摘要：超前预加固技术是关系湿陷性黄土地下暗挖施工安全重要因素之一，本文以地铁四号线下穿西安火车站为工程背景，为保证上方铁路的安全运营和下方隧道开挖的顺利进行，本文从黄土力学性能、超前加固方案及关键施工参数的研究入手，并结合室内试验和现场注浆试验，进行数值分析、实践探索。主要研究内容分为两个方面：（1）全断面注浆工法研究和选定；（2）室内黄土力学性能试验；（3）下穿铁路轨道、道岔注浆施工技术。
关键词：饱和软黄土；加固止水；注浆；
1引言
随着城市化进程的加快，交通拥堵成为人民亟待解决的问题。地铁的出现，能有效缓解这一难题，因此，城市地铁的建设出现了井喷式发展。地铁建设的迅速发展不可避免带来各种各样的工程问题，例如地面沉降、塌陷，隧道内突水，周边建筑物不均匀沉降，地下水的渗透、渗流等。这些工程问题的存在给地铁隧道造成极大的困难，严重阻碍了地铁隧道的建设。在这些工程问题中，地表的沉降控制是每条地铁隧道都要面临和解决的问题。
目前，暗挖隧道沉降控制措施有：短进尺分步开挖、采用厚度较大的衬砌并及时封闭、超前支护(大管棚、小管棚、小导管注浆)和地层注浆等。近年来，注浆技术在隧道施工中的应用变得十分广泛，逐渐成为控制隧道围岩变形、地表沉降一种极其重要的手段。然而，不同的受注介质，浆液的流动及加固效果有很大的不同，所以需要针对特有的地质条件来研究注浆机理。
西安地铁四号线火车站站位于国铁站场区下方，施工期间要保证国铁正常运行，对地表沉降控制要求严格。由于注浆技术在控制地表变形中的良好的效果，因此，研究黄土中劈裂注浆加固技术变的十分必要，不仅可以为本项目提供可靠的理论依据，也能够为后续黄土地区注浆加固的研究提供参考。
2工程概况
西安地铁四号线下穿西安火车站段，左线暗挖隧道全长267.10m,右线暗挖隧道全长260.65m，其中隧道开挖断面尺寸分为11.7×10.16m和7.22×8.23m。超前支护采用大管棚、小导管和全断面注浆支护。火车站场区具有单开道岔、对称道岔、三开道岔、菱形道岔等多种道岔，形成错杂复杂的铁路网。下穿隧道施工过程中左线共下穿8组道岔，15道股道；右线共下穿4组道岔，14道股道。隧道和道岔、股道的具体位置如图1所示。
图1 隧道与地表道岔、股道位置关系
地层自上而下依次为人工填土、新黄土、饱和软黄土及残积古土壤，上更新统洪积粉质黏土等。此外拟建场地地下水位以上黄土具有湿陷性，场地地基湿陷等级为Ⅰ级。地质剖面图如图2所示。
3全断面注浆工法研究与选定
对地层注浆加固止水效果要求是：①暗挖主要穿越国铁站场道岔咽喉区，地表上的股道、道岔要实现开挖后的“零隆起”和累计沉降不大于15mm的目标；②注浆浆液必须是永久凝固，不能因浆液分解而出现隧道下穿通过后地表持续缓慢下沉的情况；③注浆加固后的土体强度力学性能要满足设计要求：加固后的开挖面土体无侧限抗压强度达到0.6MPa，周边土体加固区达到1.2MPa，渗透系数≤10-6cm/s。
结合上述对本次注浆过程对地层加固效果要求的特点，选用WSS全断面深孔注浆工法作为本项目注浆加固止水施工工法。
图2 火车站地质剖面图
4预加固技术研究
4.1室内黄土力学性能试验
4.1.1 饱和黄土室内试验
新黄土受水浸后，在上覆压力作用还没有完全使其压密，土本身湿陷性有所退化但未完全消失前，其结构性完整、土体的大孔隙保存完好，饱和度大于80%的土。
试验过程中，每组试验分别采用100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的围压加载，剪切速率控制在0.0096mm/min，剪切停止的判断标准为：当有峰值强度时，达到峰值强度停止剪切，反之则以轴向应变20%（小于量力环量程）为加载停止标准，最后得到含水量总应力强度公式。通过试验，现场取得的原状黄土物理性质指标见表1。
