基于注浆加固工况的隧道下穿既有通道相互力学作用分析

张俊伟

（中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司，河南洛阳471000）

1 引言

随着城市轨道交通的蓬勃发展，地铁工程的建设突飞猛进。在地铁的建设过程中，不可避免地会出现下穿建筑物或构筑物的情况，其中隧道下穿地下通道就是地铁设计和施工过程中经常出现的一个难点[1-3]。隧道的盾构掘进会引起地下通道主体结构的倾斜变形或扭转，严重时可能会导致其主体结构发生破坏，危害地下通道的使用和运营，因此，开展相关影响研究成为该类工程安全施工的重要前提，并且具有一定的学术价值。

隧道开挖首先会引起周围地层的扰动，传递给地下通道使其发生应力场与位移场的变化进而可能引发一系列的风险事故[4，5]。国内外众多学者利用理论计算、模型试验、经验预测和数值模拟等手段[6-8]对盾构施工引起的地层扰动规律开展了相关研究，并且利用上述方法对各类隧道下穿工程也开展了相关的规律分析并取得了一系列成果[9，10]，但在相关的穿越工程研究中，常常只关注地下通道的稳定性而忽略其与隧道间的相互作用规律，并且不考虑注浆加固的影响。因此，本文以徐州轨道交通某盾构施工区间下穿地下通道工程为依托背景，通过开展穿越段隧道开挖施工的数值计算，揭示注浆加固工况下隧道下穿既有通道的相互力学作用机制，分析结果对类似工程提供了较好的设计参考。

2 工程概况及数值建模

2.1 工程概况

徐州地铁2号线某盾构施工区间，近似平行下穿一处既有地下通道。隧道埋深20.95 m，外径6.2 m，内径5.5 m，管片环宽1.2 m。地道结构尺寸约为19 m×5 m，两侧布置有围护桩进行支护，主体结构底部另设有直径1 000 mm的抗拔桩。由于穿越段隧道在施工过程中存在诸多风险，需要对该穿越段隧道利用管片增设的注浆孔进行深孔注浆，注浆孔直径50 mm，注浆浆液选择双液浆，水泥等级42.5。注浆加固范围为隧道上部270°，注浆深度为2 m。

2.2 数值模型的建立

采用有限差分软件FLAC3D进行计算分析，根据工程经验取整体模型尺寸为80 m×50 m×48 m，地层、围护桩、隧道管片和注浆等代层均采用实体单元进行模拟。在对土体进行运算时，采用Mohr-Coulomb本构模型，围护桩、管片和注浆等代层采用弹性本构模型。用等代层来模拟管片外侧的注浆层和沿隧道径向浆液渗透的岩土体，并通过赋予等代层弹性模量、泊松比等参数来实现注浆影响区域的模拟。限制前后左右4侧的法向位移和底部边界3个方向的位移，上表面取至地表，设置为自由表面。其中，地下通道主体结构、围护桩、隧道管片和注浆等代层模型如图1所示（为方便后续研究，已在隧道监测点进行标记）。

图1 地道与隧道主体结构图

2.3 计算参数选择

根据地质勘探结果，地层自上而下主要可划分为杂填土、黏土和中风化石灰岩。根据土体和结构体所选的本构模型进行赋值，各土层的主要物理力学指标如表1所示。

表1 地层计算参数

各支护和主体结构的计算参数详见表2。

表2 结构计算参数

3 新建注浆加固隧道与既有地道的相互作用分析

3.1 盾构隧道掘进引起地道主体结构的变形分析

在本次算例的开挖中，隧道开挖后管片立即布置，随后通过赋予等代层弹性本构模型及参数来实现壁后的注浆加固。左右线隧道开挖并注浆完成后的地道主体结构变形云图如图2所示（显示云图进行了放大处理）。

图2 隧道注浆加固开挖完成后的地下通道变形云图

分析可知，由于新建隧道的开挖扰动影响，地下通道发生了一定的变形与沉降，主体结构上侧整体沉降明显大于下侧，且最大沉降集中在中隔墙的正上方，向两侧方向沉降逐渐减小，主体结构两侧受到扰动影响向内发生了弯曲，弯曲值最大处发生在沿两侧结构竖直方向的中部位置。由于主体结构的不均匀沉降，其上方结构也发生了向内的弯曲，以距离中隔墙越近处弯曲值越大，通道左右两侧变形近似呈对称性分布，主体结构中隔墙上侧由于挤压稍微发生了鼓起。主体结构最大沉降量为9.07 mm，在主体结构偏下部变形值急剧减小，最小变形发生在主体结构底部，其沉降值为0.41 mm，沉降和变形在规定范围内，即本工程盾构隧道在注浆加固条件下开挖引起上方地下通道产生的风险在可控范围内，符合地下通道安全使用和运营的要求。

