預注漿加固在地鐵近接工程中的應用研究

夏國政，高雪艷，孫明月

（1.煙威高速公路管理處，山東 煙臺 264003；2.魯東大學教育信息技術(shù)部，山東 煙臺 264025；3.魯東大學土木工程學院，山東 煙臺 264025）

1 引言

地鐵近接施工工程會不可避免地對周邊既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，造成圍巖變形，當圍巖變形量累積到一定程度時，將會對既有地鐵的正常運營產(chǎn)生一定的影響，嚴重時會阻礙既有結(jié)構(gòu)的正常使用[1]。為嚴格控制既有結(jié)構(gòu)的變形，注漿在地鐵近接工程中的應用逐漸增多[2]。

國內(nèi)外學者對地鐵近接施工中的動態(tài)化注漿問題開展了大量的研究。錢自衛(wèi)[3]通過模型試驗和理論分析，系統(tǒng)研究了孔隙性砂巖的滲透通道條件、漿液的可注性、充填效果及其主要影響因素，揭示了化學漿液在砂巖孔隙中的滲透擴散規(guī)律、充填特點及減滲機理。王占生等[4]通過有限元分析方法對新建地鐵施工對既有隧道的變形進行了預測；并結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，優(yōu)化了相關施工方案主要施工方案，提出了掌子面注漿輔助加固措施。Khave G J[5]基于在沿隧道100m的試驗研究區(qū)進行的一系列現(xiàn)場實驗，通過控制在隧道開挖過程中記錄的TBM性能參數(shù)，解釋開挖過程中的注漿加固機理。

本文依托某新建地鐵隧道近距離下穿既有地鐵施工工程，采用FLAC3D數(shù)值模擬計算，針對預注漿施工過程中的變形控制效果，開展了現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比論證與數(shù)值模擬計算分析，進而提出了具體的變形控制方法。

2 工程概況

某地鐵的建設已經(jīng)多次近接建筑物、河流、鐵路、車站、高速公路和地鐵隧道。項目建設主要面臨的主要問題：地質(zhì)條件復雜、項目規(guī)模大、危險源多、施工現(xiàn)場空間狹窄、施工技術(shù)要求高。現(xiàn)有的地鐵采用TBM建造，并于2012年完工。TBM隧道的外徑為7.0m，內(nèi)徑為6.3m。新建地鐵隧道也將采用TBM建造，外徑為7.0m，內(nèi)徑為6.3m，新老隧道之間的凈距為3m，既有隧道的地下埋深為9m，新建隧道將平行下穿既有隧道。

3 數(shù)值模擬方法

3.1 數(shù)值計算模型

根據(jù)實際工程概況以及地質(zhì)報告，本次數(shù)值計算模擬采用三維計算模型，新舊平行隧道外徑均為7.0m，內(nèi)徑均為6.3m，并考慮到相關的尺寸效應，模型長70m、寬60m、高66m，最終的數(shù)值模型與地質(zhì)分層情況如圖1所示。經(jīng)過劃分，模型包含了94381個單元和10275個節(jié)點。模型自上而下的土層分別為素填土、頁巖、弱風化花崗巖。

圖1 數(shù)值計算模型

3.2 材料參數(shù)

通過現(xiàn)場工程地質(zhì)勘探報告以及相關數(shù)值模擬計算的經(jīng)驗，巖土介質(zhì)力學參數(shù)的選取情況如表1所示。

表1 材料參數(shù)取值

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

4.1 注漿效果分析

注漿前后的地層變形云圖如圖2所示。從圖2中可以看出，注漿前，地層的最大沉降量為9.15mm，最大值位于新建隧道拱頂，既有隧道拱底的沉降為7.57mm，可見新建隧道近距離下穿既有隧道對既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的影響。而注漿加固后，地層的最大沉降減小到5.6m，相比于注漿前減小了39%；既有隧道拱底的最大沉降為3.86mm，相比于注漿加固前減小了3.71mm，減小幅度為49%。由此可見，注漿加固對既有隧道的影響要大于對既有地層的影響，可大幅提高強度和減小變形。

圖2 注漿前后變形云圖

4.2 注漿范圍對比

為了研究不同注漿范圍的加固效果，在保持注漿強度參數(shù)不變的情況下，將注漿范圍分為了3組：注漿寬度為1m；注漿寬度為2m；注漿寬度為3m。根據(jù)不同注漿寬度進行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同注漿工況下的地表沉降

圖4 不同注漿工況下的既有襯砌主應力

圖3說明了不同注漿范圍下的地表沉降。從圖3中可以看出，隨著注漿面積的增加，地表沉降明顯減少。但同時也可以看出，隨著灌漿范圍的增大，對地表和地表差異沉降的干擾越來越小。注漿寬度為1m時的地表不均勻沉降為1.68mm，注漿寬度為3m時的地表不均勻沉降為0.87mm，下降了48%；同時注漿寬度為1m時的地表最大沉降為5.71mm，注漿寬度為3m時的地表最大沉降為3.84mm，下降了33%。可見注漿加固的效果很明顯，但同時也可以看到注漿寬度為2m的地表沉降與注漿寬度為3m的地表沉降之間的差異很小。

圖4顯示了不同注漿范圍下既有隧道的應力變化。從圖4中可以看出，隨著注漿范圍的增加，既有隧道襯砌的最大主應力和最小主應力將大幅下降，且在所有注漿范圍內(nèi)的最大抗壓應力均小于混凝土的抗壓強度。但是注漿寬度為1m時，既有隧道襯砌的最大主拉應力大于混凝土的允許抗拉強度，這將導致既有混凝土襯砌因拉力而損壞。而隨著注漿范圍的增加，既有隧道襯砌的最大拉應力將小于混凝土的允許拉伸強度，并且不會發(fā)生受拉破壞。

5 結(jié)束語

文章針對地鐵近接下穿施工中的預注漿加固機理，依托某新建地鐵隧道近距離下穿既有地鐵施工工程，采用FLAC3D有限差分軟件，開展了注漿加固過程的數(shù)值模擬計算分析，并基于分析結(jié)果提出了具體的變形控制方法，主要結(jié)論如下：

（1）注漿加固后，地層的最大沉降減小到5.6m，相比于注漿前減小了39%；既有隧道拱底的最大沉降為3.86mm，相比于注漿加固前減小了3.71mm，減小幅度為49%。注漿加固對既有隧道的影響要大于對既有地層的影響，可大幅提高強度和減小變形。

（2）隨著注漿面積的增加，地表沉降明顯減少，對地表和地表差異沉降的干擾越來越小，注漿寬度為2m的地表沉降與注漿寬度為3m的地表沉降之間的差異很小。