隧道施工注浆加固引起地表隆起的数值计算与实测分析

隧道施工注浆加固引起地表隆起的数值计算与实测分析

王尔觉赵瑞传

王尔觉赵瑞传

中交公路规划设计院有限公司北京100088

摘要：城市地铁施工中，在穿越正文存在软弱砂土地层建筑物时，往往采用注浆加固手段，如超前深孔注浆，但注浆工艺和注浆材料出现偏差时，往往导致地面隆起并危害建筑物结构安全。通过分析可知注浆压力和注浆量过大时，双线隧道上方的地表地层呈现“M”形抬升，并使得上方建筑物随之出现正曲率变形。同时，监控数据表明，加强监测管理能够为注浆施工提供有效的判断和指导。

关键词：软弱地层；下穿建筑物；注浆隆起；监测管理

1工程概况

某城市地铁隧道穿越一条季节性河床，河床两侧商业建筑物密集，且隧道顶最小埋深约11m，最大埋深约21m，均为单洞单线马蹄形断面，矿山法分台阶开挖。隧道的拱部处于富水砂层中，下部为中风化岩层，是典型的上土下岩的地质，对工程和周边环境安全影响极大。

施工中为尽量减小对砂层的干扰，施工中及时封闭掌子面，并采用格栅钢架结构支护，并在地下水丰富区段，采取多种止水辅助措施，如钻孔排放地下水、注浆堵水、超前深孔注浆措施等。

2注浆施工模拟计算

在隧道下穿河床之前，为了对地下结构的施工响应预先判断，对地下结构、上覆建筑物结构和施工的安全进行预测分析，采用数值模拟手段，建立下穿地铁隧道结构、砂层和上覆建筑物结构三者相互作用的三维计算模型，对下穿段的开挖方式、支护手段、预加固方式进行模拟计算，以分析工程开挖方式、支护、加固等措施的施工效果，进一步优化施工过程。

分析成果将用于相关控制措施的提前实施，比如实施有针对性的监测，同时做到准确、及时、有效地指导注浆作业的施作。

2.1超前深孔注浆的力学作用及模拟

由于下穿隧道拱部位于富水砂层中，开挖时之前需要进行WSS超前注浆以加固地层，其主要注浆材料采用水泥、水玻璃。

在计算分析中，超前注浆体的加固效果可视为在隧道围岩中形成了约0.5m~1.5m左右厚度的环状加固圈，则注浆加固围岩的方式以改善围岩参数的等效方法实现，一般在数值模拟中，大管棚的力学效果、小导管注浆以及一般的注浆加固往往采用该方式进行近似计算。

图2不考虑注浆隆起效用时隧道下穿期间地表变形云图及地表沉降曲线图

2.2地表土层变形计算结果分析

2.2.1不考虑注浆体“膨胀作用”时地表变形

一般而言，模拟计算中，对于注浆体的模拟只考虑提升其土体的强度，不考虑注浆体的压力使得土层隆起的副作用，理想状态下，注浆只是加强土体强度参数，但是由于实际工程中，注浆压力的消散和浆体自身的硬化都有一定的过程。

在不考虑注浆体抬升地层的作用时，在隧道下穿期间，地表地层变形整体表现为急剧下沉，进而平缓下降，最终表现为趋于稳定。

2.2.2考虑注浆体“膨胀作用”时地表变形

隧道下穿建筑物期间，由于实际注浆工艺实施引发地层隆起，模拟试验中，地层的竖向变形具体表现：左侧隧道开挖初期地表地层呈下降趋势，在注浆应力添加后，地表向上轻微抬升然后迅速上抬，之后在开挖面向前推进期间，地表隆起速率最快的部位在开挖面上前方。计算结束时，地表最大变形量为17.8mm。

注浆体对于地层竖向位移控制的原因体现在两个方面：第一，在软弱围岩或富水砂层段注浆是基本的加固作用；第二，良好的注浆工艺可可有效阻止开挖段水土流失，减少或减缓固结沉降带来的地层下沉量。

注浆体的弹性模量对地层竖向位移的影响较为明显，但当注浆体凝固且强度趋于稳定后，注浆体对地层竖向影响减小，说明如果需要控制地表沉降，需要在下穿建筑物之前预先做好注浆加固工作，但注浆时压力过大，或注浆量过大，导致地表持续隆起时，双线隧道上方的地表地层呈现M状隆起，即最大隆起位置处于左右线隧道正上方。

