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摘要：以西安地铁一号线朝-康区间饱和软黄土暗挖隧道工程为背景，在分析研究超前小导管注浆加固机理的基础上，建立数值模型对所采取方案进行了验证。结果表明，超前小导管注浆加固在饱和软黄土隧道施工中应用效果明显，值得推广。
关键词：饱和软黄土；超前小导管；注浆加固；数值模拟
中图分类号：U457文献标识码： A
1工程概况
1.1工程地质条件
西安市地鐵一号线朝阳门站～康复路站区间起始于朝阳门车站，沿长乐西路向东，下穿中兴路人行天桥，终止于康复路车站；区间隧道位于长乐西路下方，道路两旁建筑物林立，地下管线复杂。地貌属黄土梁洼。
本段范围内隧道地层分布含有杂填土、素填土、新黄土、饱和软黄土、古土壤、老黄土、粉质粘土和中砂层等。
1.2水文地质条件
（1）第四系孔隙潜水
钻探揭露的场地地下水属潜水类型，2008年10月钻孔内量测得稳定水位埋深：在ZDK22+536.904-ZDK22+551.904段水位埋深为7.50m，水位年变幅1m左右。
（2）含水层与隔水层的分布
区间场地潜水赋存上更新统残积古土壤、中更新世风积黄土及冲积粉质黏土等黏性土层。主要含水层为中更新统冲积粉质黏土中2～3层中砂透镜体夹层，分布不均匀，该层透水层好，赋水性强。
（3）潜水的补给、迳流及排泄：潜水补给为地下迳流补给。受兴庆湖渗漏抬升影响，主要流向为西北向。潜水排泄方式为迳流、人工开采及蒸发消耗。
2超前小导管加固
针对该隧道存在饱和软黄土地层，围岩自稳能力差的状况，召开专题会议，进行了商讨，制定了相应的治理措施。为确保隧道开挖过程中及隧道成型后岩体的稳定性，拟采取超前小导管注浆预加固的措施。
2.1加固原理
小导管注浆法具有施工工艺简单、可操作性强、经济效益好等优点，在隧道具有不良地质段开挖时被广泛采用。其加固原理是在拟开挖的隧道轮廓线四周利用小导管注浆形成一定强度和厚度的封闭拱，以提高围岩的自承能力和稳定性。超前注浆小导管通过高压注浆改变了岩体的结构参数。在未经开挖的岩土体中形成刚度较大的加固圈，提高了岩土体的稳定性。
超前注浆小导管的施做，使得掌子面开挖后二次应力形成过程中，围岩产生不同于未加时的二次应力状态。另一方面，通过高压注浆改变了岩体的结构参数。通过这两方面的作用，在未经开挖的岩土体中形成刚度较大的加固圈，提高了岩土体的稳定性，使得隧道开挖时，围岩塑性区出现的时间得到延缓并使围岩的塑性区减小。
2.2加固效应
小导管加固效应可用以下三个方面来解释。
1、锚杆作用
在隧道的超前支护中，小导管的作用往往是锚杆锚固机理中的联接原理、组合梁原理和均匀压缩拱原理的其中二种或三种的综合作用。
2) 棚架作用
小导管的棚架作用指小导管施做完成后，进行隧道开挖施工时，小导管以靠近掌子面的钢支撑和前方未开挖的部分岩土体为支点，在纵向支撑起中间部分的岩土体，起纵向梁作用。
3) 锚杆桩作用
超前注浆小导管支护中，小导管的一端与钢拱架固定链接。通过注浆，小导管全长与岩土体胶结咬合，并且形成“壳状”加固圈，当加固圈承受围岩松散压力时，小导管便起到锚杆桩的作用。
4）综合作用
通过小导管向岩土体内注入浆液，不但提高了岩土体的力学性能指标，还起到了防水的作用。总之，超前注浆小导管技术的支护机理分析可以从两方面来考虑：小导管的注浆加固原理和结构作用
2.3加固参数
隧道拱部采用单层Φ42×3.5mm超前小导管超前支护，施工参数见表1。
表1超前小导管施工参数一览表
3超前小导管数值模拟
那么按照类似工程施工经验确定的该方案是否合适，还需要经过计算验证。本次计算采取数值模拟方法，计算软件采用FLAC(Fast Lagrange Analysis of Continua，连续介质快速拉格朗日分析)，该软件主要适用于地质和岩土工程的力学分析，特别适合模拟大变形和扭曲。可以追踪材料的渐进破坏和垮落，这对研究工程地质问题非常重要。
