基于浅埋暗挖法施工隧道时地层注浆加固范围研究

康军利

（中铁二十四局集团有限公司北京分公司，北京 100163）

0 引言

随着我国城市建设的飞速发展以及人口的增加，生活生产对电力资源的需求愈发强烈，这就给电力基础设施的建设提出了极大的要求。近年来，诸如北京这样的国际特大都市，为强化城市用电保障，电力主管单位耗费了巨资加速对城市供电系统进行了完善和优化。在电力系统的建设中，若采用传统的架空线路输电方式，相关设施设备不仅占用土地，影响美观，电杆的组立以及线路的敷设也会受到诸多制约，因此，电力线缆专用隧道的建设成为了完善城市电力系统的首要之步。城市内常用的电缆隧道施工工法主要为明挖法或浅埋暗挖法。明挖法施工简单，技术成熟，但需要足够的施工场地以便进行土方支护、开挖作业，且施工时往往还需要交通导改，影响周边居民的正常生活。此外，由于是露天施工，各工序作业时的扬尘、废弃物、噪音、废水等对环境污染也较为严重。相比之下，采用浅埋暗挖法施工隧道就无需占用街道路面，对交通影响小，具有拆迁工作少，占地少，扰民少，污染城市环境少等明显优点［1］。然而，浅埋暗挖法是在地下作业，对土层扰动较大，常常会引起地表沉降，特别是当其下穿建筑物或者构筑物时，沉降一旦过大，就容易引起既有结构物的破坏，从而引发安全事故。因此，采用浅埋暗挖法施工隧道时，应选择合适的地基土体加固方案，做好对路基沉降变形的控制，避免发生安全事故。

1 工程概况

丰益 110 千伏变电站外电源工程（穿越铁路段）位于北京市丰台区，为下穿铁路双线电力隧道施工。隧道自北向南分别穿越穿永丰上、下行线，京沪上、下行线与冷库专用线。其中永丰上、下行线为双线电气化铁路，60 kg/m 轨、普通线路、混凝土枕；京沪上、下行线均为双线电气化铁路，60 kg/m轨、无缝线路、混凝土枕；冷库专用线为电气化铁路，50 kg/m轨、普通线路、混凝土枕。路基面较自然地面高 1 m 左右。隧道下穿铁路处有 216 #、227 # 两根接触网杆、229 # 新改移钢杆及 2 个高柱信号机，路基两侧埋有通信、信号、电力等线缆。

新建隧道断面为 2.0 m×2.3 m 与 2.6 m×2.9 m 的双孔复合衬砌结构，总长为 123 m，隧道埋深在铁路轨底以下 6.8～7.7 m，采用浅埋暗挖法进行施工。隧道的断面尺寸及设计参数如图 1 所示。

图1 新建隧道端面尺寸及设计参数（单位：m）

由于本工程为隧道下穿多条铁路要线，因此，施工期间做好对既有铁路路基的变形控制至关重要。具体施工时，除按照设计要求做好对铁路轨道的加固外，还应采取对路基进行帷幕注浆。因此，为了将隧道在暗挖期间对线路的影响降至最小，又同时达到确保施工安全、节约经济成本的目的，就需要合理明确路基的加固范围，提前进行注浆处理，为暗挖施工提供稳定的作业面，也为铁路安全运行提供保障。

2 帷幕注浆加固模型的建立

2.1 注浆加固的计算假定和建模

为研究帷幕注浆加固范围对变形控制的影响，采用有限元分析软件建立涉铁隧道的施工三维模型，并据此进行数值仿真。综合考虑建模难度、模型精度以及仿真分析的准确度等因素，对相关参数进行合理简化，具体如下。

1）计算区域。模型左右边界到双线隧道中心距离均为 5 倍洞径，模型下边界到双线隧道底面距离为 5 倍洞径；考虑帷幕注浆及隧道衬砌的纵向效应，沿线路纵断面方向，截取 60 m 长的隧道衬砌及土体作为建模对象。

2）边界条件。分别假设模型左右边界的水平方向（x方向）、下部边界的竖直方向（y方向）、前后边界的水平方向（z方向）位移均为零，上部边界为自由面［2］。对于位移为零的边界，施加相应的滚动支座约束其自由度。

3）均质材料。假定计算区域内的衬砌、注浆加固圈和土层等模型材料均为各向同性材料。

4）接触关系。施工时，衬砌和围岩之间的相对位置不会出现明显变化，两者的变形具有一定的连续性，为便于数值计算并提高计算效率，选用 Tie 约束来表征衬砌与围岩的相互作用。

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，其他区域网格划分长度均采用 2 m。由于注浆加固圈、隧道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，将其划分长度控制为 0.9 m。

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3m的进尺进行开挖。

图2 双线隧道的开挖区域

图3 双线隧道衬砌

2.2 本构关系和参数选取

隧道衬砌采用线性弹性本构模型；地层和注浆加固范围采用 Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型。

Mohr-Coulomb 模型能够将研究对象的变形细化为弹性变形和塑性变形两部分，并分别用胡克定律和塑性理论分别对两部分变形进行约束［3］，可以实现对地层和注浆加固范围的很好模拟。同时，该模型所涉及的参数主要包括弹性模量（E）、泊松比（μ）、内摩擦角（φ）和黏聚力（c）等，均为土体的物理力学性能指标，数据易于通过试验获得并且具有一定的工程意义。

