摘要
软土盾构隧道横向变形直接关系到结构安全,常采用微扰动注浆方法控制。为研究隧道微扰动注浆效果,针对一段隧道双侧微扰动注浆加固后的地层,开展了静力触探试验,分析注浆对隧道周围土体的影响规律;对现场获取的土样开展了室内K0固结不排水伸长剪切实验,获得了注浆前后土体伸长剪切强度su和刚度E50的变化量;采用线性模型拟合注浆量和收敛值比值数据,建立了可描述相对注浆量与注浆前后收敛值比值关系的方程式,分析了注浆对收敛值降低的效果。研究结果表明,注浆使锥尖阻力提高了110.8%(注浆中心区)和97.6%(注浆边缘区),注浆加固效果呈现非均匀性;注浆后土体的su比注浆前提高了约112%,E50提高了约132%;注浆使隧道的横向收敛累计值平均降低了约24%。利用得到的结果,可根据浆液用量对隧道横向收敛的恢复进行估算,为后续设计微扰动注浆方案治理软土盾构隧道的横向收敛提供借鉴。
上海第4层淤泥质黏土具有饱和、流塑、土质均匀、夹少量粉砂团块等特点,属高压缩性
微扰动注浆一般采用0.3~0.5 MPa的注浆压力,将水玻璃浆液和水灰比(质量比)为0.6~0.8的水泥浆液注入隧道单侧或两侧黏土层中,借助注浆压力挤压变形隧道,使其收敛得到一定程度的恢复,同时隧道附近注浆后的浆土混合体因抗力增加阻止了隧道的继续变形。浆液在土体中的扩散方式一般为压密为主劈裂为辅或压密、劈裂相伴随。在微扰动注浆研究方面,张冬梅
本文结合上海地铁2号线某段区间隧道的微扰动注浆治理案例,①开展现场静力触探试验,对获得的注浆前后的土体静力触探锥尖阻力值进行对比,分析注浆加固效果;②在注浆和非注浆区域通过标准贯入试验进行现场取土,制样并设计应力路径开展室内K0固结不排水伸长剪切实验,确定注浆前后土体强度和刚度的提高程度;③基于监测的隧道直径横向收敛值对隧道侧向注浆效果进行评价,拟合相对注浆量与注浆前后收敛值比值之间的关系,评估注浆效率;④讨论微扰动注浆加固效果非均匀性的原因,给出提高注浆加固效果均匀性和注浆效率的建议。通过开展上述研究确定注浆加固效果,从而与已有的微扰动注浆研究成果形成一个整体,为以后类似微扰动注浆设计提供借鉴。
2010年5月29日上海地铁2号线某隧道区间顶部地面发生堆土超载事件,堆载范围近似为矩形区域,长约400 m,宽约120 m,堆土高度平约为4 m(

图1 堆载区域地质剖面图
Fig.1 Geological profile for tunnel disrupted by extreme surcharge
受损隧道所处区域的地质剖面如
在隧道两侧沿轴线方向120 m范围内布置400个注浆孔对上行线中变形严重的第350环至第450环管片进行修复。靠近隧道下行线的一侧(左侧)由于受施工空间的限制,布置1排注浆孔B1,右侧布置3排注浆孔A2、A1、A3,如

图2 注浆方案和试验位置设计示意图 (单位:m)
Fig. 2 Schematic of grouting plan and field test position (unit: m)
注浆采用逐排施工的方式,先对A1排的注浆孔完成注浆,然后对另一侧B1排的注浆孔进行注浆,完成B1排注浆孔注浆后,对A2排注浆孔进行注浆,最后完成A3排注浆孔的注浆。
对于隧道两侧的淤泥质黏土采用水泥‒水玻璃双液浆对其进行加固,水泥水玻璃的特征参数如
注浆管采用外径32 mm、内径20 mm的钢管,钢管的末端有8个直径4 mm的注浆孔,呈双排梅花形均匀布置,钢管的末端有一个保护套保护注浆孔在未注浆时不被泥土堵塞(

图3 注浆管示意图
Fig. 3 Schematic of grouting pipe
为了检测隧道侧向土体的注浆加固效果,实施注浆后一个月左右,在对应隧道第411环管片(注浆区域沿隧道轴向方向的中心)附近区域选择4处位置进行静力触探试验(CPT),并选择2处位置进行标准贯入试验(SPT)取土,如

