施工时,极易造下穿高速公路为工程实例,通过数值模拟及实际监成冒顶式塌方,对现场施工人员人生安全造成极大测,详细分析该隧道地表注浆加固措施,对类似工程[1]安全隐患。因此,超浅埋回填土地质处理措施研具有一定的借鉴作用。究便成为业界急需解决的重大课题。随着我国基础工程建设项目增多,地表注浆预1工程概况处理措施已在土木工程领域得到了众多应用。隧道火凤山隧道位于重庆市北部新区人和组团,工程中,地表注浆预处理主要针对围岩地质条件差、全长约1.65km,包含各长725m的左右线主隧浅埋偏压、进洞等隧道工程实践,但由于注浆工程的道,以及205m长C匝道。隧道进洞口位于内环隐蔽性,一直未能形成一套完整的检测体系,从而对高速公路路基边坡处,埋深最浅处覆土厚5.6m,收稿日期:2015-12-23作者简介:史作璟(1982-),男,山西省祁县人,硕士,工程师。 第3期史作璟,等:地表注浆在超浅埋隧道工程中的应用研究103为超浅埋隧道,且线路基本垂直于高速公路进洞。其中粉质粘土厚1~2.3m,下伏基岩为泥岩,强风高速公路路基边坡坡向84°,地形坡角23°~28°。化带厚1~1.6m,岩土界面倾向与斜坡倾向一致,根据地质勘查资料,火凤山隧道进洞口处地层主岩土界面倾角10°~20°。隧道进洞口平面和纵断要为第4系人工填土、粉质粘土,土层厚6~10m,面如图1所示。图1隧道进洞口平面和纵断面示意沿隧道两侧开挖边线向外扩大15m计,注浆范围沿2地表注浆方案隧道横向宽度约80m。火凤山隧道为超浅埋隧道,且进洞口段隧道拱深度:注浆孔深度以深入基岩0.3m和超前管顶围岩为回填土地质,围岩自身承载能力差,上方又棚支护外边线以上0.5m两项进行控制,地表注浆为高速公路填土路基,下部泥岩风化裂隙发育。因范围横断面如图2所示。此,为控制高速公路地表沉降,保证施工安全,设计2.2注浆孔布设采用了地表注浆加固措施,以改善围岩物理力学性根据现场试注浆及经验,注浆孔扩散半径取能,提高围岩的自稳性,缩小围岩松弛区范围,减小0.96m,注浆孔布置如图3所示。[3]围岩对初期支护的压力。2.3注浆材料及压力2.1地表注浆范围注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆和水泥单液长度:隧道开挖影响范围按45°角向地面扩散,浆2种。注浆区域外围设2排水泥-水玻璃双液浆沿隧道纵向取第3条快速路边线向外扩大15m计,注浆孔。注浆材料中,水泥与水玻璃体积比取1∶0.5,注浆范围沿隧道纵向长度约80m。水玻璃浓度为35Be’,水泥采用425号普通硅酸盐宽度:隧道开挖影响范围按45°角向地面扩散,水泥,水泥浆水灰比为1∶1,浆压0.5~1MPa,稳压5 104公路交通技术第32卷[5]模拟。本次模拟分析采用平面计算模型,模型左右水平计算范围均取隧道跨度的3倍,垂直计算范围向上取至自由地表,向下取隧道高度的3倍,模型尺寸为90m×46m,如图4所示。图2地表注浆横断面示意图4数值分析模型3.2材料参数根据地质勘察资料,本次模拟所采用的材料物理力学参数如表1所示。由于本次模拟仅对注浆效果进行分析,故注浆体材料物理力学参数仅为经验值。图3地表注浆孔布设表1材料物理力学参数min。注浆区域内部设单液浆注浆孔,注浆材料采用材料弹性模量E/GPa泊松比μ密度γ/(kN·m-3S)水泥浆,425号水泥浆水灰比为1∶0.8,浆压0.2~回填土0.10.3200.5MPa,稳压20min。围岩1.640.3525为保证不跑浆,总体施工顺序为先进行洞顶管初期支护230.222棚及注浆区域外围双液浆注浆施工,然后完成注浆锚杆2100.378.5[4]区域内部单液浆施工。注浆体10.35223数值模拟分析3.3计算结果分析3.1数值模拟模型从经验看,火凤山隧道拱顶为回填土,自稳能本次数值模拟分析采用MIDASGTS大型通用力较差,隧道开挖后地层“成拱”效应较弱,使得隧有限元软件建立地层结构法计算模型。模型中,采道变形较大。因此,很有必要对注浆前后地层应用平面实体单元模拟围岩及地表注浆范围;锚杆采力及隧道受力、变形进行相应分析。注浆前后围用全长粘结式杆材料模拟,为植入式桁架单元;喷射岩地层应力、隧道拱顶沉降及锚杆轴力如图5~7混凝土及拱架采用全长粘结式直梁材料模拟(其弹所示。性模量取喷射混凝土弹性模量的1.2倍作为综合模从图5可以看出,隧道开挖致使地层地应力重2量进行模拟计算)。