西南地区地铁隧道岩溶地层注浆加固范围与应力关系模拟计算分析

徐雁云

(中铁十九局集团 轨道交通工程有限公司，北京 101300)



西南地区地铁隧道岩溶地层注浆加固范围与应力关系模拟计算分析

徐雁云

(中铁十九局集团 轨道交通工程有限公司，北京 101300)

地铁工程在全国大中城市飞速建设的进程中，西南岩溶发育地区进行地铁区间隧道穿越强岩溶区施工，经常采取隧道超前注浆加固措施.从工程实例出发，通过建立不同注浆范围与隧道围岩应力变化的关系，以达到控制超前注浆加固范围，保证隧道正常注浆效果和受力条件.

西南地区；地铁隧道；岩溶注浆范围；应力计算

随着地铁工程在全国大中城市飞速建设，云南、广西、贵州等西南岩溶最发育的地区，也开始了地铁工程的施工.在岩溶地区进行的地铁建设中常常会遇到穿越强岩溶区的隧道，由于隧道处于地下各种复杂的水文地质岩体中，各类岩溶问题也成为隧道施工建设中最难处理的问题.

贵阳轨道交通工程区间局部下穿南明河，所处区域为岩溶中等发育区，南明河地表水与地下水有可能通过溶孔及裂隙联通，风险大.故下穿南明河段需采取加强措施，隧道开挖过程中采用注浆加固以确保安全，采用全断面注浆目的是为了堵水，防止南明河水通过未知岩溶通道与开挖隧道联通；对全断面围岩进行注浆，填充围岩裂隙及可能存在的岩溶通道.区间隧道全断面帷幕注浆设计见图1.

考虑到帷幕注浆段岩层不稳定和河水对地层的影响，需要选择不同的注浆范围，模拟计算注浆对地层应力、变形值等各项指标的影响变化，以选择更科学合理经济的注浆参数，最大限度不破坏原有地层围岩应力条件.

图1　区间隧道全断面帷幕注浆设计示意图

1　不同注浆范围的数值分析

1.1注浆范围为2 m

注浆范围为2 m时的计算结果见图2.从图2竖向位移云图可以看出，开挖后应力的影区域围基本处于3倍洞径范围以内，而且围岩内位移呈对称分布，下半部分的位移高于上部，且拱底有向上的位移，约为0.5 cm.这是由于隧道的开挖，释放了原岩应力，隧道围岩的应力重新分布，隧道底部上到向上的应力，导致其产生向上的运动.从图3所示的竖向应力云图，可以看出洞室开挖使隧道围岩产生的应力主要发生在隧道的周边，也以对称分布，其中拱底受拉应力作用，其他部位主要受到压应力作用.

图2　注浆范围为2 m时竖向位移云图

图3　注浆范围为2 m时竖向应力云图

图4　注浆范围2 m时地表位移曲线

如图4所示为注浆范围为2 m时，地表位移曲线图，从图中可以看出，地表发生向上的位移.这是由于隧道开挖以后，破坏了原始的围岩的平衡状态，导致应力的重新分布，由于隧道埋深较浅，开挖后受到底部向上的应力大于竖直向下方向的应力，引起隧道整体产生向上的位移.因此，地表表现为向上的位移，即产生隆起.同时，由图4可见，最大的位移发生在掌子面中线处，约为4.7 m.随着离掌子面中线距离的增大，地表位移注浆减小，距离大于20 m以后位移逐渐趋于稳定，不再变化.

1.2注浆范围为3 m

注浆范围为3 m时的计算结果见图5.从图5竖向位移云图可以看出，开挖后应力的影区域围基本处于3倍洞径范围以内，而且围岩内位移呈对称分布，下半部分的位移高于上部，且拱底有向上的位移，这是由于隧道的开挖，释放了原岩应力，隧道围岩的应力重新分布，隧道底部上到向上的应力，导致其产生向上的运动.从图6所示的竖向应力云图，可以看出洞室开挖使隧道围岩产生的应力主要发生在隧道的周边，也以对称分布，其中拱底受压应力作用，其他部位主要受到拉应力作用.

