大直径热力隧道下穿工程中超前注浆的效果研究

沈立伟

大直径热力隧道下穿工程中超前注浆的效果研究

沈立伟*

（北京市热力工程设计有限责任公司，北京 100100）

大直径热力隧道下穿工程中可以采用超前深孔注浆的方法强化地层，这在卵石等松散的地层中较为常见。针对大直径热力隧道下穿工程中超前深孔注浆的作用效果，以北京市阜石路大直径热力隧道穿越东水西调管道工程为背景，通过有限元法数值仿真模拟等手段，对工程中采用超前注浆加固等手段控制既有管道隆起的作用效果进行研究。结果表明：①由开挖导致的地表沉降最大值发生在隧道中心正上方，地表沉降实测结果表明实际控制效果良好；②采用超前深孔注浆方法，隧道暗挖造成的主要扰动区域宽约为3倍跨度；③数值计算的管网沉降变形符合控制要求，超前注浆可以保证输水管网安全；④通过采用注浆加固地层的方式，可以明显减小地表沉降和管线沉降。说明了在卵石地层中，采用注浆加固的控制变形作用效果良好。

超前深孔注浆， 卵石地层， 暗挖隧道， 扰动控制， 实测数据分析

0 引 言

在修建城市地下市政隧道期间，往往存在新建隧道穿越雨污管网等地下管线的情况。地下管线常被称作城市生命线工程，担负着城市供电、供气、给排水等重要工作。因此城市隧道暗挖穿越地下管网一般被视为风险和影响性较大的工程。

白鹏程［1］基于成都某超浅埋暗挖大跨隧道工程案例，进行模拟计算等工作。最终说明了采用优化的CRD法施工方案和措施是有效的。宋卓华等［2］针对暗挖法中的顶部横向管棚结构在开挖中的受力计算方法进行了研究，提出了采用弹性地基梁理论对隧道中管棚支护的简化解析计算方法。针对基坑近接既有隧道开挖引起隧道的变形，宗翔和刘旭政等［3-4］分别对其控制方法、作用效果进行了研究和评估。Takagi等［5］运用弹性地基梁方法计算地下隧道施工引起铸铁管、钢管上产生的变形及附加应力，并考虑周围土体的沉降，将弹性地基梁方程进行了变化，得到了管线位移的简便计算。刘保东等［6］通过对地铁盾构隧道施工过程中邻近隧道受到的影响进行三维有限元计算分析，得出地表变形的变化趋势。刘晓强等［7］通过能量方法建立变分控制方程，提出了求解隧道穿越既有隧道竖向位移的能量变分解法，结合单洞隧道的开挖将其进一步地拓展。研究中还结合工程实例以及离心试验来验证公式。通过计算，分析了不同的因素对地下既有隧道和管线竖向位移的影响规律。Bartlett、Gording、Hansmire等［8-9］对平行穿越隧道进行了研究，结合隧道施工中的实测数据，对其进行计算分析。结论表明新建隧道引起的既有隧道的影响，其产生的沉降为不对称曲线，最大的沉降值和沉降槽宽度均大于既有隧道，而最小的沉降点为靠近既有隧道的一边。李围，何川［10］对新建隧道下穿南京玄武湖公路隧道的工程进行了模型试验，采用的是三维相似模型，最后通过研究分析了重叠隧道变形影响范围，并提出了对穿越施工安全性的评定标准。张文超等［11］以某工程中新建盾构隧道下穿既有已运营隧道为背景，运用大型有限元软件ABAQUS对盾构下穿施工过程进行了模拟，分析了既有隧道的应力和位移以及不同地层损失、不同覆土厚度和隧道间距对既有隧道的影响。于军［12］结合北京地铁的6号线下穿既有5号线工程，采用数值模拟分析与现场实测结合研究，对隧道施工方案进行优化并总结分析零距离穿越施工对既有结构的影响。

可以看出：目前针对地下隧道下穿施工中的影响，国内外已有部分成果。然而由于隧道穿越工程的复杂性、地质条件的多样性以及功能上的特殊性，建设隧道仍需要结合具体情况进行分析。且目前对于浅埋暗挖隧道施工，多是对既有大直径隧道或周围岩土体的影响性进行研究，针对既有小直径管网的影响性的研究较为少见。且暗挖下穿施工多采用超前辅助加固措施，目前针对超前注浆加固的效果的研究也较为少见。

