雙線異性暗挖隧道帷幕注漿加固范圍技術研究

袁宇超

關鍵詞 隧道暗挖;帷幕注漿;加固;建模分析

中圖分類號 U455.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）04-0154-03

0 引言

目前淺埋暗挖法施工大部分應用在城市地下地鐵隧道以及電力、熱力隧道中。隨著地下軌道交通發展的不斷完善，淺埋暗挖法隧道施工技術也越來越完善。但由于復雜的地質條件以及施工條件的限制，在進行隧道淺埋暗挖法施工時不可避免地會對周圍的土層產生影響，從而引起地層發生變形;而當隧道在下穿構（建）筑物時，也會使下穿段上部的構（建）筑物產生一定程度的變形，這種變形一旦過大，就容易產生一定的破壞作用，從而影響構（建）筑物的正常使用，甚至產生毀滅性的破壞[1]。因此，研究淺埋暗挖法暗挖隧道下穿鐵路路基的變形機理以及變形規律，科學制定暗挖隧道下穿既有鐵路路基的沉降控制標準值，對減少由于施工引起路基沉降的不利影響是十分必要的。

1 工程概況

工程上穿北京地鐵16號線，下穿永豐、京滬等5條地上線路，隧道采用淺埋暗挖法施工。

2 有限元法分析技術

有限元法分析技術主要是依據現有的計算機數值計算軟件，對實際工程中的各種工況進行建模模擬分析，這種方法能夠同時考慮多種因素對暗挖隧道引起地表沉降的影響，相較于經驗公式法、公式與解析法和模型試驗法更加高效與經濟[2]。

3 計算假定和建模實現

為研究帷幕注漿加固范圍對變形控制的影響，采用大型通用有限元程序Midas GTX NX進行數值仿真。對數值模型進行合理的簡化如下：

（1）計算區域：以隧道洞徑的5倍作為研究模型;沿著線路縱深方向，設立隧道模型60 m作為模擬對象。

（2）邊界條件：設定左右邊界、下邊界及前后邊界位移均為零，在x、y、z軸設立自由度，模型的上邊界則為自由面。

（3）均質材料：假定模型內的襯砌、注漿加固段和土層等模型材料均為各向同性材料[3]。

（4）接觸關系：為了使得結構和土體保持連續性，并且兩者之間不會發生位移，所以在模擬時采用Tie約束來模擬襯砌和土體之間的相互作用。

數值模擬三維整體模型見圖1。網格的劃分是根據不同土層和區域來確定的，除注漿加固圈、隧道開挖區域外，網格劃分長度均采用2 m。路基劃分生成的網格數量為139個，節點數量為117個。第一層土體劃分生成的網格數量為3 760個，節點數量為5 904個;第二層土體劃分生成的網格數量為9 441個，節點數量為9 441個;第三層土體劃分生成的網格數量為2 995個，節點數量為2 383個;第四層土體劃分生成的網格數量為1 852個，節點數量為1 969個;第五層土體劃分生成的網格數量為63 242個，節點數量為55 428個。

隧道的開挖區域是本模型的主要研究對象，因此需要對開挖區域進行更為詳細的網格劃分，尺寸控制為0.9 m。最終2.6 m隧道開挖區共生成網格數量為1 848個，節點數量為613個;2.0 m隧道開挖區共生成網格數量為1 169個，節點數量為381個。2.6 m隧道襯砌的網格數量為900個，節點數量為1 200個;2.6 m隧道襯砌的網格數量為780個，節點數量為1 040個。隧道的開挖區域及隧道襯砌的模擬如圖2和圖3所示，隧道在開挖時按照每次3 m的進尺進行開挖。

隧道襯砌采用線彈性本構模型，地層及注漿加固環采用莫爾-庫侖彈塑性本構模型，材料單元各部分本構關系參數見表1。

5 施工階段設置

在邊界條件和荷載施加完成后，對模型的施工階段步驟進行設定。簡述如下：

步驟一：未開挖前，土體處于初始應力狀態，此時土體只受到重力作用及邊界約束，其他土層也都處于靜力平衡狀態;

步驟二：對已有隧道進行模擬，首先對注漿區1的材料屬性進行改變，即激活邊界條件注漿1;