表1原状饱和软黄土物理性质指标表
通过试验，测得的各组土样的平均含水率分别是ω=12.3%（Sr=32.5%）、ω=16.9%（Sr=44.6%）、ω=22.8%（Sr=60.1%）、ω=25.1%（Sr=66.2%）、ω=31.9%（Sr=84.1%）、ω=33.4%（Sr=88.1%）、ω=35.7%（Sr=94.2%）、ω=37.2%（Sr=98.1%），各组的黄土强度包线见图3，可以得到，同一组土样在围压不断增加的情况下，抗剪强度有提高，含水率越低的土样，土抗剪强度包线斜率越大，土样强度越高。绘制含水率下黏聚力、内摩擦角以及弹性模量关系，见图4-6，可以看出，饱和软黄土的的黏聚力受含水率影响明显，处于饱和状体的原状黄土黏聚力小于40kPa，随着含水率升高强度下降越明显；饱和软黄土中的含水量降低，其强度呈线性增长。
含水率对于饱和软黄土弹性模量影响较大，当含水率由低到高，其弹性模量呈指数不断降低，而且最后含水率增大后，强度在较小值趋于稳定。
含水率与内摩擦角几乎呈线性相关关系，三条曲线拟合公式及拟合度如下：
把含水率引入到抗剪强度理论，则有τf=c(ω)+σtanφ(ω)，c(ω)与φ(ω)如上式（1）、（2）。
4.1.2黄土劈裂注浆室内试验
(1)试验模型
试验模型设计采用实木龙骨和10mm多层胶木板制作，内部尺寸为800mm、800mm、600mm，可自行拆卸，方便注浆试验后开挖试件，梳理浆脉。
(2)试验设备
本次试验注浆设备采用ZBQ-27/1.5型气动注浆泵，最大工作压力为3.2MPa，最大排量27L/min。该设备能有效控制试验过程中所用压力，方便试验人员对试验指标的变化规律作出定性和定量的分析和判断。气源采用风豹0.12/8型空气压缩机，输出压力0.8MPa。注浆管选用直径为6mm的铜管，注浆管底端距离箱底部约400mm。
(3)试样制备
试验所用土样为西安地铁四号线TJSG-11标新黄土：褐黄色，土质均匀，可塑。取土层深度11.00-17.00m，其基本物理力学指标见表2。
表2黄土的物理力学指标
基于试验用黄土自身的物理特性，为了达到不同类型黄土进行试验研究的目的，试验中严格控制试样的初始含水量，并使水分在试样内部能够达到均匀分布，本文分别采用了水膜转移法和自然风干法来控制试样达到所要求的含水量。从低含水量配置达到高含水量的试样，采用水膜转移法：用喷壶在试样表面各处缓慢、均匀喷洒预定的水量，然后填筑试样并静置三小时。对于从高含水量配置低含水量的试样，采用自然风干法。试样填制过程中，每填筑80mm整平压实，以符合现场土的力学状态。
试验所用注浆材料依据施工设计规范，结合现场情况，采用海螺牌P.042.5型普通硅酸盐水泥，注浆浆液为水泥-水玻璃双浆液，掺加相应的化学材料。
4.1.3注浆试验段加固围岩物理力学性能试验
（1）试样选取
为验证全断面注浆加固的效果，在注浆试验段ZDK17+908.5～ZDK17+912.4分别取钻孔，现场取得的若干土样用保鲜膜包裹，并用透明胶带封口后，带回到试验室。
（2）变水头渗透试验
现场取回的土样参照土工试验规程进行试验，如图3.1-19，并记录数据，然后通过建立瞬时的达西定律推导变水头试验法下渗透系数的表达式（3）：
注浆土样和原状土土样的变水头渗透试验过程中，严格量测水温，且每组样的起始水头和最终水头都取相同高度，水头每下降5cm记数一次，并计算渗透系数，最后求得的平均值为该孔的渗透系数。
注浆前各取样孔的原状土样的平均渗透系数为9.20e-3～1.31e-2cm/s，注浆后的土样平均渗透系数1.29e-6～6.31e-5cm/s，说明注浆预加固围岩起到了较好的止水效果，极大降低了注浆地层的渗透性。
