预注浆加固在地铁近接工程中的应用研究

2020-06-19夏国政高雪艳孙明月

工程技术研究 2020年10期

夏国政，高雪艳，孙明月

（1.烟威高速公路管理处，山东烟台 264003；2.鲁东大学教育信息技术部，山东烟台 264025；3.鲁东大学土木工程学院，山东烟台 264025）

1 引言

地铁近接施工工程会不可避免地对周边既有结构产生一定的影响，造成围岩变形，当围岩变形量累积到一定程度时，将会对既有地铁的正常运营产生一定的影响，严重时会阻碍既有结构的正常使用[1]。为严格控制既有结构的变形，注浆在地铁近接工程中的应用逐渐增多[2]。

国内外学者对地铁近接施工中的动态化注浆问题开展了大量的研究。钱自卫[3]通过模型试验和理论分析，系统研究了孔隙性砂岩的渗透通道条件、浆液的可注性、充填效果及其主要影响因素，揭示了化学浆液在砂岩孔隙中的渗透扩散规律、充填特点及减渗机理。王占生等[4]通过有限元分析方法对新建地铁施工对既有隧道的变形进行了预测；并结合数值分析结果，优化了相关施工方案主要施工方案，提出了掌子面注浆辅助加固措施。Khave G J[5]基于在沿隧道100m的试验研究区进行的一系列现场实验，通过控制在隧道开挖过程中记录的TBM性能参数，解释开挖过程中的注浆加固机理。

本文依托某新建地铁隧道近距离下穿既有地铁施工工程，采用FLAC3D数值模拟计算，针对预注浆施工过程中的变形控制效果，开展了现场监测数据对比论证与数值模拟计算分析，进而提出了具体的变形控制方法。

2 工程概况

某地铁的建设已经多次近接建筑物、河流、铁路、车站、高速公路和地铁隧道。项目建设主要面临的主要问题：地质条件复杂、项目规模大、危险源多、施工现场空间狭窄、施工技术要求高。现有的地铁采用TBM建造，并于2012年完工。TBM隧道的外径为7.0m，内径为6.3m。新建地铁隧道也将采用TBM建造，外径为7.0m，内径为6.3m，新老隧道之间的净距为3m，既有隧道的地下埋深为9m，新建隧道将平行下穿既有隧道。

3 数值模拟方法

3.1 数值计算模型

根据实际工程概况以及地质报告，本次数值计算模拟采用三维计算模型，新旧平行隧道外径均为7.0m，内径均为6.3m，并考虑到相关的尺寸效应，模型长70m、宽60m、高66m，最终的数值模型与地质分层情况如图1所示。经过划分，模型包含了94381个单元和10275个节点。模型自上而下的土层分别为素填土、页岩、弱风化花岗岩。

图1 数值计算模型

3.2 材料参数

通过现场工程地质勘探报告以及相关数值模拟计算的经验，岩土介质力学参数的选取情况如表1所示。

表1 材料参数取值

4 数值计算结果分析

4.1 注浆效果分析

注浆前后的地层变形云图如图2所示。从图2中可以看出，注浆前，地层的最大沉降量为9.15mm，最大值位于新建隧道拱顶，既有隧道拱底的沉降为7.57mm，可见新建隧道近距离下穿既有隧道对既有隧道结构产生了较大的影响。而注浆加固后，地层的最大沉降减小到5.6m，相比于注浆前减小了39%；既有隧道拱底的最大沉降为3.86mm，相比于注浆加固前减小了3.71mm，减小幅度为49%。由此可见，注浆加固对既有隧道的影响要大于对既有地层的影响，可大幅提高强度和减小变形。

图2 注浆前后变形云图

4.2 注浆范围对比

为了研究不同注浆范围的加固效果，在保持注浆强度参数不变的情况下，将注浆范围分为了3组：注浆宽度为1m；注浆宽度为2m；注浆宽度为3m。根据不同注浆宽度进行了数值模拟分析，结果如图3、图4所示。

图3 不同注浆工况下的地表沉降

图4 不同注浆工况下的既有衬砌主应力

图3说明了不同注浆范围下的地表沉降。从图3中可以看出，随着注浆面积的增加，地表沉降明显减少。但同时也可以看出，随着灌浆范围的增大，对地表和地表差异沉降的干扰越来越小。注浆宽度为1m时的地表不均匀沉降为1.68mm，注浆宽度为3m时的地表不均匀沉降为0.87mm，下降了48%；同时注浆宽度为1m时的地表最大沉降为5.71mm，注浆宽度为3m时的地表最大沉降为3.84mm，下降了33%。可见注浆加固的效果很明显，但同时也可以看到注浆宽度为2m的地表沉降与注浆宽度为3m的地表沉降之间的差异很小。

图4显示了不同注浆范围下既有隧道的应力变化。从图4中可以看出，随着注浆范围的增加，既有隧道衬砌的最大主应力和最小主应力将大幅下降，且在所有注浆范围内的最大抗压应力均小于混凝土的抗压强度。但是注浆宽度为1m时，既有隧道衬砌的最大主拉应力大于混凝土的允许抗拉强度，这将导致既有混凝土衬砌因拉力而损坏。而随着注浆范围的增加，既有隧道衬砌的最大拉应力将小于混凝土的允许拉伸强度，并且不会发生受拉破坏。