新分布,地表未注浆时,地层主应力3.47kN/m;采考虑到本次模拟分析注重分析地表注浆效果,用地表注浆施工后,地层主应力减小为2.012因此模拟分析采用全断面开挖工法进行模拟计算。kN/m,减小幅度达到40%,可见地表注浆措施对地分析过程分如下3步:1)计算模型的初始地应力,层岩性进行了很好的改善,使得隧道整体所受荷载并进行初始变形清零;2)全断面开挖(洞周围岩释明显减小。从图6可以看出,地表注浆前后隧道拱放40%地应力);3)模拟初期支护结构(洞周围岩顶沉降由12.0mm减小为9.5mm,减小幅度为释放60%地应力)。数值模拟过程中,主要通过改21%,可见地表注浆措施改善了围岩的“成拱”效变注浆范围围岩材料参数来进行地表注浆施工应,减小了隧道开挖变形。从图7可以看出,地表注 第3期史作璟,等:地表注浆在超浅埋隧道工程中的应用研究105图5注浆前后围岩地层应力图6注浆前后隧道拱顶沉降图7注浆前后锚杆轴力浆前后锚杆轴力由5.0kN增加到5.5kN,虽然增加钻孔4个,钻孔深度12.4m。孔位在注浆孔中间随[7]幅度仅为10%,但可以看出,地表注浆后,围岩的地机抽测,孔位布置在下穿隧道拱顶及拱腰位置。层岩性得到了改善,锚杆拉拔力得到了提高,从而使火凤山隧道地表注浆复注量统计见表2。得初期支护整体受力特征得到了很好的改善。表2火凤山隧道地表注浆复注量统计平均注浆量/复注量/复注百分率/4地表注浆效果评定注浆区域编号3-33-3(m·m)(m·m)%按照简便快捷、经济适用的原则,并考虑到工程10.1610.025515.8实际情况,火凤山隧道地表注浆效果主要采用复注20.1290.024118.7法及浆液填充率反算法进行评定。另外,为了验证30.1300.025319.5注浆效果,还对现场实际监控量测数据进行了[6]分析。从表2数据可以看出,注浆区域复注百分率为4.1复注法(结合钻孔取芯)15.8%~19.5%,平均复注百分率为18.0%,说明复注法是每次注浆完成后在注浆区域重新钻孔地表注浆效果较好,围岩特征可以得到很好改善。注浆,通过前后2次注浆量的比较来判定注浆效果。另外,受回填土地质所限,钻孔时不能取出完整注浆完成后即可实施复注法。根据现场地表注浆施芯样进行抗压试验,但通过对取出的芯样进行观察,工组织安排,火凤山隧道地表注浆复注法检测共钻可宏观了解浆液扩散深度和在填筑体中的填充情取9个孔(按2%进行钻孔复注)进行复注。其中,C况。钻孔芯样如图8所示。从图8可以看出,钻孔匝道上部路基钻孔2个,钻孔深度6.0m;左隧道上的中下部及底部已经都扩散有浆液,浆液已经贯穿部路基钻孔3个,钻孔深度9.5m;右隧道上部路基于整个回填土地层。 106公路交通技术第32卷∑Q=Vnα(1+β)33式中:∑Q为总注浆量,m;V为加固体体积,m;n为地层孔隙率或裂缝度;α为浆液填充率;β为浆液损失率。根据现场数据统计,火凤山隧道下穿内环高速3公路段总注浆量为1133.4m,平均深度为7.1m,3注浆土体总体积为7466.7m。由于注浆区域底部图8钻孔芯样及四周均已封闭,注浆浆液无损失,故β取0。根据4.2浆液填充率反算法CJJ1—2008《城镇道路工程施工与质量验收规范》浆液填充率反算法是通过统计总注浆量来反算并参考相关资料,考虑到该内环高速公路已经运行出浆液填充率,并根据浆液填充率评定注浆效多年,压实度系数≥95%,最大孔隙率n取20%。[8]果。浆液填充率反算公式如下:浆液填充率反算结果见表3。表3火凤山隧道地表注浆浆液填充率反算统计注浆区域注浆量/m33孔隙率/%浆液损失率/%浆液填充率/%加固体体积/m内环高速公路段1133.47466.720075.94.3监测数据分析为保证施工安全,分析地表注浆效果,在火凤山隧道施工现场选取了典型断面进行拱顶下沉及水平收敛监控量测,监测点断面布置如图9所示。拱顶下沉及水平受力随时间变化曲线如图10、图11所示。图11水平收敛随时间变化曲线浆对隧道围岩稳定,保证施工安全方面效果明显。5结论1)本文基于火凤山隧道进洞口超浅埋、回填土地质下穿高速公路路基的工程实际,提出了地表注浆预图9检测点布置断面处理措施及地表注浆效果评定方法,其对于保证隧道施工安全,控制高速公路地表沉降具有重要作用。2)数值模拟分析表明,地表注浆实施后,地层应力得到了很好的改善,地层主应力减小幅度达到40%。另外,围岩“成拱”效应也得到了加强,不仅减小了隧道开挖变形,而且使隧道支护体系整体受力特征也得到了很好改善。