图4 不同钻孔锥尖阻力值随深度的变化
Fig. 4 Cone tip resistance ps from CPT data along with depth of different boreholes

图5 注浆前后锥尖阻力值的比值随深度的分布
Fig. 5 Distribution of ratio of cone tip resistance value before and after grouting against depth
(1)未注浆区域K1和K3孔的锥尖阻力平均值略微高于原始孔中锥尖阻力的平均值(
(2)K2和K6处锥尖阻力平均值(由
(3)在14~19 m注浆深度范围内,K2和K6孔中,ps_注浆后/ps_注浆前的最大比值分别约为7.7和7.4 (
(4)K2孔和K6孔中ps_注浆后/ps_注浆前的离散性高于K1孔和K3孔,表明浆液在土体中是呈不均匀分布的,注浆后土体呈非均质性。
为研究1.2节注浆参数条件下的浆土混合体宏观力学特性,揭示微扰动地层注浆对软土刚度和强度的影响,对现场试验区域的土体进行了室内K0固结不排水伸长剪切三轴实验。实验所用土样通过标准贯入试验在现场钻取K4和K5两个钻孔进行获取。K4钻孔靠近CPT孔K6,位于未注浆区域;K5钻孔在CPT孔K2附近,位于注浆区域,如

图6 现场钻孔土样照片
Fig. 6 On-site photo of soil sample from borehole
三轴实验所用的3个标准试样的高度均为80 mm、直径均为39 mm,由取自K4孔深度17 m处、K5孔深度17 m和19 m处的土体所制备。三轴实验在同济大学的GDS应力路径三轴测试系统(

图7 GDS应力路径三轴测试系统和剪切后试样
Fig. 7 GDS stress path triaxial testing system and sample after extensive shearing
3个标准试样K0固结不排水伸长剪切实验的应力路径如

图8 K0固结不排水伸长剪切实验应力路径
Fig. 8 Stress path of K0 consolidated undrained extensive shear triaxial test for soil samples from boreholes K4 and K5

图9 剪切过程中偏应力与轴向应变关系
Fig. 9 Stress-strain curves of extensive shearing for three soil samples from boreholes K4 and K5
(1) K0固结后的试样伸长剪切过程中轴向应变随着偏应力的增加而增长,且增长过程呈现显著的非线性特征,在较低偏应力增量范围内应变随应力增长缓慢,但是在较高偏应力增量范围内应变随应力增长迅速,伸长剪切的困难程度随着伸长过程的进行而不断降低,偏应力由0增加至180.0 kPa 即可完成总变形量的15%~16%。
(2) K5钻孔的2个标准试样需要更高的偏应力增量才达到与K4钻孔标准试样相同的轴向应变,表明注浆加固区的土体具有更高的刚度。
(3) 不同深度处注浆加固区域的土体(K5(17 m)试样和K5(19 m)试样)的偏应力‒应变曲线在形状和量级上基本一致,表明拔管注浆的均匀性,然而这并不能说明注浆土体具有均质性。该结果与前述现场CPT试验数据说明拔管注浆对提高土体的强度、刚度等性质非常有效。
土体的割线模量E50可由
(1) |
3个标准试样E50的计算值以及标准试样取样区域隧道建造前的土体割线模量如
K4(17 m)钻孔的E50值为7 800.0 kPa,与取样区域隧道建造前的土体E50值5 300.0 kPa相比,注浆区域土体(K5(19 m)钻孔)的割线模量提高了约132%,未注浆区域土体(K4(17 m)钻孔)的割线模量提高了约47%。
土体的不排水拉伸剪切强度su同样可由
(2) |
3个标准试样su的计算值以及标准试样取样区域隧道建造前的土体固结不排水抗剪强度如
由以上分析可以看出,淤泥质黏土的强度和刚度因注浆得到了极大程度的提高,注浆区域土体强度提高了约112%,刚度提高了约132%,受注浆压力的传递作用,注浆区域附近的土体强度和刚度也得到一定程度的提高。
微扰动注浆根据实时监测的收敛变化值进行单孔少量多次注浆,单次注浆使直径的横向收敛缩小不超过隧道直径的0.5%,通过分区分阶段的注浆方式提高土体侧向抗力,达到阻止隧道继续变形的目的。隧道的直径横向收敛是现场用于判断注浆孔先后注浆顺序和评价注浆效果的重要指标之一。
每隔10环左右对隧道的直径横向收敛进行长期监测,如

