止水帷幕注漿圈臨界厚度分析

金 瓊 （中鐵十七局集團有限公司第二工程有限公司，陜西 西安 710043）

1 概 述

隨著城市建設的發展，大量的熱力隧道、交通隧道需要修建。目前，在城市，尤其是中心城區，修建隧道與地下工程，基本不具備明挖施工的條件，且明挖法前期拆改費用高，工期因前期拆改實施難度大而不可控。由上世紀80年代在北京市地鐵二號線與一號線折返線隧道首次創立并實施的淺埋暗挖法，是基于先進行施工降水的一種隧道工法，適合修建城區地下工程。因此，在未來的地下工程建設中，淺埋暗挖法將是最主要的隧道施工工法，甚至有些情況下是不二選擇1。

淺埋暗挖施工方法的一個主要特征就是保持掌子面的相對干燥，而熱力隧道、交通隧道等地下工程一般是處于軟弱破碎地層，這種地層一般富含地下水。所以，降水成為修建城市軌道交通工程的重要組成部分。

眾所周知，降水會對地下水結構產生重要影響，同時造成地層損失，從而導致地表不均勻沉降，造成建筑結構開裂，影響建筑結構安全。所以，越來越多的城市開始限制在城市中心進行降水作業。因此，亟待研究地層預加固及地下水處治的非降水（注漿）隧道施工技術，促進淺埋暗挖隧道施工法的技術進步與技術升級真正實現綠色安全施工。

注漿厚度對止水效果有著重要影響，同時也直接關系著注漿量的大小，對其研究有著重大的現實意義。本文旨在通過借助FLAC3D有限差分軟件對注漿圈厚度進行數值模擬，以確定臨界注漿圈厚度。

2 模型建立

2.1 模型尺寸

數值分析的模型只能是空間有限的區域，而地下結構周圍的地層相對而言是無限大或半無限大（深埋或淺埋）的，因此必須選取某個有限的計算范圍建立數值分析模型。這個計算范圍的邊界應該離地下的結構足夠遠，設在幾乎不受地下工程影響的地方。經驗表明，一般來說，離洞室中心3～5倍于洞徑洞室特征尺寸（最大內徑）以外的地方，地下工程的影響足夠小，上下邊界甚至在1.5倍洞徑時影響已經很小，本次計算所選取的模型范圍是邊長為40m、30m的矩型，見圖1所示，隧道軸向選取12m，為以一次注漿循環，按照計算經驗，這個尺寸以足夠滿足工程需要。

2.2 本構模型及計算參數

模型中采用工程中應用最為廣泛的Mohr-Coulomb破壞和強度準則。Mohr-Coulomb模型是基于材料破壞時應力狀態的莫爾圓提出的，破壞線是與這些莫爾圓相切的直線，Mohr-Coulomb的強度準則為：

式中：τ 剪切強度；β 為正應力；c 為粘聚力；φ 為內摩擦角。

從Mohr圓可以得到以下關系：

把τ、σ 代入τ=c-σtanφ 中，Mohr-Coulomb屈服準則可寫為：

在π 平面上，Mohr—Coulomb屈服面是一個不等角的六邊形。為避免尖頂和棱角這些奇異點，使數值計算簡化并加快收斂，采用Menetrey—William型塑性勢函數，在π 平面上呈橢圓型、在子午面上呈雙曲線型，屈服面完全光滑。

模型計算參數 表1

初襯采用C20混凝土，厚300mm，密度2400kg/m3，彈性模量為25 GPa，泊松比0.25，抗壓強度為12.5MPa，抗拉強度為1.3MPa。二襯采用C30混凝土，厚度也為300mm，密度2500 kg/m3，土層的相關參數見表1所示。

2.3 工況選擇

土體注漿后，各項物理性能參數會發生變化，能有效抑制豎向沉降，影響塑性區分布規律及應力場分布規律。先假定為全斷面注漿，以注漿后土體滲透系數為10-4cm/s（弱透水層），地下水位與隧道仰拱標高之差為10m，分別選取注漿圈厚度為0m（不注漿）、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、5m、7m時豎向位移場、塑性區分布及水壓分布的分布規律，綜合分析后得出最優注漿圈厚度。對于隧道模型，模擬時考慮開挖時步，按上下臺階法開挖，上下臺階錯1.8m，每進尺0.6m進行初支支護，共模擬開挖12m，其網格模型見圖2所示。

3 豎向位移場隨注漿厚度分布規律

注漿后直接影響位移場的分布規律，圖3顯示了注漿圈厚度分別為0m（不注漿）、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、5m、7m時豎向位移場的分布情況。

從圖3可以看出，隨著注漿圈厚度增加，整體沉降控制逐漸變好，不注漿時，沉降最明顯。為了更具體分析沉降變化，提取出拱頂、拱頂正上方地表中心點以及仰拱3個觀測點沉降數據并繪制成圖4。

從圖4可以看出，注漿厚拱頂和地標中心的沉降以及仰拱的隆起明顯小于不注漿時的情況。隨著注漿圈厚度的增加，沉降值越來越小，如在注漿厚度為2.0m時，拱頂沉降比不注漿時減小65%。同時可以發現，注漿圈厚度在2.0m之后，注漿效果對拱頂沉降的控制作用已經不甚明顯。同樣的，拱頂的正上方地表中心處的沉降以及仰拱隆起量隨著注漿圈厚度增加也表現出與拱頂沉降非常一致的規律。

由此可以看出，從控制關鍵點的沉降值與經濟效益兩方面綜合考慮，注漿圈厚度易控制在2.0m之間比較合適，根據工程周邊環境和地質情況可以適當增加或減小注漿圈厚度。

4 水壓隨注漿厚度分布規律

注漿對圍巖水壓的影響較大，圖5顯示了注漿圈厚度分別為0m（不注漿）、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、5m、7m時圍巖水壓的分布情況。滲流量隨注漿厚度的變化見圖6所示。

由圖5、圖6可以看出，沒注漿時隧道周邊的水壓消散最徹底，但這伴隨著巨大的滲流量。隨著注漿厚度的增加，隧道洞周水壓消散逐漸加大，同時滲流量也逐漸減小。當注漿厚度在2.0m左右時，滲流量已趨于穩定，注漿厚度繼續增加時滲流量不再顯著變化。從滲流量水壓消散控制考慮，注漿2.0m較為合適，根據工程周邊環境和地質情況可以適當增加或減小注漿圈厚度。

5 塑性區隨注漿厚度分布規律

注漿后直接影響位移場的分布規律，圖7顯示了注漿圈厚度分別為0m（不注漿）、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、5m、7m時塑性區的分布情況。

由圖7可以看出，注漿后塑性區比不注漿明顯減小，隨著注漿圈厚度的增加塑性區越來越小，但當注漿圈厚度在2.5m之前注漿圈對塑性區的減小作用非常明顯，到了2.5m以后注漿圈厚度對塑性區的影響作用不是很明顯。從控制塑性區范圍考慮，注漿2.5m較為合理。根據工程周邊環境和地質情況可以適當增加或減小注漿圈厚度。

6 結 論

綜合考慮圍巖位移、滲流量以及塑性區的變化，當地下水位與隧道仰拱標高之差為10m時，注漿厚度在2.0m～2.5m是較為經濟合理的。

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