（3）注浆土样力学性能试验
对原状土和注浆土样分别进行含水率和密度试验，由图7，可以看到注浆后的土样的含水率都出现了一定程度的降低，拱顶处的3号样处于饱和黄土层，含水率较高其余各孔土样较之含水率较高，且注浆后其含水率由原先的27.1%下降至10.9%，降低了近三成含水量。
通过环刀法对注浆前后的土样密度进行对比，由图8可以看出，注浆后的土样密度出现了小幅的增加，掌子面孔密度1.84g/cm3增至1.99g/cm3增幅为8.0%，而相较之下的拱顶3号孔，密度由1.78g/cm3增至1.86g/cm3增幅为4.6%，增幅最大，其余周边孔的平均密度提升约6.0%，因此可以看出，注浆后的土样密度均有所提升，但是较为明显的还是土体的含水率改变。
（4）原状土与注浆土样力学性能对比
由图9可以看出，注浆后土样黏聚力有较大提高，其中掌子面孔的平均黏聚力由53.2kPa提升至87.2kPa，周边孔由42.1kPa、38.2kPa、45.6kPa、45.1kPa、提高到76.8kPa、62.3kPa、65.8kPa、55.2kPa，强度平均提升55.5%。相比之下，注浆后的土样内摩擦角（如图10示）略有提高，但是平均提高10.7%，不如黏聚力提高明显。
由上述分析，可以看出全断面注浆对于改善围岩和掌子面开挖土体的强度效果明显。注浆主要是降低原位土体的渗透性能以及提升土体的黏聚力，对于土体的密度和内摩擦角的改变较小，整体上提升土体的抗剪强度。
图11 全断面注浆纵剖面示意图及轴侧面示意图
4.2现场设置试验段注浆试验
为保证注浆加固后的开挖面土体无侧限抗压强度达到0.6MPa，周边土体加固区达到1.2MPa，渗透系数≤10-6cm/s的设计要求，参考设计要求，结合施工现场的环境和地质情况，设置了注浆试验段，选用WSS全断面深孔注浆工法进行试验段注浆施工。
注浆试验段共分为四个循环，左线设置两个试验段，右线设置两个试验段。根据隧道断面形式的变化每个循环注浆长度有所差异，搭接长度均为3m以形成3m止浆墙，隧道注浆每延米加固土体为112.11m3。
图12 注浆孔位土体分区以及孔位扩散半径示意图
经现场四个试验循环，摸索形成了加固止水的施工注浆参数及工艺，包括：注浆压力、注浆量、注浆孔合理数量及布置间距、注浆孔打设角度、注浆长度、浆液配比、沉降控制等。
5结论
本文以西安地铁四号线下穿国铁站场区工程为背景，首先采用室内模型试验的方法，通过自行研制的室内注浆试验系统，实现了重塑黄土的注浆模拟，揭示了浆液在土体中的扩散状态，分析了影响浆液扩散过程的因素。最后，将理论与试验的研究结果用来指导现场实践，并得到十分良好的注浆效果。研究过程中得到一些具体的结论如下：
(1)基于室内注浆试验和现场注浆试验相结合，优化了注浆参数，对富水饱和软黄土进行了全断面注浆加固，加固后的开挖面土体无侧限抗压强度达到0.6MPa，周边土体加固区达到1.2 MPa，渗透系数≤10-6cm/s，含水率由原先的约30%下降至10%左右，达到隧道开挖无水作业条件。
(2)通过对黄土劈裂注浆的楔形理论模型进行分析计算，结合现场设置试验段进行实践研究得出了不同注浆压力下浆液最大扩散半径。
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论文作者:梁西军1,张振龙2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
标签：注浆论文; 黄土论文; 隧道论文; 断面论文; 试样论文; 道岔论文; 浆液论文; 《基层建设》2019年第15期论文;