2.3建筑物竖向变形计算结果分析

如图3所示，下穿隧道并非在建筑物正下方对称排列，其中左隧道处于建筑物下方偏外侧，但由于距离较近，左右线隧道开挖引起的建筑物沉降差异不明显。

图3双线隧道开挖中注浆引起建筑物“M”状变形破坏

计算结果表明，隧道超前注浆引起地表隆起，其主要损害表现是导致建筑物正曲率变形破坏，由于计算结果中变形数据较小，在建筑物结构安全控制值内，并未导致建筑物严重，但在穿越过程中，监测方的安全巡视发现建筑物的墙体上出现多条裂缝，与模拟计算中双线隧道开挖时注浆引起建筑物“M”状变形破坏形态一致，是典型的正曲率变形破坏方式。

根据设计方案中的注浆压力和注浆量，最终计算结果表明，左右线隧道分别下穿建筑物期间，建筑物竖向位移表现为隆起，最大变形值为17.7mm，处于左隧道开挖完成后开挖的右隧正上方地表部位，依据《建筑地基基础设计规范》GB50007[30]中的有关规定，并结合对该建筑物结果的安全性评估报告，该建筑物的竖向位置控制值为30mm，计算数值远小于控制值，满足建筑物结构安全规定。

3人工监测实施及效果分析

隧道下穿河床及建筑物期间，实施了地表下沉、建筑物变形、爆破振动、拱顶沉降、净空收敛及安全巡视等监测项目。

3.1建筑物变形控制效果分析

监测结果如下，由监测结果可得，注浆情况下会造成建筑物隆起和差异沉降。

注浆完成后，进行隧道开挖过程中，建筑物出现沉降变形，变形量非常小，所以在深孔注浆加固施工时，注浆对建筑物的影响是非常大的。

一般而言，建筑物沉降分析的另一个重点是差异沉降，即不均匀沉降，是建筑物结构地基变形特征的指标之一，《建筑地基基础设计规范》中规定，差异沉隆控制值宜为0.001l~0.002l（l为相邻基础的中心距离），实际施工中，建筑物的最大沉降点与相邻的较小沉降量测点的沉降相差7mm，小于差异沉降值10mm~30mm。

3.2地表沉降即注浆技术的控制效果分析

对注浆过程中地表竖向位移进行了全程自动化监测，竖向位移累计变化量的曲线表明地表竖向位移方面总体为隆起趋势，日变化量显示在注浆暂停期间，地表会表现为回落，但随后的注浆又使得地表继续抬升。

地表累计变形值和日变化量显示，注浆是导致地表抬升的原因所在，所以在注浆期间，始终参考和关注地表的变形监测，并对注浆参数和工艺进行了相应调整，发现地层隆起变形量及抬升速率与施工参数有着紧密的联系，当发现监测数据急剧增大时，会减缓或暂停注浆，当下一开挖循环时，注浆量相应减小，并调整注浆工艺，对注浆压力、时间和注浆量进行了严格的把控，因此在控制地表隆起速率和隆起值取得了较好的效果。

4数值计算结果与实测数据比较

当模拟计算中考虑注浆体改变地层体积因素时，地表和建筑物在变形趋势上与实测数据体现的状态非常吻合，都表现为M状隆起，且最大隆起位置处于左右线隧道正上方。

变形数值方面，计算出最大竖向隆起值为17.7mm，实测数据也未超过20mm，与数值计算的差距较小，很好地说明模拟计算的结果值得参考，可在类似工程中作出预测，以有针对性地指导施工。

5小结

通过对隧道下穿建筑物段支护方法、加固体以及建筑物结构的模拟和实测数据分析，得出隧道下穿期间变形的几点结论。

（1）模拟计算结果显示，按照实际开挖顺序，双线隧道开挖面错开一定距离开挖时，最大沉降发生在后开挖隧道顶部。

（2）模拟计算结果显示，注浆体的弹性模量对地层竖向位移的影响较为明显，但当注浆体凝固且强度趋于稳定后，注浆体对地层竖向影响减小，说明如果需要控制地表沉降，需要在下穿建筑物之前预先做好注浆加固工作。

（3）隧道在软弱地层中施工时，为保证开挖面的安全，以及地表沉降的控制，应采用预注浆方式对地层进行提前加固，但注浆实施前需要考虑到青岛地区富水砂层特点以及周边环境影响因素，做好注浆试验工作，紧密结合监测数据，在下穿期间避免或减少地面隆起带来的建筑物结构损害。

（4）施工监测能够对位移敏感的建筑物或地下结构进行有效的监控，对施工措施的实施效果起到了及时的信息反馈功能。