3)地表注浆效果评定分析表明,注浆区域平均图10拱顶下沉随时间变化曲线复注率为18%,浆液填充率为75.9%。通过现场钻从图10、图11可以看出,隧道开挖后拱顶下沉孔观察可知,钻孔中下部及底部均已扩散有浆液,且及水平收敛变形速度均较快,且特征类似,开挖后浆液已经贯穿于整个回填土地层,说明地表注浆效10d左右便可完成总收敛变形的75%,最终稳定拱果较好,围岩完整性得到了很好改善。顶下沉值及水平收敛值均较小。由此可知,地表注(下转第111页) 第3期严宗雪,等:明珠隧道基坑监测与变形分析111了修补与加强。随着雨季结束,基坑变形累计值逐因此,在该类地质条件下修建明挖隧道应重视加强渐趋于平稳。降雨期间的安全措施,采取合理措施引排地表水,防土体深层水平位移监测数据统计见表6。从表止降雨对坡面的冲刷作用。6数据可以看出,土体深层水平位移变化相对平稳,3)明珠隧道基坑部分段落在强降雨期间出现累计变化最大值出现在测点DGT05处(最大变化深变形速率增加,累计值报警情况,但基坑边坡未出现度5m,最大变化值23mm),未达到报警限值,说明深层剪切破坏,整体较稳定。粉质粘土、全风化花岗测点附近范围边坡整体稳定性较好,不易出现较大岩虽然物理力学性质较差,但对于明珠隧道这类水规模边坡失稳破坏。平分层的原状土体,在基坑开挖、降雨等风险时段,适时增加监测频率,对数据变化较大且超限部位进表6土体深层水平位移监测数据统计行监测预警,同时采取合理有效的喷锚支护,便可有测点编号最大变化深度/m最大变化值/mm效控制工程安全风险。DGT0158DGT02612参考文献DGT03116[1]刘国彬,王卫东.基坑工程手册[M].北京:中国建筑DGT04220工业出版社,2009.DGT05523[2]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京:人DGT0686民交通出版社,2010.[3]常士骠,张苏民.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.4结论[4]陈祖煜.深基坑支护技术指南[M].北京:中国建筑工1)明珠隧道建设过程中,在变形速率增加且累业出版社,2012.计值报警情况下,对喷锚支护已出现的剥落、破损进[5]丁宏飞,朱炯,罗书学.基于PCA-SVM的边坡稳定行了及时修复,有效避免了风险进一步发展、扩张。性预测模型研究[J].路基工程,2011(2):5-7.由此可知,监测是控制基坑施工安全的重要保障和[6]朱炯.五龙岭隧道病害成因分析及处治对策[J].公前提,对工程进度及风险控制具有重要意义。路隧道,2013(1):32-34.2)明珠隧道洞身范围主要为粉质粘土和全风[7]张昆.深基坑施工引起周围土体位移监测分析[D].化花岗岩,全风化花岗岩透水性较强,降雨期间易被成都:西南交通大学,2005.冲刷且形成渗流通路,导致基坑部分段落在强降雨[8]王镝,卢俊,曾京.公路隧道深基坑监测分析期间出现变形速率增加、累计变化量报警等情况。[J].施工技术,2007(3):79-81.■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■(上接第106页)4)监控量测数据表明,隧道开挖后,最终稳定[4]张虎.地表注浆在隧道工程中的应用[J].公路,拱顶下沉值及水平收敛值均较小,地表注浆对隧道2006(3):204-209.围岩稳定,保证施工安全方面效果明显。[5]谢自韬,江玉生,刘品.盾构隧道壁后注浆压力对地表沉降及围岩变形的数值模拟研究[J].隧道建设,2007(4):12-15.参考文献[6]姜洪涛,谭兵,臧万军.高速公路隧道浅埋段地表深[1]王建亚.地表注浆在隧道复杂地层加固中的应用[J].层注浆施工技术[J].现代隧道技术,2008(3):65-山西建筑,2007(5):277-278.[2]马海君,郝行舟.浅谈地表注浆加固在不良地质隧道68,73.中的应用[J].交通科技,2005(6):67-69.[7]陈金城.天心山隧道帷幕注浆及地表深孔注浆施工技[3]来弘鹏,谢永利,杨晓华.地表预注浆加固公路隧道浅术[J].铁道建筑,2005(9):50-52.埋偏压破碎围岩效果分析[J].岩石力学与工程学报,[8]乔明灿,乐金朝,牛向飞.隧道地表坍陷深层注浆理论2008(11):2309-2315.研究与工程实践[J].隧道建设,2011(9):80-83.