因此，本文基于北京市阜石路大直径热力隧道穿越东水西调管道工程，通过数值仿真模拟等手段，对工程中采用超前注浆加固等手段控制既有管道隆起的作用效果进行研究。

1 工程概况

北京市阜石路西延热力隧道工程沿双峪路由东向西敷设。隧道采用浅埋暗挖法下穿东水西调DN-1000及DN-1200线，下穿平面交角分别为19.94°及26.16°，如图1所示。

图1　热力隧道项目及其环境平面图

图1所示下穿段附近有一尺寸为7.6 m×9.6 m热力竖井，深19.23 m。竖井东侧热力隧道埋深14.50 m，西侧隧道埋深7.00 m。东水西调管线交叉处，与热力隧道竖向净距8.76 m。竖井结构外轮廓线与东水西调DN-1000备用管线最小水平距离为7.18 m，与东水西调DN-1200管线最小水平距离为6.18 m。

根据北京地区相似地质条件同断面隧道类比和理论计算，确定复合衬砌，采用台阶法施工。初衬外尺寸为6.3 m×4.65 m，隧道最大开挖尺寸为6.3 m×7.7 m。初支为C20格栅喷混凝土结构（钢筋格栅+钢筋网+喷射混凝土），厚300 mm。初衬纵向每榀格栅间设纵向连接钢筋，同时初衬中设Φ6@100×100的双层网片。二衬为模筑钢筋混凝土，厚350 mm。

按照市政部门要求，由于隧道施工导致的穿越范围内现状管线，其沉降控制不大于10 mm，隆起不大于5 mm。

1.1　地质概况

本次勘察期间，最大勘探深度38 m范围内未见地下水，场区地下水埋深较大。故本文中未考虑地下水。

表1　 地层物理力学参数

图2　地质环境剖面图

1.2　注浆加固措施

在隧道标准段（非下穿段），隧道采用注浆加固的方法进行施工，注浆范围为拱部及侧墙。其注浆区厚度为开挖轮廓线外1.0 m，开挖轮廓线内0.5 m。

在穿越段，隧道也采用深孔注浆加固土体方案，注浆范围为拱部及侧墙，注浆厚度为开挖轮廓线外2.0 m，开挖轮廓线内0.5 m。加固土体注浆区间为顺行穿越东水西调管线及距东水西调管线10 m以内。

图3　隧道穿越段注浆加固示意图

2 工程实测

2.1　测点布置

在开挖过程中，对地表竖向位移进行监测。如图4所示，地面测点0.4范围内各测点间距2 m，在此之外的0.6L范围内测点间距4 m。按此方案沿隧道中线每10 m布置一组。地表沉降监测控制值为15 mm。

图4　测点布置

2.2　监测结果分析

为方便与模拟数据对比，分别取输水管网交叉点处的地表沉降监测组（DBC-9）数据，以及其东西两侧各一组测点的地表沉降数据，整理如图5所示。

图5　地表沉降实测值

从图中可以得出：

（1） 由于隧道开挖导致的地表沉降，其最大值发生在隧道中心线的正上方附近，最大沉降为7～9 mm。工程实际控制效果良好。

（2） 在卵石地层中的隧道开挖，引起的地表沉降较为集中。主要发生在约3倍开挖宽度范围以内（图中位置-10～10 m）。

3 数值模拟

为模拟施工扰动对既有输水管网造成的影响，使用程序建立了岩土三维有限元模型。并在模型中利用不同施工步的设置，模拟隧道的超前灌浆和开挖支护过程，最终提取计算结果中的地表和既有管网的沉降数据并将其与实测数据对比，以此评估计算模型的有效性，并分析超前灌浆的效果。

3.1　模型建立

数值模型的尺寸取100 m×80 m×60 m。对热力隧道及5#施工竖井和两侧隧道以及既有输水管网进行三维建模计算。

模型中土层简化为杂填土层和卵石层两层，在竖井和隧道周围注浆加固的部分土体通过提高岩土强度来模拟，岩土体本构模型采用摩尔-库仑模型。热力隧道衬砌、施工竖井及东水西调钢管采用弹性本构模型。围岩土、5#施工竖井衬砌均采用体单元模拟，热力隧道衬砌和东水西调钢管均采用板单元模拟。数值模型的侧面限制水平移动，底部限制垂直移动，上表面自由。数值计算模型结构与管网网格如图6所示，数值模型采用的参数见表2。

