双线异性暗挖隧道帷幕注浆加固范围技术研究

袁宇超

关键词 隧道暗挖;帷幕注浆;加固;建模分析

中图分类号 U455.4 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）04-0154-03

0 引言

目前浅埋暗挖法施工大部分应用在城市地下地铁隧道以及电力、热力隧道中。随着地下轨道交通发展的不断完善，浅埋暗挖法隧道施工技术也越来越完善。但由于复杂的地质条件以及施工条件的限制，在进行隧道浅埋暗挖法施工时不可避免地会对周围的土层产生影响，从而引起地层发生变形;而当隧道在下穿构（建）筑物时，也会使下穿段上部的构（建）筑物产生一定程度的变形，这种变形一旦过大，就容易产生一定的破坏作用，从而影响构（建）筑物的正常使用，甚至产生毁灭性的破坏[1]。因此，研究浅埋暗挖法暗挖隧道下穿铁路路基的变形机理以及变形规律，科学制定暗挖隧道下穿既有铁路路基的沉降控制标准值，对减少由于施工引起路基沉降的不利影响是十分必要的。

1 工程概况

工程上穿北京地铁16号线，下穿永丰、京沪等5条地上线路，隧道采用浅埋暗挖法施工。

2 有限元法分析技术

有限元法分析技术主要是依据现有的计算机数值计算软件，对实际工程中的各种工况进行建模模拟分析，这种方法能够同时考虑多种因素对暗挖隧道引起地表沉降的影响，相较于经验公式法、公式与解析法和模型试验法更加高效与经济[2]。

3 计算假定和建模实现

为研究帷幕注浆加固范围对变形控制的影响，采用大型通用有限元程序Midas GTX NX进行数值仿真。对数值模型进行合理的简化如下：

（1）计算区域：以隧道洞径的5倍作为研究模型;沿着线路纵深方向，设立隧道模型60 m作为模拟对象。

（2）边界条件：设定左右边界、下边界及前后边界位移均为零，在x、y、z轴设立自由度，模型的上边界则为自由面。

（3）均质材料：假定模型内的衬砌、注浆加固段和土层等模型材料均为各向同性材料[3]。

（4）接触关系：为了使得结构和土体保持连续性，并且两者之间不会发生位移，所以在模拟时采用Tie约束来模拟衬砌和土体之间的相互作用。

数值模拟三维整体模型见图1。网格的划分是根据不同土层和区域来确定的，除注浆加固圈、隧道开挖区域外，网格划分长度均采用2 m。路基划分生成的网格数量为139个，节点数量为117个。第一层土体划分生成的网格数量为3 760个，节点数量为5 904个;第二层土体划分生成的网格数量为9 441个，节点数量为9 441个;第三层土体划分生成的网格数量为2 995个，节点数量为2 383个;第四层土体划分生成的网格数量为1 852个，节点数量为1 969个;第五层土体划分生成的网格数量为63 242个，节点数量为55 428个。

隧道的开挖区域是本模型的主要研究对象，因此需要对开挖区域进行更为详细的网格划分，尺寸控制为0.9 m。最终2.6 m隧道开挖区共生成网格数量为1 848个，节点数量为613个;2.0 m隧道开挖区共生成网格数量为1 169个，节点数量为381个。2.6 m隧道衬砌的网格数量为900个，节点数量为1 200个;2.6 m隧道衬砌的网格数量为780個，节点数量为1 040个。隧道的开挖区域及隧道衬砌的模拟如图2和图3所示，隧道在开挖时按照每次3 m的进尺进行开挖。

隧道衬砌采用线弹性本构模型，地层及注浆加固环采用莫尔-库仑弹塑性本构模型，材料单元各部分本构关系参数见表1。

5 施工阶段设置

在边界条件和荷载施加完成后，对模型的施工阶段步骤进行设定。简述如下：

步骤一：未开挖前，土体处于初始应力状态，此时土体只受到重力作用及边界约束，其他土层也都处于静力平衡状态;

步骤二：对已有隧道进行模拟，首先对注浆区1的材料属性进行改变，即激活边界条件注浆1;

