基于淺埋暗挖法施工隧道時地層注漿加固范圍研究

康軍利

（中鐵二十四局集團有限公司北京分公司，北京 100163）

0 引言

隨著我國城市建設的飛速發展以及人口的增加，生活生產對電力資源的需求愈發強烈，這就給電力基礎設施的建設提出了極大的要求。近年來，諸如北京這樣的國際特大都市，為強化城市用電保障，電力主管單位耗費了巨資加速對城市供電系統進行了完善和優化。在電力系統的建設中，若采用傳統的架空線路輸電方式，相關設施設備不僅占用土地，影響美觀，電桿的組立以及線路的敷設也會受到諸多制約，因此，電力線纜專用隧道的建設成為了完善城市電力系統的首要之步。城市內常用的電纜隧道施工工法主要為明挖法或淺埋暗挖法。明挖法施工簡單，技術成熟，但需要足夠的施工場地以便進行土方支護、開挖作業，且施工時往往還需要交通導改，影響周邊居民的正常生活。此外，由于是露天施工，各工序作業時的揚塵、廢棄物、噪音、廢水等對環境污染也較為嚴重。相比之下，采用淺埋暗挖法施工隧道就無需占用街道路面，對交通影響小，具有拆遷工作少，占地少，擾民少，污染城市環境少等明顯優點［1］。然而，淺埋暗挖法是在地下作業，對土層擾動較大，常常會引起地表沉降，特別是當其下穿建筑物或者構筑物時，沉降一旦過大，就容易引起既有結構物的破壞，從而引發安全事故。因此，采用淺埋暗挖法施工隧道時，應選擇合適的地基土體加固方案，做好對路基沉降變形的控制，避免發生安全事故。

1 工程概況

豐益 110 千伏變電站外電源工程（穿越鐵路段）位于北京市豐臺區，為下穿鐵路雙線電力隧道施工。隧道自北向南分別穿越穿永豐上、下行線，京滬上、下行線與冷庫專用線。其中永豐上、下行線為雙線電氣化鐵路，60 kg/m 軌、普通線路、混凝土枕；京滬上、下行線均為雙線電氣化鐵路，60 kg/m軌、無縫線路、混凝土枕；冷庫專用線為電氣化鐵路，50 kg/m軌、普通線路、混凝土枕。路基面較自然地面高 1 m 左右。隧道下穿鐵路處有 216 #、227 # 兩根接觸網桿、229 # 新改移鋼桿及 2 個高柱信號機，路基兩側埋有通信、信號、電力等線纜。

新建隧道斷面為 2.0 m×2.3 m 與 2.6 m×2.9 m 的雙孔復合襯砌結構，總長為 123 m，隧道埋深在鐵路軌底以下 6.8～7.7 m，采用淺埋暗挖法進行施工。隧道的斷面尺寸及設計參數如圖 1 所示。

圖1 新建隧道端面尺寸及設計參數（單位：m）

由于本工程為隧道下穿多條鐵路要線，因此，施工期間做好對既有鐵路路基的變形控制至關重要。具體施工時，除按照設計要求做好對鐵路軌道的加固外，還應采取對路基進行帷幕注漿。因此，為了將隧道在暗挖期間對線路的影響降至最小，又同時達到確保施工安全、節約經濟成本的目的，就需要合理明確路基的加固范圍，提前進行注漿處理，為暗挖施工提供穩定的作業面，也為鐵路安全運行提供保障。

2 帷幕注漿加固模型的建立

2.1 注漿加固的計算假定和建模

為研究帷幕注漿加固范圍對變形控制的影響，采用有限元分析軟件建立涉鐵隧道的施工三維模型，并據此進行數值仿真。綜合考慮建模難度、模型精度以及仿真分析的準確度等因素，對相關參數進行合理簡化，具體如下。

1）計算區域。模型左右邊界到雙線隧道中心距離均為 5 倍洞徑，模型下邊界到雙線隧道底面距離為 5 倍洞徑；考慮帷幕注漿及隧道襯砌的縱向效應，沿線路縱斷面方向，截取 60 m 長的隧道襯砌及土體作為建模對象。

2）邊界條件。分別假設模型左右邊界的水平方向（x方向）、下部邊界的豎直方向（y方向）、前后邊界的水平方向（z方向）位移均為零，上部邊界為自由面［2］。對于位移為零的邊界，施加相應的滾動支座約束其自由度。

3）均質材料。假定計算區域內的襯砌、注漿加固圈和土層等模型材料均為各向同性材料。

4）接觸關系。施工時，襯砌和圍巖之間的相對位置不會出現明顯變化，兩者的變形具有一定的連續性，為便于數值計算并提高計算效率，選用 Tie 約束來表征襯砌與圍巖的相互作用。

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，其他區域網格劃分長度均采用 2 m。由于注漿加固圈、隧道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，將其劃分長度控制為 0.9 m。

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3m的進尺進行開挖。

圖2 雙線隧道的開挖區域

圖3 雙線隧道襯砌

2.2 本構關系和參數選取

隧道襯砌采用線性彈性本構模型；地層和注漿加固范圍采用 Mohr-Coulomb 彈塑性本構模型。

Mohr-Coulomb 模型能夠將研究對象的變形細化為彈性變形和塑性變形兩部分，并分別用胡克定律和塑性理論分別對兩部分變形進行約束［3］，可以實現對地層和注漿加固范圍的很好模擬。同時，該模型所涉及的參數主要包括彈性模量（E）、泊松比（μ）、內摩擦角（φ）和黏聚力（c）等，均為土體的物理力學性能指標，數據易于通過試驗獲得并且具有一定的工程意義。