3.1计算原则
本次数值模拟分析旨在研究超前小导管的注浆加固作用，为方便期间，模型建立时实际隧道断面仅作为参考，对结果分析并无大碍。考虑到隧道在沿向上是平面应变问题，故模型前后左右采用法相约束，上部施加等效荷载，下部采用固端约束。
3.2计算结果
1）不采用小导管注浆 2）采用小导管注浆
图1 竖向位移云图
1）不采用小导管注浆 2）采用小导管注浆
图2 竖向位移云图
图1、图2 分别为不采用和采用小导管注浆时围岩的竖向位移云图和水平位移云图。由图可知，不采用小导管注浆时，隧道开挖后，拱顶和仰拱位移很大。拱顶为仰拱竖向位移的约2/3；采用小导管注浆后拱顶和仰拱最大位移值分别较未注浆时减小了一半多。采用小导管注浆后，隧道开挖时，两侧墙最大水平位移是未采用小导管注浆时的约1/4。
1）不采用小导管注浆 2）采用小导管注浆
图3 隧道围岩塑性区
图3是不采用小导管注浆和采用小导管注浆时围岩的塑性区范围图。由图可知采用小导管注浆后的隧道围岩塑性区范围明显缩小得到控制。
通过对超前小导管注浆加固隧道围岩的FLAC数值模拟分析可知，采取超前小导管注浆加固隧道围岩后，能够有效减小隧道表面围岩的位移和掌子面的稳定，确保施工安全。
4超前小导管施工
超前小导管在较差土层开挖隧道时既可作为注浆导管，又可起到超前锚杆的作用，作为区间隧道开挖预加固措施，在施工中必须严格按照施工技术规范进行。
4.1施工流程
超前小导管施工流程见图4。
图4超前小导管施工流程
4.2施工工艺及过程
1、小导管制作
采用直径为42mm、长度为3.0m的无缝钢管加工。小导管预先在洞外做成锥尖型，其中锥尖长10cm，管尾端用8mm钢筋焊一圈加强劲筋，以利注浆时固定注浆管。导管中间2.4m管壁以20cm间距梅花型钻孔径8mm的泄浆孔，末端1m不钻孔。小导管加工示意图见图5。
图5 小导管加工示意图
2、钻孔
采用YT28风钻钻孔，沿开挖轮廓线外按40cm间距及7～10°外插角度打孔，注浆孔应作到孔壁圆、角度准、孔身直、深度够、土块清理干净，钻孔结束后掏孔检查，在确认无塌孔和探头石时安设注浆管注浆。当出现卡钻，孔口不出水时应停止钻孔，立即注浆。
3、钢管采用YT风钻顶进，顶进时将风钻的回转爪取掉，将特制的短钎尾插入待进的钢管内，以风钻的冲击力将钢管顶入地层中，管端置于钢格栅腹部，并与钢格栅点焊连接。安装完毕喷锚进行封闭，喷射砼达到一定强度后，进行注浆，注浆采用1：1的水泥浆，水泥浆液选用标号不低于P.O42.5普通硅酸盐水泥配制。
4、注浆：采用KBY-50/70注浆机，采用注浆量和注浆压力双控原则进行注浆时间的控制。注浆压力控制在0.5～1Mpa，并设专人作好记录。
5、浆液的浓度、凝固时间应符合设计要求。注浆时应经常检查泵口和孔口注浆压力的变化，发现问题及时处理。
6、注浆过程中浆液不得流出地面及超出有效注浆范围，注浆顺序从拱脚向拱顶逐管注浆。
5结语
截至目前，该项目已经安全顺利施工完毕。施工结果表明，超前小导管注浆加固应用在饱和软黄土隧道中，不仅可以提高围岩强度，更好地发挥围岩自承能力，同时也可以增强隧道开挖掌子面的稳定性，有效减小地表沉降，有利于保护地表建筑物和保障地上道路的交通安全。
参考文献
[1]刘勇等.浅埋偏压连拱隧道开裂原因及防治措施[J].石家庄铁路职业技术学院学 报,2006,5(2):5-9
[2]宋晓容.京福高速公路文山下软弱围岩双连拱隧道施工技术[D] [硕士学位论文].成都:西南交通大学,2006
[3]张小军.软弱围岩浅理偏压条件下隧道施工技术[J].长沙铁道学院学报(社会科学版),2005,6(1):229-230