图5　注浆范围为3 m时竖向位移云图

图6　注浆范围为3 m时竖向应力云图

图7　注浆范围3 m时地表位移曲线

如图7所示为注浆范围为3 m时，地表位移曲线图，从图7中可以看出，地表发生向上的位移.这是由于隧道开挖以后，破坏了原始的围岩的平衡状态，导致应力的重新分布，由于隧道埋深较浅，开挖后受到底部向上的应力大于竖直向下方向的应力，引起隧道整体产生向上的位移.因此，地表表现为向上的位移，即产生隆起.同时，由图7可见，最大的位移发生在掌子面中线处，约为3.9 mm.随着离掌子面中线距离的增大，地表位移注浆减小，距离大于20 m以后位移逐渐趋于稳定，不再变化.

2　不同工况的对比分析

同理，计算注浆范围为2.5 m、3.5 m、4 m的工况，结合以上计算结果可以看出，隧道开挖使地表主要产生向上的位移，即隆起.

其理论依据主要是：隧道开挖坏了原始的围岩的平衡状态，导致应力的重新分布，由于隧道埋深较浅，开挖后受到底部向上的应力大于竖直向下方向的应力，引起隧道整体产生向上的位移.因此，地表表现为向上的位移，即产生隆起.同时，由图8可见，最大的位移发生在掌子面中线处，随着离掌子面中线距离的增大，地表位移逐渐减小，距离大于20 m以后位移逐渐趋于稳定，不再变化.

图8　不同注浆范围下地表位移曲线

将不同浆范围条件下地表产生的位移进行对比分析，得到的结果如图8所示.由图8可知，随着注浆范围的增大，地表产生的位移有减小的趋势.这是由于注浆加固了地层，限制了岩土体的位移，同时注浆也增大了地层的自重应力，使隧道所受到的竖向向下的应力增大，抵消了部分底部向上的应力，促使向上的位移减小.因此，注浆范围增大使地表的隆起的位移减小.由计算结果可得，当注浆范围从2 m增大到4 m时，地表的最大隆起位移由4.7 mm减小到4 mm，位移的减小率为25%，注浆的效果相对明显.

3　结语

从以上的数值模拟结果可得，注浆范围越大，地表的位移越小.但是，一味地增加注浆范围，是不经济的，且给施工造成影响.因此，实际施工过程中应该根据现场的施工条件，以及隧道开挖过程中的各种监测资料，合理地确定注浆范围.

[1]王润福,孙国庆,李治国.圆梁山隧道进口填充型溶洞注浆施工技术[J].隧道建设，2003，23(3):28-32.

[2]彭川.岩溶隧道围岩与结构稳定性分析[D].长沙：长沙理工大学，2009.

[3]李治国.隧道岩溶处理技术[J].铁道工程学报，2002，76(4):61-67.

[4]黄继勇，何现启.浅谈岩溶地段隧道处理措施[J].地下工程，2007，11(1):57-58.

[责任编辑王新奇]

Simulation Calculation and Analysis of the Relationship BetweenGrouting Reinforcement Range and Stress in the Karst Strataof Subway Tunnel in the Southwest Region of China

XU Yan-yun

(Track Traffic Engineering Company Limited of China Railway 19thBureau Group, Beijing 101300, China)

In the process of rapid construction of large and medium cities in china, construction of subway tunnel crossing strong karst area of subway engineering is conducted in the karst area in the southwest region of China, and the advanced tunnel grouting reinforcement measures are regularly taken. In this paper, based on the engineering example, by establishing the relationship between the different grouting range and the stress change of surrounding rock of tunnel, the control of advanced grouting reinforcement range is achieved, and the normal grouting effect and the stress condition of the tunnel is ensured.

the southwest region of China; subway tunnel; karst grouting range; stress calculation

1008-5564(2016)03-0014-03

2015-11-29

徐雁云(1982—),男，陕西延安人，中铁十九局集团轨道交通工程有限公司工程师，主要从事隧道工程研究.

P642.23

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