3.2 既有地下通道对新建注浆加固隧道的影响分析

盾构隧道的掘进会引起上方既有地下通道产生变形和受力变化，同时，土层中既有地下通道的存在也会对隧道盾构管片的受力和位移产生影响。为更加清晰地研究这种影响规律，再次进行无地下通道存在工况下新建注浆加固隧道的开挖模拟。得出2种工况下隧道开挖后的竖向和水平位移情况见表3（表3中竖向位移以上为正，水平位移以右为正）。

表3 隧道开挖完成后管片位移表

由表3对比分析可知，在有地下通道存在的情况下，双线隧道开挖并壁后注浆完成以后，盾构管片四周产生了不同程度的变形，隧道拱顶由于承受了上方地层传递的荷载发生了向下的竖向位移，隧道拱底由于开挖卸荷作用发生了向上的隆起，而隧道左右帮区域管片由于承受了上部管片和岩体传导的应力，发生了背离开挖面的挤压变形。在无地下通道存在的情况下，隧道的竖向位移和水平位移产生了不同程度的减小，其对应最大竖向位移的1号和10号监测点位移分别减少了15.5%和13.59%，对应最大水平位移的6号和13号监测点位移分别减少了16.73%和16.90%。说明在存在既有地下通道的情况下，隧道上方地层的应力传递受到了影响，隧道的变形呈现了增大的趋势。因此，在盾构隧道掘进经过既有地下通道时，需考虑地下通道给隧道带来的受力和变形的影响，增大监测频率，并注意及时采取对管片的防护措施，本节模拟的2种工况下的隧道管片并没有较大的变形是由于在盾构隧道掘进过程中及时采取了壁后注浆的控制措施，并且注浆厚度较大，有效控制了隧道的各向位移，在相似工程中也可以采取壁后注浆加固的方法来减少穿越的风险。

3.3 既有地下通道存在条件下注浆加固对隧道开挖的影响分析

基于3.2节的2次模拟，再次对2种工况下隧道的变形进行分析，研究在既有地下通道存在的条件下注浆加固对盾构隧道掘进的影响规律。绘制出2种工况下左右线隧道开挖完毕后的隧道监测点竖向和水平方向位移如图3所示。

图3 2种工况下隧道监测点位移图

由图3分析可知，注浆加固对隧道变形的控制效果比较明显，工况一由于在开挖过程中没有采取注浆措施发生在拱顶的最大沉降已经达到了12.16 mm，而工况二的最大沉降为7.48 mm，相比之下减少了38.49%，工况一隧道拱底的最大隆起值为8.2 mm，工况二相对应的值为5.03 mm，相比之下减少了38.66%。同时从图3也可以得到采取注浆加固措施使隧道的水平位移也得到了较好的控制，工况一最大水平位移值为7.28 mm，发生在隧道左帮，工况二对应的位移值则为5.08 mm，相比减少了30.2%，工况二的竖向和水平位移曲线均包含于工况一的位移曲线与坐标轴围成的区域内，说明在隧道掘进过程中进行壁后注浆加固能够在较大程度上减少隧道的各向变形，使隧道的稳定性得到增强，减小施工风险。

3.4 隧道下穿既有地下通道支护结构的受力分析

盾构隧道掘进不仅会对地下通道的位移场产生影响，同时也会使其主体结构的应力场发生变化，根据模拟结果绘制出施工完成后支护结构与地下通道的竖向应力场等值线如图4所示。

图4 隧道开挖后整体应力场云图（单位：MPa）

由图4可知，在隧道施工完成后，应力集中区域主要分布在其主体结构的拐角处，其中，中隔墙上拐角与下拐角处应力集中情况最为明显，在主体结构的两侧上方局部区域受力呈“耳朵状”分布。距隧道较近处岩土体应力分布受开挖影响较大，在靠近隧道下方区域由于承受了管片传导的岩土体应力导致此处竖向应力较大。因此，在隧道施工过程中需要注意上述地下通道应力较为集中区域与隧道下方区域受力情况，以保证穿越工程的安全进行。

4 结论

1）开展了注浆加固隧道下穿既有地下通道的相互力学分析，揭示了位于下穿位置的盾构隧道掘进引起的地道主体结构变形情况，分析在既有地下通道存在的情况下注浆加固对隧道变形的控制数值，可为类似工程提供设计依据。

2）在盾构隧道掘进的影响下，主体结构上侧发生了较大的变形，峰值集中在主体结构的正上方，向两侧方向减小，主体两侧受扰动影响向内发生弯曲，峰值位于沿两侧结构竖直方向的中部位置。隧道开挖会引起周围环境的应力场发生变化，使地下通道主体结构产生更大的集中应力。既有地下通道存在也会影响隧道的开挖效应，增加隧道的变形，同时采取壁后注浆加固能很好地控制隧道的各向位移，增加安全性。

3）穿越过程因为具有本身空间结构的复杂性，施工前应做好详尽的勘探，准确揭示相关过程岩土参数。在盾构施工经过既有地下通道时，需对相互作用效应进行专项论证，做好防控措施，以防止工程结构变形过大而引发工程事故。