步驟三：對注漿區2的材料屬性進行改變，將開挖區1進行鈍化（即開挖此處的土體），然后采用LDF功能對開挖土體應力進行部分釋放，模擬采用的荷載釋放系數為開挖步釋放40%，下一分析步釋放60%;

步驟四;對注漿區3的材料屬性進行改變，將土體的開挖區2進行鈍化。由于此時已經完成了對1區域的開挖，所以需要對已經開挖的1區域進行初期支護，即激活襯砌1;

步驟五：對注漿區4的材料屬性進行改變，將土體的開挖區3進行鈍化。由于此時已經完成了對2區域的開挖，所以需要對已經開挖的2區域進行初期支護，即激活襯砌2。

對已有隧道的施工模擬均必須遵循該規律該過程循序進行，重復地進行“注漿加固→開挖→支護”的每個過程，直至完成整個隧道的貫通[4]。當隧道的貫通以及管片的安裝工作完成后，支護結構可持續支撐隧道上部的土體，使土體達到平衡狀態，直至隧道周圍的土體沉降趨于穩定。

6 模擬方案

工程擬采用通過帷幕注漿方式對隧道掌子面外一定范圍的地層進行加固，采用Midas GTX NX有限元軟件將模擬模型分為3種，如表2所示，通過改變地層材料的方式來實現地層的加固。

模型1在自重荷載作用下三維模型整體豎向變形云圖如圖4所示。由圖4可知，隆起主要出現在開挖隧道斷面的底面，其余部位變形均呈現沉降，開挖隧道斷面的頂面沉降最為明顯，沉降會傳遞至路基，進而對鐵軌造成沉降影響，以下對開挖路基豎向沉降數值進行研究[5]。

根據表2地層加固模擬方案中預定的數值進行模擬分析，模型1帷幕注漿范圍為掌子面外2.5 m、模型2帷幕注漿范圍為掌子面外3.5 m和模型3帷幕注漿范圍為掌子面外1.5 m，以上3種模型路基沿長度方向豎向沉降折線圖如圖5所示。

由圖5可知，模型3路基的豎向沉降最大，最大值為4.38 mm;模型1路基的豎向沉降次之，最大值為3.96 mm，較模型3路基的豎向沉降最大值約減少了9.59%;模型2路基的豎向沉降最小，最大值為3.76 mm，較模型1路基的豎向沉降最大值約減少了5.05%，即隨著帷幕注漿范圍的加大，對路基豎向沉降的控制效果愈好，但路基豎向沉降的控制效果對帷幕注漿范圍的敏感度降低[6]。

通過對暗挖隧道下穿既有鐵路路基變形控制措施和隧道開挖引起地層變形機理展開研究，得出以下結論：隨著隧道帷幕注漿范圍的加大，隧道斷面的豎向沉降越小，因此鐵軌的豎向變形也會隨之越小，鐵軌運行起來越安全。但鐵軌的豎向變形并不會隨著帷幕注漿范圍的增大而呈線性減小，而是呈現出趨于平緩的趨勢，也就是說帷幕注漿范圍越大，對鐵軌沉降影響越小，但是隨著帷幕注漿范圍的加大，注漿面積隨之增加，工程造價也會增加很多，這就需要在施工過程中平衡工程造價和鐵軌安全影響范圍等因素，選擇合理的帷幕注漿加固范圍。

參考文獻

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

[2]魏綱， 裘新谷， 魏新江， 等. 鄰近建筑物的暗挖隧道施工數值模擬[J]. 巖土力學， 2009（2）： 547-552.

[3]李樹明. 粉細砂層中熱力暗挖隧道深孔帷幕注漿止水與加固技術研究[D]. 北京：北京交通大學， 2014.

[4]琚振鵬， 王海亮， 陳龍. 淺埋地鐵隧道超前帷幕注漿技術應用研究[J]. 煤炭技術， 2015（10）： 173-175.

[5]史濤寧. 隧道帷幕注漿施工技術探討[J]. 科學與財富，?2018（6）： 205.

[6]賈彥珍. 淺談帷幕注漿在隧道施工中的應用[J]. 山西建筑， 2007（11）： 2.

2086500520203