图10 隧道在整个加固期间的横向变形
Fig. 10 Tunnel horizontal convergence evolution over in full repair period
虽然注浆能显著降低隧道直径的横向收敛,对隧道横向收敛有一定程度的恢复,但注浆效率是必须要考虑的问题,在确定的注浆参数下,相对较少的注浆量能对隧道横向收敛的恢复起到较好的效果才是经济的、合理的。本文依据统计得到的注浆量与监测得到的隧道直径横向变形数据分析注浆效率。

图 11 归一化收敛值与相对注浆量的关系
Fig. 11 Relationship between normalized convergence value and relative grouting volume
(1)不同管片的归一化收敛比值随对应该管片的注浆量的增加而减小。
(2)归一化收敛比值与相对注浆量可拟合成线性关系,即
(3) |
式中:ΔD为注浆后监测到的隧道管片的横向收敛;V浆为浆液的累计体积;r为隧道的半径,拟合公式的相关系数为0.86,相关性较强。
(3)当相对注浆量为6.8,即隧道周围的土体注入约205 500 L浆液时,由拟合公式计算的监测管片的ΔD/ΔD_注浆前平均值约为85.98%,即注浆使得直径的横向收敛降低了约14.02%。
在注浆恢复隧道横向收敛之前,计划注浆区域的管片已经经过内张芳纶布的补强措施,提高了管片的刚度,因此可能是造成注浆效率低的原因。因此改变张贴芳纶布和注浆施工的顺序,在张贴芳纶布之前先注浆,可能对注浆效率的提升具有一定的帮助。
上海第4层淤泥质黏土具有饱和、流塑、土质均匀、含有机质、夹少量粉砂团块等特点,属高压缩性土。在隧道建造以前,静力触探试验的结果(
根据张忠苗

图12 劈裂‒压密注浆效果示意图
Fig. 12 Schematic of split-compaction grouting effect
研究表明当单孔注浆量增加到一定程度后,浆脉厚度在浆脉的扩展方向上的衰减会变得不明
盾构隧道侧向微扰动注浆是一个极其复杂的问题,且现场影响因素众多,仅依靠理论、数值分析,难以掌握土体的注浆加固效果和机理。本文通过现场静力触探试验,并对现场注浆加固后的土体取样进行室内K0固结不排水伸长剪切实验,以及基于注浆前后过程中监测的隧道横向收敛对注浆加固效果进行了分析,得出以下主要结论:
(1)注浆前后的静力触探试验表明,注浆加固区的锥尖阻力值提高明显,且具有较高的离散性,注浆加固效果随着深度的变化呈现局部效应、非均匀性;采用1.2节中的注浆参数,在淤泥质黏土中注浆影响半径在0.6 m左右,且距注浆孔越近注浆加固效果越明显。
(2)在相同的偏应力下对进行固结不排水实验后的标准试样进行伸长剪切时,注浆加固区域的土样需要更高的偏应力增量才能达到与注浆压密区域土样相同的轴向应变,表明注浆加固区的土体具有更高的刚度。
(3)建立了可描述注浆量与注浆前后收敛值比值关系的方程,可根据注浆量粗略估算注浆对隧道横向收敛的恢复。本案例中累计体积为205 500 L的浆液可使隧道横向收敛平均降低约14.02%,注浆效率相对较低。在保证单次注浆对管片直径横向收敛的改变不超过隧道直径0.5%的前提下,适当增加单孔注浆量,可以提高注浆效果的均匀性,可能会利于注浆效率的提升。
必须指出的是,本文进行的上述实验是在完成隧道侧向地层注浆后1个月开展的,所获得数据是基于龄期为1个月的浆土混合体试样,但随着时间的增长,浆体会老化,隧道直径的收敛受浆土混合体抗力不足的影响,会出现一定程度的反弹。因此,注浆对隧道变形的长期效果是工程中必须关注的问题,开展浆液龄期对加固效果的长期效应影响研究是后续的研究方向之一。
作者贡献声明
赵 帅:完成实验数据分析及论文撰写。
张东明:提出论文框架,指导数据分析,论文修改。
邵 华:论文修改,提供现场监测数据。
黄宏伟:论文修改。
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