[4]师伟.浅埋偏压黄土隧道变形破坏机制分析及治理研究[J].公路交通技术, 2006(5):116-118
关键词：饱和软黄土；超前小导管；注浆加固；数值模拟
中图分类号：U457文献标识码： A
1工程概况
1.1工程地质条件
西安市地鐵一号线朝阳门站～康复路站区间起始于朝阳门车站，沿长乐西路向东，下穿中兴路人行天桥，终止于康复路车站；区间隧道位于长乐西路下方，道路两旁建筑物林立，地下管线复杂。地貌属黄土梁洼。
本段范围内隧道地层分布含有杂填土、素填土、新黄土、饱和软黄土、古土壤、老黄土、粉质粘土和中砂层等。
1.2水文地质条件
（1）第四系孔隙潜水
钻探揭露的场地地下水属潜水类型，2008年10月钻孔内量测得稳定水位埋深：在ZDK22+536.904-ZDK22+551.904段水位埋深为7.50m，水位年变幅1m左右。
（2）含水层与隔水层的分布
区间场地潜水赋存上更新统残积古土壤、中更新世风积黄土及冲积粉质黏土等黏性土层。主要含水层为中更新统冲积粉质黏土中2～3层中砂透镜体夹层，分布不均匀，该层透水层好，赋水性强。
（3）潜水的补给、迳流及排泄：潜水补给为地下迳流补给。受兴庆湖渗漏抬升影响，主要流向为西北向。潜水排泄方式为迳流、人工开采及蒸发消耗。
2超前小导管加固
针对该隧道存在饱和软黄土地层，围岩自稳能力差的状况，召开专题会议，进行了商讨，制定了相应的治理措施。为确保隧道开挖过程中及隧道成型后岩体的稳定性，拟采取超前小导管注浆预加固的措施。
2.1加固原理
小导管注浆法具有施工工艺简单、可操作性强、经济效益好等优点，在隧道具有不良地质段开挖时被广泛采用。其加固原理是在拟开挖的隧道轮廓线四周利用小导管注浆形成一定强度和厚度的封闭拱，以提高围岩的自承能力和稳定性。超前注浆小导管通过高压注浆改变了岩体的结构参数。在未经开挖的岩土体中形成刚度较大的加固圈，提高了岩土体的稳定性。
超前注浆小导管的施做，使得掌子面开挖后二次应力形成过程中，围岩产生不同于未加时的二次应力状态。另一方面，通过高压注浆改变了岩体的结构参数。通过这两方面的作用，在未经开挖的岩土体中形成刚度较大的加固圈，提高了岩土体的稳定性，使得隧道开挖时，围岩塑性区出现的时间得到延缓并使围岩的塑性区减小。
2.2加固效应
小导管加固效应可用以下三个方面来解释。
1、锚杆作用
在隧道的超前支护中，小导管的作用往往是锚杆锚固机理中的联接原理、组合梁原理和均匀压缩拱原理的其中二种或三种的综合作用。
2) 棚架作用
小导管的棚架作用指小导管施做完成后，进行隧道开挖施工时，小导管以靠近掌子面的钢支撑和前方未开挖的部分岩土体为支点，在纵向支撑起中间部分的岩土体，起纵向梁作用。
3) 锚杆桩作用
超前注浆小导管支护中，小导管的一端与钢拱架固定链接。通过注浆，小导管全长与岩土体胶结咬合，并且形成“壳状”加固圈，当加固圈承受围岩松散压力时，小导管便起到锚杆桩的作用。
4）综合作用
通过小导管向岩土体内注入浆液，不但提高了岩土体的力学性能指标，还起到了防水的作用。总之，超前注浆小导管技术的支护机理分析可以从两方面来考虑：小导管的注浆加固原理和结构作用
2.3加固参数
隧道拱部采用单层Φ42×3.5mm超前小导管超前支护，施工参数见表1。
表1超前小导管施工参数一览表
3超前小导管数值模拟
那么按照类似工程施工经验确定的该方案是否合适，还需要经过计算验证。本次计算采取数值模拟方法，计算软件采用FLAC(Fast Lagrange Analysis of Continua，连续介质快速拉格朗日分析)，该软件主要适用于地质和岩土工程的力学分析，特别适合模拟大变形和扭曲。可以追踪材料的渐进破坏和垮落，这对研究工程地质问题非常重要。
