李 璋，兰开江，邓国华，朱才辉

(1.中铁城市发展投资集团有限公司 西安地铁指挥部，陕西 西安 710043;2.西安理工大学， 陕西 西安 710048; 3.西安黄土地下工程技术咨询有限公司，陕西 西安 710025)

当前城市轨道交通工程建设正如火如荼的开展，在城市道路环境下，暗挖工法可行的关键除了自身稳定性以外，就是对地表沉降的影响。为了有效的控制地表沉降，对软弱地层进行预注浆加固是一种有效的方式。暗挖工程中遇到软流塑地层[1]、风化花岗岩地层[2]、淤泥、破碎围岩地层[3]特殊地质情况和在不良地层中穿越建(构)筑物[4]、既有地表堆载导致地铁隧道变形[5]等一些环境敏感地段，注浆加固是一种最为常用的加固措施，不仅能够确保暗挖工程的稳定性，而且可以有效抑制施工产生的变形，从而确保工程安全顺利推进。为此，国内外广大学者针对注浆材料、加固方式、注浆压力、浆液扩散方式、加固机理，注浆加固施工技术在隧道建设中应用及优化等方面展开了系统的研究。阮文军[6]建立了用于岩体裂隙的稳定性浆液注浆扩散模型。雷进生等[7]研究了非均质土层中浆液扩散范围和结石体的真实形态。白云等[8]通过模型试验，探究了软土地基劈裂注浆的加固机理。杨米加等[9]讨论了注浆理论的研究现状及发展方向。方晓博[10]采用室内模型试验，研究黄土中浆液的扩散过程，建立楔形劈裂注浆理论模型，推导了浆液扩散半径与注浆压力差浆脉开口端厚度之间的关系。高晓培[11]、刘丹[12]做了WSS双液注浆在黄土地层中的应用研究。孙志杰等[13]、邵标等[14]、凌同华等[15]采用数值方法对组合加固措施控制围岩变形以及注浆范围优化进行了深入分析。上述大量的研究，已经总结形成了一套有效的注浆加固技术，在工程建设中起到了很关键的作用，但需要指出的是，注浆加固在工程建设中是一种投资相对较高的处理技术，因此其加固范围的确定往往是建设者需要关注的重点。

本文以西安地铁九号线某区段“先隧后井”法施工为背景，由于征地及地面空间的限制，需要采取暗挖法施工风井横通道，横通道所穿越地层较为复杂的砂卵石和黄土状土地层，成洞条件较差，施工期间对高速公路影响较大，因此需要采取预注浆措施来改善风井横通道周围地层，在减小地表沉降的基础上确保经济。为此，本文试图通过数值方法，针对注浆加固效果和加固厚度进行优化分析，以期提出合理的注浆加固方案，为类似工程施工提供借鉴。

1 工程背景

1.1 横通道工程地质概况

本文选取西安地铁9#线纺织城站—香王站区间风井项目为依托，该项目采用了特殊工法施工，即先盾构通过，同时明挖法风井施工，当盾构通过后，再采取矿山法横通道施工，期间需要破除盾构管片，施作风道主体结构。该方案的最大优势是不影响盾构的节点工期和不占用道路资源。如图1所示。

该处距离高速公路收费站150m，施工对道路沉降要求高。上文已提及，该工程相关计划先盾构通过，再进行暗挖横通道施工，在暗挖通道内破除盾构管片后施作二次衬砌。结构平面和横断面如图2、图3所示。决定方案能否顺利实施的核心因素就是暗挖横通道施工对地面沉降的影响是否可控。

图1 区间风井与地铁平面关系图

图2 横通道与地铁隧道平面

图3 区间风井与地铁隧道剖面

矿山法横通道为地下两层单跨矿山法横通道，横通道开挖宽度为6.7 m，左、右线隧道部分横通道开挖高度分别为15.005 m、13.204 m，矿山法横通道长度约为27.5 m。横通道顶板距离地面约10.2 m。地质情况如图4所示。

图4 风井横通道工程地质剖面图

1.2 横通道施工及加固方案

由上述基本概况可以看出，由于此通道虽然跨度不大，但高度较大，地层开挖面较大，必将引起一定的地表沉降。为了降低工程风险，在加强初期支护的基础上，对横通道一定范围内计划采用注浆加固的方式，试图改良地层，进一步控制沉降变形，如图5所示。但具体加固范围该如何确定、加固范围与地表沉降的关系如何，需要进行系统的研究。

