随着城市现代化的不断发展，地铁作为缓解城市交通拥堵的公共运输系统具有运量大、速度快、安全可靠、准点舒适的特点，越来越受到人们的青睐，已成为一个国家综合国力、城市经济实力、人们生活现代化水平的重要标志之一[1，2]。目前，我国地铁建设无论是速度还是规模处在一个前所未有的发展期，但在地铁建设过程中存在一系列技术难题，如地下水的影响、地表沉降的严格控制等[3，4]。因此，施工中对围岩的加固及如何提高围岩自身的承载能力尤为重要。以西安市地铁一号线朝康段暗挖隧道工程为例，对城市地铁隧道暗挖施工中，采用二重管无收缩双液注浆（WSS）工法加固土体与止水进行分析研究。
1 工程概况
1.1 岩土地质条件
西安市地铁一号线朝康段始于朝阳门车站，沿长乐西路向东，下穿中兴路人行天桥，止于康复路车站；左右线隧道分别长774.597 m，776.2 m，均采用喷锚构筑法施工；左右线隧道线间距15 m，拱顶埋深14.87（朝阳门端）～9.48 m（康复路端），标准断面开挖宽度6.38 m，开挖高度6.55 m，CD法施工。
朝康段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；地面标高404.99～407.91 m，东高西低，高差2.92 m；地貌属黄土梁洼。朝康段地表分布厚薄不均的全新统人工填土，其下层为上更新统风积新黄土（局部为饱和软黄土）及残积古土壤，再下层为中更新统风积老黄土、冲积粉质黏土、粉土、细砂、中砂及粗砂等。
1.2 水文地质条件
朝康段施工现场地下水属潜水类型， 勘察测量的稳定水位埋深为4.3～7.5 m，相应标高397.89～403.41 m，高差达5.52 m，东高西低，为兴庆湖渗漏抬升地下水位影响区，地下水流向为西北方向，水位年变幅约1 m。
潜水赋存于上更新统残积古土壤、中更新统风积黄土及其砂夹层中，主要含水层为中更新统冲积粉质黏土2～3层的砂透镜体夹层中，分布不连续。砂透镜体夹层透水性好，赋水性强。地下水补给主要是大气降水及地表水渗入。潜水西北流向，排泄方式为迳流、人工开采及蒸发消耗。
1.3 施工难点分析
朝康段隧道为地下暗挖工程，设计要求在黄土地层中确保无水施工，水位降至结构底板下1 m，确保施工和隧道结构安全。朝康段勘察期间地下水位4.3（康复路端）～7.5 m （朝阳门端）。隧道开挖深度：康复路端16 m，朝阳门端21 m。降水深度为14.8（康复路端）～16.9 m（朝阳门端），降水水位位于饱和软黄土层以下。
根据西安地区饱和软黄土层降水经验，并结合开放式降水沉降计算，朝康段饱和软黄土失水后固结沉降一般在3 cm以上，降水引起的地表沉降最大为14.03 cm。朝康段开放式降水影响范围广、沉降值大，受降水影响75 m范围内的沉降为7.67～14.03 cm。开放式降水引起地面沉降造成的后果难以预料，存在安全风险。朝康段左线隧道西段距离建筑物较近（隧道中线距最近建筑物5 m），地下管线密布，降水井施工困难，采用洞内注浆止水措施。
2 注浆方案
隧道内注浆方法很多，几种常用注浆工艺的优缺点见表1。通过综合分析和对比， WSS工法采用二重管注浆+超前小导管注浆相结合的注浆止水加固地层法可满足工程需求，其注浆材料为“超细水泥+水玻璃+外加剂”的双液浆，止水及土体加固效果较好。采用WSS工法注浆作为朝康段隧道止水的主要施工方案，可增强土体强度，降低土体渗透性，减小地面沉降，保护地上建筑及道路安全。
2.1 WSS工法注浆机理
WSS工法注浆是通过二重管端头的混合室将两种混合浆液喷在地层需要加固止水的位置，在不改变地层组成的情况下，强迫挤出地层颗粒间的水，使颗粒间的空隙充满浆液并使其固结，达到改良土层性状的目的。喷浆使该地层黏结力c、内摩擦角φ值增大，从而使地层黏结强度及密度增加，达到加固作用。地层颗粒间充满不流动且固结的浆液后，其透水性降低，形成相对隔水层。WSS工法注浆机理见图1。
注浆时浆液达到一定压力后，注浆孔周围出现一定大小的气泡，随着压力不断增加，浆液泡体上方的土体出现一个倒立锥形剪切面；浆液泡体的直径增大时，周围土体的阻力越来越大。设浆液泡体的向上总压力为Fy，浆液泡体的水平总压力为Fx，圆柱形浆液泡体的平面投影面积为Ay，圆柱形浆液泡体的侧面面积为Ax，则：
Fy=σ×AyΔσπ；
Fx=σ×Ax；
Ay=π×d2/4；
Ax=2π×d2×l。
因注浆液应力值σ是固定的，所以Fy的增加与浆液直径r的平方成正比，而Fx的增加与浆液直径的一次方成正比。因此，浆液向上总压力的增加幅度远大于总水平力的增加幅度。在一定压力下，浆液泡体直径达到了极限值Rmax，与RL相应的注浆压力设为pn。当注浆压力为该值时，水平和向上的压力使浆液充分填充土体间缝隙，从而达到加固土体和止水的目的[5-7]。采用 WSS工法注浆效果如下：
