止水帷幕注浆圈临界厚度分析

金 琼 （中铁十七局集团有限公司第二工程有限公司，陕西 西安 710043）

1 概 述

随着城市建设的发展，大量的热力隧道、交通隧道需要修建。目前，在城市，尤其是中心城区，修建隧道与地下工程，基本不具备明挖施工的条件，且明挖法前期拆改费用高，工期因前期拆改实施难度大而不可控。由上世纪80年代在北京市地铁二号线与一号线折返线隧道首次创立并实施的浅埋暗挖法，是基于先进行施工降水的一种隧道工法，适合修建城区地下工程。因此，在未来的地下工程建设中，浅埋暗挖法将是最主要的隧道施工工法，甚至有些情况下是不二选择1。

浅埋暗挖施工方法的一个主要特征就是保持掌子面的相对干燥，而热力隧道、交通隧道等地下工程一般是处于软弱破碎地层，这种地层一般富含地下水。所以，降水成为修建城市轨道交通工程的重要组成部分。

众所周知，降水会对地下水结构产生重要影响，同时造成地层损失，从而导致地表不均匀沉降，造成建筑结构开裂，影响建筑结构安全。所以，越来越多的城市开始限制在城市中心进行降水作业。因此，亟待研究地层预加固及地下水处治的非降水（注浆）隧道施工技术，促进浅埋暗挖隧道施工法的技术进步与技术升级真正实现绿色安全施工。

注浆厚度对止水效果有着重要影响，同时也直接关系着注浆量的大小，对其研究有着重大的现实意义。本文旨在通过借助FLAC3D有限差分软件对注浆圈厚度进行数值模拟，以确定临界注浆圈厚度。

2 模型建立

2.1 模型尺寸

数值分析的模型只能是空间有限的区域，而地下结构周围的地层相对而言是无限大或半无限大（深埋或浅埋）的，因此必须选取某个有限的计算范围建立数值分析模型。这个计算范围的边界应该离地下的结构足够远，设在几乎不受地下工程影响的地方。经验表明，一般来说，离洞室中心3～5倍于洞径洞室特征尺寸（最大内径）以外的地方，地下工程的影响足够小，上下边界甚至在1.5倍洞径时影响已经很小，本次计算所选取的模型范围是边长为40m、30m的矩型，见图1所示，隧道轴向选取12m，为以一次注浆循环，按照计算经验，这个尺寸以足够满足工程需要。

2.2 本构模型及计算参数

模型中采用工程中应用最为广泛的Mohr-Coulomb破坏和强度准则。Mohr-Coulomb模型是基于材料破坏时应力状态的莫尔圆提出的，破坏线是与这些莫尔圆相切的直线，Mohr-Coulomb的强度准则为：

式中：τ 剪切强度；β 为正应力；c 为粘聚力；φ 为内摩擦角。

从Mohr圆可以得到以下关系：

把τ、σ 代入τ=c-σtanφ 中，Mohr-Coulomb屈服准则可写为：

在π 平面上，Mohr—Coulomb屈服面是一个不等角的六边形。为避免尖顶和棱角这些奇异点，使数值计算简化并加快收敛，采用Menetrey—William型塑性势函数，在π 平面上呈椭圆型、在子午面上呈双曲线型，屈服面完全光滑。

模型计算参数 表1

初衬采用C20混凝土，厚300mm，密度2400kg/m3，弹性模量为25 GPa，泊松比0.25，抗压强度为12.5MPa，抗拉强度为1.3MPa。二衬采用C30混凝土，厚度也为300mm，密度2500 kg/m3，土层的相关参数见表1所示。

2.3 工况选择

土体注浆后，各项物理性能参数会发生变化，能有效抑制竖向沉降，影响塑性区分布规律及应力场分布规律。先假定为全断面注浆，以注浆后土体渗透系数为10-4cm/s（弱透水层），地下水位与隧道仰拱标高之差为10m，分别选取注浆圈厚度为0m（不注浆）、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、5m、7m时竖向位移场、塑性区分布及水压分布的分布规律，综合分析后得出最优注浆圈厚度。对于隧道模型，模拟时考虑开挖时步，按上下台阶法开挖，上下台阶错1.8m，每进尺0.6m进行初支支护，共模拟开挖12m，其网格模型见图2所示。

3 竖向位移场随注浆厚度分布规律

注浆后直接影响位移场的分布规律，图3显示了注浆圈厚度分别为0m（不注浆）、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、5m、7m时竖向位移场的分布情况。

从图3可以看出，随着注浆圈厚度增加，整体沉降控制逐渐变好，不注浆时，沉降最明显。为了更具体分析沉降变化，提取出拱顶、拱顶正上方地表中心点以及仰拱3个观测点沉降数据并绘制成图4。

从图4可以看出，注浆厚拱顶和地标中心的沉降以及仰拱的隆起明显小于不注浆时的情况。随着注浆圈厚度的增加，沉降值越来越小，如在注浆厚度为2.0m时，拱顶沉降比不注浆时减小65%。同时可以发现，注浆圈厚度在2.0m之后，注浆效果对拱顶沉降的控制作用已经不甚明显。同样的，拱顶的正上方地表中心处的沉降以及仰拱隆起量随着注浆圈厚度增加也表现出与拱顶沉降非常一致的规律。

由此可以看出，从控制关键点的沉降值与经济效益两方面综合考虑，注浆圈厚度易控制在2.0m之间比较合适，根据工程周边环境和地质情况可以适当增加或减小注浆圈厚度。

4 水压随注浆厚度分布规律

注浆对围岩水压的影响较大，图5显示了注浆圈厚度分别为0m（不注浆）、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、5m、7m时围岩水压的分布情况。渗流量随注浆厚度的变化见图6所示。

由图5、图6可以看出，没注浆时隧道周边的水压消散最彻底，但这伴随着巨大的渗流量。随着注浆厚度的增加，隧道洞周水压消散逐渐加大，同时渗流量也逐渐减小。当注浆厚度在2.0m左右时，渗流量已趋于稳定，注浆厚度继续增加时渗流量不再显著变化。从渗流量水压消散控制考虑，注浆2.0m较为合适，根据工程周边环境和地质情况可以适当增加或减小注浆圈厚度。

5 塑性区随注浆厚度分布规律

注浆后直接影响位移场的分布规律，图7显示了注浆圈厚度分别为0m（不注浆）、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、5m、7m时塑性区的分布情况。

由图7可以看出，注浆后塑性区比不注浆明显减小，随着注浆圈厚度的增加塑性区越来越小，但当注浆圈厚度在2.5m之前注浆圈对塑性区的减小作用非常明显，到了2.5m以后注浆圈厚度对塑性区的影响作用不是很明显。从控制塑性区范围考虑，注浆2.5m较为合理。根据工程周边环境和地质情况可以适当增加或减小注浆圈厚度。

6 结 论

综合考虑围岩位移、渗流量以及塑性区的变化，当地下水位与隧道仰拱标高之差为10m时，注浆厚度在2.0m～2.5m是较为经济合理的。

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