雙線異性暗挖隧道帷幕注漿加固范圍技術(shù)研究

袁宇超

關(guān)鍵詞 隧道暗挖;帷幕注漿;加固;建模分析

中圖分類號(hào) U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）04-0154-03

0 引言

目前淺埋暗挖法施工大部分應(yīng)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(fā)展的不斷完善，淺埋暗挖法隧道施工技術(shù)也越來越完善。但由于復(fù)雜的地質(zhì)條件以及施工條件的限制，在進(jìn)行隧道淺埋暗挖法施工時(shí)不可避免地會(huì)對(duì)周圍的土層產(chǎn)生影響，從而引起地層發(fā)生變形;而當(dāng)隧道在下穿構(gòu)（建）筑物時(shí)，也會(huì)使下穿段上部的構(gòu)（建）筑物產(chǎn)生一定程度的變形，這種變形一旦過大，就容易產(chǎn)生一定的破壞作用，從而影響構(gòu)（建）筑物的正常使用，甚至產(chǎn)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(jī)理以及變形規(guī)律，科學(xué)制定暗挖隧道下穿既有鐵路路基的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)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(hào)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(shù)

有限元法分析技術(shù)主要是依據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)實(shí)際工程中的各種工況進(jìn)行建模模擬分析，這種方法能夠同時(shí)考慮多種因素對(duì)暗挖隧道引起地表沉降的影響，相較于經(jīng)驗(yàn)公式法、公式與解析法和模型試驗(yàn)法更加高效與經(jīng)濟(jì)[2]。

3 計(jì)算假定和建模實(shí)現(xiàn)

為研究帷幕注漿加固范圍對(duì)變形控制的影響，采用大型通用有限元程序Midas GTX NX進(jìn)行數(shù)值仿真。對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行合理的簡化如下：

（1）計(jì)算區(qū)域：以隧道洞徑的5倍作為研究模型;沿著線路縱深方向，設(shè)立隧道模型60 m作為模擬對(duì)象。

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

（3）均質(zhì)材料：假定模型內(nèi)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(guān)系：為了使得結(jié)構(gòu)和土體保持連續(xù)性，并且兩者之間不會(huì)發(fā)生位移，所以在模擬時(shí)采用Tie約束來模擬襯砌和土體之間的相互作用。

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

隧道的開挖區(qū)域是本模型的主要研究對(duì)象，因此需要對(duì)開挖區(qū)域進(jìn)行更為詳細(xì)的網(wǎng)格劃分，尺寸控制為0.9 m。最終2.6 m隧道開挖區(qū)共生成網(wǎng)格數(shù)量為1 848個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為613個(gè);2.0 m隧道開挖區(qū)共生成網(wǎng)格數(shù)量為1 169個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為381個(gè)。2.6 m隧道襯砌的網(wǎng)格數(shù)量為900個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1 200個(gè);2.6 m隧道襯砌的網(wǎng)格數(shù)量為780個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1 040個(gè)。隧道的開挖區(qū)域及隧道襯砌的模擬如圖2和圖3所示，隧道在開挖時(shí)按照每次3 m的進(jìn)尺進(jìn)行開挖。

隧道襯砌采用線彈性本構(gòu)模型，地層及注漿加固環(huán)采用莫爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型，材料單元各部分本構(gòu)關(guān)系參數(shù)見表1。

5 施工階段設(shè)置

在邊界條件和荷載施加完成后，對(duì)模型的施工階段步驟進(jìn)行設(shè)定。簡述如下：

步驟一：未開挖前，土體處于初始應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)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(tài);

步驟二：對(duì)已有隧道進(jìn)行模擬，首先對(duì)注漿區(qū)1的材料屬性進(jìn)行改變，即激活邊界條件注漿1;

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

步驟四;對(duì)注漿區(qū)3的材料屬性進(jìn)行改變，將土體的開挖區(qū)2進(jìn)行鈍化。由于此時(shí)已經(jīng)完成了對(duì)1區(qū)域的開挖，所以需要對(duì)已經(jīng)開挖的1區(qū)域進(jìn)行初期支護(hù)，即激活襯砌1;

步驟五：對(duì)注漿區(qū)4的材料屬性進(jìn)行改變，將土體的開挖區(qū)3進(jìn)行鈍化。由于此時(shí)已經(jīng)完成了對(duì)2區(qū)域的開挖，所以需要對(duì)已經(jīng)開挖的2區(qū)域進(jìn)行初期支護(hù)，即激活襯砌2。

對(duì)已有隧道的施工模擬均必須遵循該規(guī)律該過程循序進(jìn)行，重復(fù)地進(jìn)行“注漿加固→開挖→支護(hù)”的每個(gè)過程，直至完成整個(gè)隧道的貫通[4]。當(dāng)隧道的貫通以及管片的安裝工作完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)可持續(xù)支撐隧道上部的土體，使土體達(dá)到平衡狀態(tài)，直至隧道周圍的土體沉降趨于穩(wěn)定。

6 模擬方案

工程擬采用通過帷幕注漿方式對(duì)隧道掌子面外一定范圍的地層進(jìn)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(shí)現(xiàn)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(xiàn)在開挖隧道斷面的底面，其余部位變形均呈現(xiàn)沉降，開挖隧道斷面的頂面沉降最為明顯，沉降會(huì)傳遞至路基，進(jìn)而對(duì)鐵軌造成沉降影響，以下對(duì)開挖路基豎向沉降數(shù)值進(jìn)行研究[5]。

根據(jù)表2地層加固模擬方案中預(yù)定的數(shù)值進(jìn)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(duì)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(duì)帷幕注漿范圍的敏感度降低[6]。

通過對(duì)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(jī)理展開研究，得出以下結(jié)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(huì)隨之越小，鐵軌運(yùn)行起來越安全。但鐵軌的豎向變形并不會(huì)隨著帷幕注漿范圍的增大而呈線性減小，而是呈現(xiàn)出趨于平緩的趨勢(shì)，也就是說帷幕注漿范圍越大，對(duì)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(jià)也會(huì)增加很多，這就需要在施工過程中平衡工程造價(jià)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(xiàn)

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2086500520203