3.1计算原则
本次数值模拟分析旨在研究超前小导管的注浆加固作用，为方便期间，模型建立时实际隧道断面仅作为参考，对结果分析并无大碍。考虑到隧道在沿向上是平面应变问题，故模型前后左右采用法相约束，上部施加等效荷载，下部采用固端约束。
3.2计算结果
1）不采用小导管注浆 2）采用小导管注浆
图1 竖向位移云图
1）不采用小导管注浆 2）采用小导管注浆
图2 竖向位移云图
图1、图2 分别为不采用和采用小导管注浆时围岩的竖向位移云图和水平位移云图。由图可知，不采用小导管注浆时，隧道开挖后，拱顶和仰拱位移很大。拱顶为仰拱竖向位移的约2/3；采用小导管注浆后拱顶和仰拱最大位移值分别较未注浆时减小了一半多。采用小导管注浆后，隧道开挖时，两侧墙最大水平位移是未采用小导管注浆时的约1/4。
1）不采用小导管注浆 2）采用小导管注浆
图3 隧道围岩塑性区
图3是不采用小导管注浆和采用小导管注浆时围岩的塑性区范围图。由图可知采用小导管注浆后的隧道围岩塑性区范围明显缩小得到控制。
通过对超前小导管注浆加固隧道围岩的FLAC数值模拟分析可知，采取超前小导管注浆加固隧道围岩后，能够有效减小隧道表面围岩的位移和掌子面的稳定，确保施工安全。
4超前小导管施工
超前小导管在较差土层开挖隧道时既可作为注浆导管，又可起到超前锚杆的作用，作为区间隧道开挖预加固措施，在施工中必须严格按照施工技术规范进行。
4.1施工流程
超前小导管施工流程见图4。
图4超前小导管施工流程
4.2施工工艺及过程
1、小导管制作
采用直径为42mm、长度为3.0m的无缝钢管加工。小导管预先在洞外做成锥尖型，其中锥尖长10cm，管尾端用8mm钢筋焊一圈加强劲筋，以利注浆时固定注浆管。导管中间2.4m管壁以20cm间距梅花型钻孔径8mm的泄浆孔，末端1m不钻孔。小导管加工示意图见图5。
图5 小导管加工示意图
2、钻孔
采用YT28风钻钻孔，沿开挖轮廓线外按40cm间距及7～10°外插角度打孔，注浆孔应作到孔壁圆、角度准、孔身直、深度够、土块清理干净，钻孔结束后掏孔检查，在确认无塌孔和探头石时安设注浆管注浆。当出现卡钻，孔口不出水时应停止钻孔，立即注浆。
3、钢管采用YT风钻顶进，顶进时将风钻的回转爪取掉，将特制的短钎尾插入待进的钢管内，以风钻的冲击力将钢管顶入地层中，管端置于钢格栅腹部，并与钢格栅点焊连接。安装完毕喷锚进行封闭，喷射砼达到一定强度后，进行注浆，注浆采用1：1的水泥浆，水泥浆液选用标号不低于P.O42.5普通硅酸盐水泥配制。
4、注浆：采用KBY-50/70注浆机，采用注浆量和注浆压力双控原则进行注浆时间的控制。注浆压力控制在0.5～1Mpa，并设专人作好记录。
5、浆液的浓度、凝固时间应符合设计要求。注浆时应经常检查泵口和孔口注浆压力的变化，发现问题及时处理。
6、注浆过程中浆液不得流出地面及超出有效注浆范围，注浆顺序从拱脚向拱顶逐管注浆。
5结语
截至目前，该项目已经安全顺利施工完毕。施工结果表明，超前小导管注浆加固应用在饱和软黄土隧道中，不仅可以提高围岩强度，更好地发挥围岩自承能力，同时也可以增强隧道开挖掌子面的稳定性，有效减小地表沉降，有利于保护地表建筑物和保障地上道路的交通安全。
参考文献
[1]刘勇等.浅埋偏压连拱隧道开裂原因及防治措施[J].石家庄铁路职业技术学院学 报,2006,5(2):5-9
[2]宋晓容.京福高速公路文山下软弱围岩双连拱隧道施工技术[D] [硕士学位论文].成都:西南交通大学,2006
[3]张小军.软弱围岩浅理偏压条件下隧道施工技术[J].长沙铁道学院学报(社会科学版),2005,6(1):229-230
[4]师伟.浅埋偏压黄土隧道变形破坏机制分析及治理研究[J].公路交通技术, 2006(5):116-118