表2　 数值模型地层参数

图6　热力隧道结构及输水管网模型

3.2　计算结果

将输水管网交叉点处的一组实测地表沉降监测数据（DBC-9）和数值模拟地表沉降结果进行对比，如图7所示。

图7　数值模拟与实测数据对比

从图中可以得出：数值模拟结果与实测值基本吻合，可以证明数值模型的有效性。

将模型中竖向位移计算结果提取为云图，如图8所示。提取既有输水管网的竖向位移，如图9所示。

图8　模型竖向位移云图

图9　管网竖向位移分布

从图8和图9中可以得出：

（1）结合地表沉降计算结果，可以得出隧道开挖造成的岩土扰动主要影响区域宽度约为3（为隧道开挖跨度）。

（2） 在此工程中，由于隧道开挖导致的上部输水管网沉降主要集中在输水管网交叉处附近。计算得管网最大沉降变形为6.86 mm。

（3） 计算得出管网最大沉降值符合市政部门对输水管网的竖向变形控制要求，采用该施工方案可以保证输水管网安全。

4 深层注浆效果分析

4.1　注浆对既有管线的影响

在数值模拟的基础上对有限元计算模型进行修改，建立一个取消超前注浆施工的模型和一个标准段（注浆区厚度1 m）的模型进行计算分析。将此三个计算模型的结果进行对比，以分析深层注浆在开挖中控制既有管道沉降的效果。

图10　管线DN1000的竖向变形对比

图10展示了注浆和未注浆模型的管线交叉点处既有管线DN1000的竖向位移变形。分析以上结果，可以得出如下结论：

（1） 未采用注浆加固地层时，既有管线沉降达到约10 mm。在穿越段采用注浆加固2 m后，既有管线沉降最大值约6 mm，控制效果良好。

（2） 通过采用注浆加固地层的方式，可以将管线最大沉降减小近4 mm。这证明了在卵石地层中，采用注浆加固的作用效果十分显著。

4.2　注浆区厚度的影响

分别计算穿越段、标准段（注浆区厚度改为1 m）以及未注浆的数值计算模型，将三个计算模型的地表沉降数据进行整理，如图11所示。并在隧道竖井处以东131 m位置（标准段：注浆厚度1 m）取若干组地表沉降监测数据，以验证修改注浆厚度的数值模型有效性，如图12所示。

图11　地表沉降对比

图12　标准段地表沉降模拟值与实测值对比

从图中数据可以分析得出：

（1） 未采用注浆加固时，地表沉降最大值达到12 mm；注浆加固厚度1 m时，地表沉降最大值约10 mm；注浆加固厚度2 m时，地表沉降最大值约8 mm。通过采用注浆加固地层的方式，可以显著地减小地表沉降。

（2） 注浆加固区厚度越大，其屏蔽地层开挖岩土扰动的效果越好，对减小地表沉降有较为明显的效果。

5 结 论

本文通过现场实测和数值模拟，分析了在卵石地层中采用超前深孔注浆的施工方式控制地层扰动，进而控制对既有输水管网的变形影响的作用。得到的结论如下：

（1） 对比数值模拟结果与实测结果，地表变形数值和形态基本吻合，可以证明数值模型的有效性。

（2） 由于热力隧道开挖导致的地表沉降实测为7～9 mm，增大注浆区厚度对减小地表沉降有较为明显的效果。

（3） 通过采用注浆加固地层的方式，可以将管线沉降明显减小。最终管线沉降符合工程控制要求，可以保证施工中管线的安全。

（4） 在卵石地层中，采用注浆加固的作用效果较为显著。且注浆加固区厚度越大，其屏蔽地层开挖岩土扰动的效果越好。

［1］白鹏程.超浅埋暗挖大跨隧道下穿既有隧道的沉降控制技术［J］.现代隧道技术，2020，57（3）：175-181.

Bai Pengcheng.Settlement control techniques of the super-shallow buried large-span mined tunnel underneath an existing tunnel［J］.Modern Tunnelling Technology，2020，57（3）：175-181.（in Chinese）

［2］宋卓华，董立朋，陶连金，等.基于传递矩阵的平顶直墙地铁车站横向管棚受力变形计算方法研究［J］.隧道建设（中英文），2020，40（12）：1733-1741.

Song Zhuohua，Dong Lipeng，Tao Lianjin，et al.Research on calculation method for stress and deformation of transverse pipe roof in subway station with rectangular cross-section based on transfer matrix ［J］.Tunnel Construction，2020，40（12）：1733-1741.（in Chinese）

［3］宗翔.基坑开挖卸载引起下卧隧道隆起的控制方法［J］.结构工程师，2020，36（3）：198-205.