图5 横通道支护与注浆加固方案

2 横通道工程对盾构隧道的影响分析

为了提出合理的注浆范围，对横通道地层注浆加固范围进行优化设计，本文采用数值分析方法，基于ANSYS大型有限元软件，建立横通道结构-地层相互作用的二维有限元模型，模拟横通道分层开挖与支护结构施工过程。其中，模型中的地层单元采用Plane 42实体单元，横通道衬砌结构采用Beam 3单元，地层采用Drucker-Prager模型来模拟，结构单元采用线弹性模型来模拟。

2.1 原地层参数取值

根据地质勘察报告可知(如图4所示)，地层条件由地面至基坑底部为分别：(1) 1-1素填土，厚度为1.5 m～3.0 m，平均为2.5 m；(2) 2-1黄土状土，厚度为10.3 m～12.5 m，平均为11.5 m；(3) 2-10卵石土，厚度为3.0 m～6.6 m，平均为6.0 m；(4) 4-3粉质黏土，厚度超过20.0 m。原地层的变形参数及抗剪强度参数如表1和表2所示。

表1 土层物理力学参数

表2 加固体及地下结构物理力学参数

2.2 加固后地层参数取值

横通道穿越了卵石土地层和黄土状土地层，开挖期间容易产生坍塌。需要对横通道内部及周围地层通过明挖风井进行水平注浆加固，地层注浆后的弹性模量，可采用《工程地质手册》[16]复合地基来计算：

ESP=mEP+(1-m)Es

(1)

式中:ESP为复合地基的弹性模量；EP为注浆体的弹性模量；Es为土层的弹性模量；m为注浆体面积置换率，m=(d/de)2=0.0014；d为注浆管直径取42 mm；注浆孔为梅花形布置，de=1.13s；s为注浆管间距1 m。

根据现场钻孔取样试验得到注浆体的抗压强度代表值fc=2.2 MPa。采用《砌筑砂浆配合比设计规程》[17](JGJ/T 98—2010)来换算砂浆的弹性模量EP。

(2)

式中:wc为砂浆的密度，取2 200 kg/m3；fc为砂浆的抗压强度,MPa。根据表1中的土层参数代入式(1)、式(2)计算注浆加固后的复合地基弹性模量ESP≈1.5Es，即地层注浆加固后弹性模量可提高50%。假定地层加固范围主要在横通道外轮廓以外，加固深度分别取为：2.0 m、3.0 m、4.0 m和不采取加固方式，根据上述复合地基的弹性模量提高程度来模拟加固效果。注浆后地层的抗剪强度的提高程度，本文暂不做考虑，可视为为安全储备，以此来研究不同注浆加固厚度作用下对横通道结构变形和地表沉降的影响。

2.3 计算结果分析

2.3.1 未加固工况

地层未加固工况横通道施工对地表沉降影响。建立横通道典型断面的有限元网格图，如图6所示，模拟横通道从第一层只第四层的开挖和初期支护及横撑拆除和衬砌的施工过程，分析横通道开挖和初期支护施工期间对地层沉降的影响，然后再分析横通道二衬施工及临时横撑拆除期间对横通道二衬的水平位移的影响，计算结果如图6、图7、图8所示。

图6 横通道-地层-支护单元网格图

图7 横通道开挖诱发地层竖向位移云图

横通道施工过程中地表沉降见图9，横通道施工过程中关键点的最大侧向位移见图10，结果表明：

(1) 横通道内部及上覆地层未加固工况下，横通道的分层开挖施工，诱发地表的位移随着开挖层数由上至下，地层损失逐渐增大，地表最大沉降从16.2 mm，增加至24.6 mm，对工程存在一定风险。

(2) 当横通道衬砌从底部向拱部施工期间，初期临时支护的仰拱需要拆除，自底部向顶部拆除期间，横通道衬砌侧墙的最大水平收敛变形由1.5 mm增至2.5 mm，随后基本保持不变，可见横撑的拆除对隧道衬砌水平位移的影响不大。