（1）利用浆液封堵围岩裂隙并隔绝空气，防止围岩风化，防止围岩被水浸湿而降低围岩自身强度。
（2）注浆将松散破碎围岩胶结成一整体，提高了岩体的内聚力、内摩擦角及弹性模量，提高了围岩体作为支护结构的自身强度。
（3）利用注浆充填围岩裂隙，配合常规的锚喷支护，可形成一个多层有效的组合拱结构，扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力，将多层组合拱联结成一个整体，共同承载，提高了支护结构的整体性。
（4）注浆加大了支护结构面，使围岩作用在支护结构上的荷载所产生的弯矩减小，降低了支护结构中产生的拉应力和压应力，扩大了支护结构承载能力的适应性，与原岩形成一个整体，在大构造应力作用下稳定而不易产生破坏。
2.2 注浆施工措施
2.2.1 浆液配制
注浆浆液配制比例见表2。
2.2.2 施工流程
WSS工法注浆施工流程为：定孔位→钻机就位→钻孔至设计深度→提升钻具→移位→插花管、高压注浆。
（1）钻机就位钻孔。采用TXY-75A钻机成孔。在测量人员监控下进行对孔位，调整钻杆角度。孔位对准后，钻机不得移动，其大小臂不得随意升降。慢速钻进第一个孔，了解地层对钻机的影响，以确定地层钻进参数。钻孔时密切关注钻进尺寸及涌水量，出现异常情况立即停机，查找及分析原因后再钻进。
（2）回抽钻杆。匀速回抽，严格控制回抽幅度，每步20～30 cm为宜。
（3）设置注浆管。将注浆管设于预定深度后注入清水，清水从浆液混合器端部流出。
（4）注射浆液。关闭注浆管端口，进行喷射切换，喷射量一般为15～20 L/min，可根据工程实 际 进 行 调 整 。 注 浆 过 程中 ， 将 注 浆 压 力 控 制 在0.15～0.30 MPa，观察注浆量，如果压力突然上升，立即停止注浆，查明原因，采取调整注浆参数或移位等措施重新注浆。
（5）回抽注浆。施加压力注浆时，必须精心操作控制压力。
（6）注浆完成后洗净注浆管并收回，密封注浆孔，恢复原状。
3 注浆可行性预测分析
施工前选择试验断面建立数值模型，理论预测注浆效果（以单线隧道为例）。连续介质快速拉格朗日分析（FLAC3D）是Cundall和美国ITASCA公司开发的有限差分数值计算程序，主要适用于岩土工程问题分析。该程序建立在拉格朗日算法基础上，特别适合计算模拟材料的大变形和扭曲[8]。FLAC3D采用显式算法获得模型全部运动方程（包括内变量）的时间步长解，可追踪材料的渐进破坏和垮落。
模拟注浆前后地表及拱顶沉降见图2。从注浆数值模拟分析结果看，注浆止水和周围土体加固后形成的加固圈，可阻止地下水入侵，保证隧道暗挖施工作业，有利于隧道运营期间的防水；隧道围护结构的受力相当于拱桥的受力，拱顶沉降减少约30%，并减少了地表沉降，使沉降值处于安全控制范围。
4 注浆效果监测分析
隧道施工应坚持信息化施工和监测。监测项目包括建（构）筑物变形、地面沉降、地下管线沉降、地层应力、拱顶沉降、隧道收敛，以及支护结构受力变形等。通过对监控量测数据的分析处理，掌握地层变化规律，预见事故和险情，作为调整和修正支护设计及施工方法的依据，确保施工安全、建筑物及地下管线安全。
重点对地表沉降和拱顶沉降进行分析，检验WSS工法注浆止水加固土体效果。沉降监测点布控见图3。地表沉降监测预警值为21 mm，允许值为30 mm，若沉降值达到预警值，应对地层进行加固，隧道施工时应做好防排水设施，防止周围地下水汇集导致下沉；拱顶下沉监测预警值为21 mm，允许值为30 mm，对拱顶沉降进行分析，可预报土体坍塌及支护结构破坏情况。监测仪器采用DSZ2+FS1型精密水准仪，将监测数据与初始数据进行分析对比，并绘出变形沉降曲线（见图4）。
现场试验断面数据变化曲线表明，采用WSS工法注浆止水加固开挖面周围的土体，很大程度上限制了地表沉降和拱顶沉降，使沉降值处于安全允许范围，确保了施工安全。
5 结束语
通过分析WSS工法注浆机理及数值模拟预测施工效果，以注浆止水和预加固土体保证施工安全；以监控量测为判断标准，在西安市地铁富水黄土暗挖隧道中成功应用。数值模拟表明，采用WSS工法注浆可行有效，实际监测结果显示地表沉降最大值为17.4 mm，在沉降安全允许范围。WSS工法注浆止水和加固土体在黄土地区的成功应用，有效地保证了周边建筑物安全和地面交通正常运行，减少了对社会的影响，创造了可观的工程效益，积累了工程经验，对同类工程有一定参考价值。
参考文献
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