步骤三：对注浆区2的材料属性进行改变，将开挖区1进行钝化（即开挖此处的土体），然后采用LDF功能对开挖土体应力进行部分释放，模拟采用的荷载释放系数为开挖步释放40%，下一分析步释放60%;

步骤四;对注浆区3的材料属性进行改变，将土体的开挖区2进行钝化。由于此时已经完成了对1区域的开挖，所以需要对已经开挖的1区域进行初期支护，即激活衬砌1;

步骤五：对注浆区4的材料属性进行改变，将土体的开挖区3进行钝化。由于此时已经完成了对2区域的开挖，所以需要对已经开挖的2区域进行初期支护，即激活衬砌2。

对已有隧道的施工模拟均必须遵循该规律该过程循序进行，重复地进行“注浆加固→开挖→支护”的每个过程，直至完成整个隧道的贯通[4]。当隧道的贯通以及管片的安装工作完成后，支护结构可持续支撑隧道上部的土体，使土体达到平衡状态，直至隧道周围的土体沉降趋于稳定。

6 模拟方案

工程拟采用通过帷幕注浆方式对隧道掌子面外一定范围的地层进行加固，采用Midas GTX NX有限元软件将模拟模型分为3种，如表2所示，通过改变地层材料的方式来实现地层的加固。

模型1在自重荷载作用下三维模型整体竖向变形云图如图4所示。由图4可知，隆起主要出现在开挖隧道断面的底面，其余部位变形均呈现沉降，开挖隧道断面的顶面沉降最为明显，沉降会传递至路基，进而对铁轨造成沉降影响，以下对开挖路基竖向沉降数值进行研究[5]。

根据表2地层加固模拟方案中预定的数值进行模拟分析，模型1帷幕注浆范围为掌子面外2.5 m、模型2帷幕注浆范围为掌子面外3.5 m和模型3帷幕注浆范围为掌子面外1.5 m，以上3种模型路基沿长度方向竖向沉降折线图如图5所示。

由图5可知，模型3路基的竖向沉降最大，最大值为4.38 mm;模型1路基的竖向沉降次之，最大值为3.96 mm，较模型3路基的竖向沉降最大值约减少了9.59%;模型2路基的竖向沉降最小，最大值为3.76 mm，较模型1路基的竖向沉降最大值约减少了5.05%，即随着帷幕注浆范围的加大，对路基竖向沉降的控制效果愈好，但路基竖向沉降的控制效果对帷幕注浆范围的敏感度降低[6]。

通过对暗挖隧道下穿既有铁路路基变形控制措施和隧道开挖引起地层变形机理展開研究，得出以下结论：随着隧道帷幕注浆范围的加大，隧道断面的竖向沉降越小，因此铁轨的竖向变形也会随之越小，铁轨运行起来越安全。但铁轨的竖向变形并不会随着帷幕注浆范围的增大而呈线性减小，而是呈现出趋于平缓的趋势，也就是说帷幕注浆范围越大，对铁轨沉降影响越小，但是随着帷幕注浆范围的加大，注浆面积随之增加，工程造价也会增加很多，这就需要在施工过程中平衡工程造价和铁轨安全影响范围等因素，选择合理的帷幕注浆加固范围。

参考文献

[1]刘青江. 浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制[J]. 工程技术， 2016（3）： 143+145.

[2]魏纲， 裘新谷， 魏新江， 等. 邻近建筑物的暗挖隧道施工数值模拟[J]. 岩土力学， 2009（2）： 547-552.

[3]李树明. 粉细砂层中热力暗挖隧道深孔帷幕注浆止水与加固技术研究[D]. 北京：北京交通大学， 2014.

[4]琚振鹏， 王海亮， 陈龙. 浅埋地铁隧道超前帷幕注浆技术应用研究[J]. 煤炭技术， 2015（10）： 173-175.

[5]史涛宁. 隧道帷幕注浆施工技术探讨[J]. 科学与财富， 2018（6）： 205.

[6]贾彦珍. 浅谈帷幕注浆在隧道施工中的应用[J]. 山西建筑， 2007（11）： 2.

2086500520203