图8 临时横撑拆除期间衬砌的水平位移

图9 横通道施工期间地表沉降曲线

图10 横撑拆除期间横通道侧墙水平位移

2.3.2 注浆加固范围2.0 m

现假定地层加固范围为横通道结构外侧2.0 m范围及内部地层进行加固，进行数值模拟计算。通过计算结果可知：

(1) 横通道内部及上覆地层2.0 m范围内注浆加固工况下，横通道的分层开挖施工，诱发地表最大沉降从-8.2 mm，增加至-12.0 mm，可见地层采取超前注浆加固措施后，地表最大沉降减少了50%地面沉降显著降低。

(2) 横通道内部及上覆地层2.0 m范围内注浆加固工况下，横通道衬砌从底部向拱部施工及临时仰拱拆除期间，横通道衬砌侧墙的最大水平收敛变形由1.3 mm增至2.3 mm，随后基本保持不变。可见，地层加固后，最大水平位移变化有所减小，横撑的拆除对隧道衬砌水平位移的影响不大。

2.3.3 注浆加固范围3.0 m

现假定地层加固范围为横通道结构外侧3.0 m范围及内部地层进行加固，由计算结果可知：

(1) 横通道内部及上覆地层3.0 m范围内注浆加固工况下，横通道的分层开挖施工，诱发地表最大沉降为-8.3 mm，可见地层采取超前注浆加固措施后，地表最大沉降减少了70%，地表沉降值控制在了-10.0 mm以内，满足许可要求。

(2) 横通道内部及上覆地层3.0 m范围内注浆加固工况下，横通道衬砌从底部向拱部施工及临时仰拱拆除期间，横通道衬砌侧墙的最大水平收敛变形由0.9 mm增至1.5 mm，随后基本保持不变。可见，地层加固后，最大水平位移变化有所减小，横撑的拆除对隧道衬砌水平位移的影响不大。

2.3.4 注浆加固范围4.0 m

现假定地层加固范围为横通道结构外侧4.0 m范围及内部地层进行加固。

通过以上地层注浆加固范围(2 m、3 m、4 m)三种工况的数值结果分析结果，对比可知：

(1) 横通道内部及上覆地层4.0 m范围内注浆加固工况下，横通道的分层开挖施工，诱发地表最大沉降为-6.3 mm，可见加强方案下的超前注浆加固措施后，地表最大沉降减少了75%，地表沉降值控制在了-10.0 mm以内，满足许可要求。

(2) 横通道内部及上覆地层3.0 m范围内注浆加固工况下，横通道衬砌从底部向拱部施工及临时仰拱拆除期间，横通道衬砌侧墙的最大水平收敛变形由0.76 mm增至1.00 mm，随后基本保持不变。可见，地层加固后，最大水平位移变化有所减小，横撑的拆除对隧道衬砌水平位移的影响不大。

随着加固范围的增加，地表变形和侧向变形均得到明显的限制。加固范围为2 m时，地表沉降变形已减小到原来的50%。加固范围超过2 m后，随着加固范围的持续增大，虽然可以继续减少地面沉降，但加固效果逐渐减弱。但对于侧向变形，加固2 m，并没有起到关键作用，随着加固范围的增加，侧向变形的减小非常显著。

综合上述分析，由于侧向变形不是本工程的控制要素，需根据地面沉降变形来确定注浆加固范围。当注浆范围为3.0 m，最大地面沉降小于10.0 mm，是市政道路可允许的范围，若继续增大加固范围，加固效果并不明显，且投资将增大。为此，推荐加固范围为3.0 m。

3 结论与建议

通过工程实例，研究了注浆加固范围对具体工程地表沉降和侧向变形的影响。研究结果表明：

(1) 随着加固范围的增加，地表变形和侧向变形均得到明显的限制。加固范围为2.0 m时，地表沉降变形已减小到原来的50%。加固范围超过2.0 m后，随着加固范围的持续增大，虽然可以继续减少地面沉降，但加固效果逐渐减弱。但对于侧向变形，加固2.0 m，并没有起到关键作用，随着加固范围的增加，侧向变形的减小非常显著。

(2) 结合具体工程实际，最终确定工程暗挖通道加固范围为3.0 m。