基于 Mohr-Coulomb 彈塑性本構模型，本工程隧道模型各部分參數選取如表 1 所示。

表1 數值模型物理參數取值表

3 施工步驟的劃分

基于上述模型假定和有限元計算參數的設定，通過加載不同工況，模擬不同的施工步驟，具體為：

步驟一：開挖前，土體處于初始應力狀態，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區 1；

步驟三：對注漿區 2 的材料屬性進行改變，對開挖區 1 處的土體進行開挖，即將開挖區 1 鈍化，并對開挖土體應力進行部分釋放，本階段釋放 40 %，下一分析步驟釋放 60 %；

步驟四：對注漿區 3 的材料屬性進行改變，對開挖區 2 處的土體進行開挖，即將開挖區 2 鈍化。此時，已經完成了對 1 區域的開挖，需要模擬此區域的初期支護，即激活襯砌區 1；

步驟五：對注漿區 4 的材料屬性進行改變，對開挖區3處的土體進行開挖，即將開挖區 3 鈍化。同步模擬 2 區域的初期支護，激活襯砌區 2。

對已有隧道的施工模擬均必須遵循該規律進行，重復地進行“注漿加固→開挖→支護”的每個步驟，直至完成整個隧道的貫通。

4 模擬方案

根據施工方案，2.6 m 的隧道先行開挖，待其開挖 10 m 后，再開挖 2.0 m 的隧道，并且兩隧道始終保持 10 m 的開挖間距。隧道開挖時，主要通過帷幕注漿的方式對掌子面外一定范圍的地層進行加固。基于上述施工安排，注漿加固的有限元模擬模型考慮了以下三種工況，具體如表 2 所示。仿真分析時，通過改變地層材料的方式來實現地層的加固。

表2 地層加固模擬方案

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，如圖 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。

圖4 模型 1 豎向變形云圖

模型 1、模型 2 和模型 3 的路基沿長度方向豎向沉降曲線圖如圖 5 所示。

圖5 不同注漿范圍下路基沿長度方向的豎向沉降曲線圖

由圖 5 可知，模型 3，即注漿范圍至掌子面外1.5 m 時，路基的豎向沉降最大，峰值為 4.38 mm；模型1（注漿范圍至掌子面外 2.5 m）路基的豎向沉降次之，峰值為 3.96 mm，較模型3的沉降峰值約減少了 9.59 %；模型 2（注漿范圍至掌子面外 3.5 m）路基的豎向沉降最小，峰值為 3.76 mm，較模型 1 路基的沉降峰值約減少了 5.05 %。由此可以得出，隨著帷幕注漿范圍的不斷加大，路基豎向沉降越小，但二者并非完全呈比例變化，因為根據曲線圖，隨著帷幕注漿范圍的加大，路基豎向沉降的控制效果對帷幕注漿范圍的敏感度是會發生降低的。因此，在雙線近距離隧道施工時，應結合鐵軌沉降變形的控制目標。并考慮施工成本和工期等要求，選擇合適的帷幕注漿范圍。

根據研究結果，同時考慮施工成本、工期安排等因素，豐益 110 kW 變電站外電源工程在穿越鐵路路基時采取全斷面帷幕注漿措施加固土體，加固范圍為鐵路兩側各 15 m、隧道開挖輪廓線外 2.5 m 范圍，縱向長度 54.3 m。全斷面帷幕注漿采取 φ48 mm 的跟管鉆機鉆進成孔，一次打設完成，漿液采取 AB/AC 雙漿液，注漿壓力控制在 1 MPa 左右。期間，通過小導管進行注漿補充，避免全斷面注漿達不到預期效果的情況出現。

結合針對線路的加固措施，即采用 3-5-3 扣軌及縱橫工字鋼梁加固法對鐵軌進行加固，進一步保證暗挖期間鐵路的運行安全。

施工期間，針對鐵路線路進行了沉降監測，一共選取了 110 個測點對軌面的沉降數值進行了統計分析，選取隧道兩側 3 m 處的兩個測點（觀測點 1、觀測點 2）繪制得到了軌面沉降隨施工過程變化曲線，如圖 6 所示。

圖6 軌面沉降變形監測圖

從圖 6 中可以看出，軌面的實際沉降值與計算所得最大沉降值相比，實際沉降始終位于計算值下方，說明本次隧道在暗挖期間，通過采取帷幕注漿及扣軌加固等方式對線路進行加固后，線路的沉降滿足了預期要求，線路的運行安全得到了充分保證。

5 結語

目前，淺埋暗挖法廣泛應用于城市地下地鐵隧道以及電力隧道施工中［4］。隨著地下軌道交通發展的不斷完善，淺埋暗挖工法的應用場景也會越來越廣闊。因此，做好在淺埋暗挖施工中對地層的加固，不僅關系到上部建筑物、構筑物的使用安全，也關系到暗挖施工是否能夠高效如期進行。而注漿作為常用的加固手段之一，對于圍巖的加固效果立竿見影。但通過本文研究得出，帷幕注漿范圍并非越大越好，超過一定范圍后，其對于路基沉降的控制效果就逐漸減弱。因此，在工程應用中，應充分考慮鐵路沉降變形的控制目標、成本目標和工期目標綜合確定隧道注漿的加固范圍，這樣，不僅能夠保證淺埋暗挖施工安全平穩地進行，還能最大程度地節約經濟成本、加快工期進度，實現社會效益與經濟效益的雙豐收。Q