基于 Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型，本工程隧道模型各部分参数选取如表 1 所示。

表1 数值模型物理参数取值表

3 施工步骤的划分

基于上述模型假定和有限元计算参数的设定，通过加载不同工况，模拟不同的施工步骤，具体为：

步骤一：开挖前，土体处于初始应力状态，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区 1；

步骤三：对注浆区 2 的材料属性进行改变，对开挖区 1 处的土体进行开挖，即将开挖区 1 钝化，并对开挖土体应力进行部分释放，本阶段释放 40 %，下一分析步骤释放 60 %；

步骤四：对注浆区 3 的材料属性进行改变，对开挖区 2 处的土体进行开挖，即将开挖区 2 钝化。此时，已经完成了对 1 区域的开挖，需要模拟此区域的初期支护，即激活衬砌区 1；

步骤五：对注浆区 4 的材料属性进行改变，对开挖区3处的土体进行开挖，即将开挖区 3 钝化。同步模拟 2 区域的初期支护，激活衬砌区 2。

对已有隧道的施工模拟均必须遵循该规律进行，重复地进行“注浆加固→开挖→支护”的每个步骤，直至完成整个隧道的贯通。

4 模拟方案

根据施工方案，2.6 m 的隧道先行开挖，待其开挖 10 m 后，再开挖 2.0 m 的隧道，并且两隧道始终保持 10 m 的开挖间距。隧道开挖时，主要通过帷幕注浆的方式对掌子面外一定范围的地层进行加固。基于上述施工安排，注浆加固的有限元模拟模型考虑了以下三种工况，具体如表 2 所示。仿真分析时，通过改变地层材料的方式来实现地层的加固。

表2 地层加固模拟方案

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，如图 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。

图4 模型 1 竖向变形云图

模型 1、模型 2 和模型 3 的路基沿长度方向竖向沉降曲线图如图 5 所示。

图5 不同注浆范围下路基沿长度方向的竖向沉降曲线图

由图 5 可知，模型 3，即注浆范围至掌子面外1.5 m 时，路基的竖向沉降最大，峰值为 4.38 mm；模型1（注浆范围至掌子面外 2.5 m）路基的竖向沉降次之，峰值为 3.96 mm，较模型3的沉降峰值约减少了 9.59 %；模型 2（注浆范围至掌子面外 3.5 m）路基的竖向沉降最小，峰值为 3.76 mm，较模型 1 路基的沉降峰值约减少了 5.05 %。由此可以得出，随着帷幕注浆范围的不断加大，路基竖向沉降越小，但二者并非完全呈比例变化，因为根据曲线图，随着帷幕注浆范围的加大，路基竖向沉降的控制效果对帷幕注浆范围的敏感度是会发生降低的。因此，在双线近距离隧道施工时，应结合铁轨沉降变形的控制目标。并考虑施工成本和工期等要求，选择合适的帷幕注浆范围。

根据研究结果，同时考虑施工成本、工期安排等因素，丰益 110 kW 变电站外电源工程在穿越铁路路基时采取全断面帷幕注浆措施加固土体，加固范围为铁路两侧各 15 m、隧道开挖轮廓线外 2.5 m 范围，纵向长度 54.3 m。全断面帷幕注浆采取 φ48 mm 的跟管钻机钻进成孔，一次打设完成，浆液采取 AB/AC 双浆液，注浆压力控制在 1 MPa 左右。期间，通过小导管进行注浆补充，避免全断面注浆达不到预期效果的情况出现。

结合针对线路的加固措施，即采用 3-5-3 扣轨及纵横工字钢梁加固法对铁轨进行加固，进一步保证暗挖期间铁路的运行安全。

施工期间，针对铁路线路进行了沉降监测，一共选取了 110 个测点对轨面的沉降数值进行了统计分析，选取隧道两侧 3 m 处的两个测点（观测点 1、观测点 2）绘制得到了轨面沉降随施工过程变化曲线，如图 6 所示。

图6 轨面沉降变形监测图

从图 6 中可以看出，轨面的实际沉降值与计算所得最大沉降值相比，实际沉降始终位于计算值下方，说明本次隧道在暗挖期间，通过采取帷幕注浆及扣轨加固等方式对线路进行加固后，线路的沉降满足了预期要求，线路的运行安全得到了充分保证。

5 结语

目前，浅埋暗挖法广泛应用于城市地下地铁隧道以及电力隧道施工中［4］。随着地下轨道交通发展的不断完善，浅埋暗挖工法的应用场景也会越来越广阔。因此，做好在浅埋暗挖施工中对地层的加固，不仅关系到上部建筑物、构筑物的使用安全，也关系到暗挖施工是否能够高效如期进行。而注浆作为常用的加固手段之一，对于围岩的加固效果立竿见影。但通过本文研究得出，帷幕注浆范围并非越大越好，超过一定范围后，其对于路基沉降的控制效果就逐渐减弱。因此，在工程应用中，应充分考虑铁路沉降变形的控制目标、成本目标和工期目标综合确定隧道注浆的加固范围，这样，不仅能够保证浅埋暗挖施工安全平稳地进行，还能最大程度地节约经济成本、加快工期进度，实现社会效益与经济效益的双丰收。Q