Zong Xiang.Method for controlling the uplift of underneath existing tunnel due to above deep excavation unloading［J］.Structural Engineers，2020，36（3）：198-205.（in Chinese）

［4］刘旭政，黄俊斌，张春荣.明挖基坑近接既有地铁隧道变形计算分析［J］.结构工程师，2014，30（4）：99-104.

Liu Xuzheng，Huang Junbin，Zhang Chunrong.Calculation and analysis on the deformation of existing tunnels overlapped by open excavated foundation pit ［J］.Structural Engineers，2014，30（4）：99-104.（in Chinese）

［5］ Takagi N，Shimamura K，Nishio N.Buried pipe response to adjacent ground movements associated with tunneling and excavations［C］.In：Proc of 3rd Int Conf on Ground Movements and Structures，London，1985.

［6］刘保东，王锐，方瑾，等.地铁盾构隧道施工对邻近已有隧道的影响分析［J］.结构工程师，2018，34（5）：156-161.

Liu Baodong，Wang Rui，Fang Jin，et al.Analysis of disturbance for construction of metro shield tunnel adjacent to existing tunnel［J］.Structural Engineers，2018，34（5）：156-161.（in Chinese）

［7］刘晓强，梁发云，张浩，等.隧道穿越引起地下管线竖向位移的能量变分分析方法［J］.岩土力学，2014，35（S2）：217-222.

Liu Xiaoqiang，Liang Fayun，Zhang Hao，et al.Energy variational solution for settlement of buried pipeline induced by tunneling［J］.Rock and Soil Mechanics，2014，35（S2）：217-222.（in Chinese）

［8］ Bartlett J V，Bubbers B L.Surface movement caused by boredtunneling［A］.Conference Oil Subway Construction，Budapcst．Balatonfured，1970，512-539.

［9］ Gording E J，Hansmire W H.Displacements around soft ground tunnel［A］.5th PanAmerica Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，Argentina，1975（4）：571-633.

［10］李围，何川.大型地下结构下修建盾构隧道模型试验［J］.西南交通大学学报，2005，40（4）：478-483.

Li Wei，He Chuan.Model test of constructing shield tunnel under large underground structure［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2005，40（4）：478-483.（in Chinese）

［11］张文超，伍肖，程涛.地铁隧道盾构下穿既有隧道的数值模拟［J］.路基工程，2017（1）：146-150.

Zhang Wenchao，Wu Xiao，Cheng Tao.Numerical simulation on metro shield tunneling crossing below the existing tunnel［J］.Subgrade Engineering，2017（1）：146-150.（in Chinese）

［12］于军.浅埋暗挖隧道零距离下穿既有地铁车站施工方案优化研究［J］.隧道建设，2013，33（1）：22-26.

Yu Jun.Study on construction scheme optimization of shallow-buried tunnel undercrossing existing metro station with zero-clearance［J］.Tunnel Construction，2013，33（1）：22-26.（in Chinese）

Study on the Effect of Super Front Grouting in Large Diameter Thermal Tunnel Underpass Project

SHENLiwei*

（Beijing Heat Supply Engineering Design Company， Beijing 100100， China）

In underpass projects of large diameter thermal tunnel， advanced deep hole grouting can be used to strengthen stratum， which is common in loose stratum such as pebbles. In view of this， this paper takes a large diameter thermal tunnel crossing the East-to-West water transfer pipeline project on Fushi Road in Beijing as the background， the effect of using advanced grouting reinforcement to control the uplift of existing pipelines was studied by means of finite element numerical simulation and other methods. The results show that：（1） The maximum surface settlement caused by excavation occurs directly above the center of the tunnel， and the measured results of surface settlement show that the actual control effect is good. （2） Using advanced deep hole grouting method， the main disturbance area caused by tunnel excavation is about three times the span in width. （3） The settlement deformation of the pipe network obtained by numerical calculation meets control requirements，and the safety of water distribution network is ensured. （4） The use of grouting reinforcement in pebble stratum can significantly reduce the surface settlement and pipeline settlement.

grouting reinforcement， pebble stratum， tunnel excavation， disturbance control， measured data

2021-03-05

联系作者：沈力伟（1986-），男，国家一级注册结构工程师、注册土木工程师（岩土），主要进行岩土及地下结构工程设计和研究。E-mail：939561012@qq.com