大直徑熱力隧道下穿工程中超前注漿的效果研究

沈立偉

大直徑熱力隧道下穿工程中超前注漿的效果研究

沈立偉*

（北京市熱力工程設計有限責任公司，北京 100100）

大直徑熱力隧道下穿工程中可以采用超前深孔注漿的方法強化地層，這在卵石等松散的地層中較為常見。針對大直徑熱力隧道下穿工程中超前深孔注漿的作用效果，以北京市阜石路大直徑熱力隧道穿越東水西調(diào)管道工程為背景，通過有限元法數(shù)值仿真模擬等手段，對工程中采用超前注漿加固等手段控制既有管道隆起的作用效果進行研究。結果表明：①由開挖導致的地表沉降最大值發(fā)生在隧道中心正上方，地表沉降實測結果表明實際控制效果良好；②采用超前深孔注漿方法，隧道暗挖造成的主要擾動區(qū)域?qū)捈s為3倍跨度；③數(shù)值計算的管網(wǎng)沉降變形符合控制要求，超前注漿可以保證輸水管網(wǎng)安全；④通過采用注漿加固地層的方式，可以明顯減小地表沉降和管線沉降。說明了在卵石地層中，采用注漿加固的控制變形作用效果良好。

超前深孔注漿， 卵石地層， 暗挖隧道， 擾動控制， 實測數(shù)據(jù)分析

0 引 言

在修建城市地下市政隧道期間，往往存在新建隧道穿越雨污管網(wǎng)等地下管線的情況。地下管線常被稱作城市生命線工程，擔負著城市供電、供氣、給排水等重要工作。因此城市隧道暗挖穿越地下管網(wǎng)一般被視為風險和影響性較大的工程。

白鵬程［1］基于成都某超淺埋暗挖大跨隧道工程案例，進行模擬計算等工作。最終說明了采用優(yōu)化的CRD法施工方案和措施是有效的。宋卓華等［2］針對暗挖法中的頂部橫向管棚結構在開挖中的受力計算方法進行了研究，提出了采用彈性地基梁理論對隧道中管棚支護的簡化解析計算方法。針對基坑近接既有隧道開挖引起隧道的變形，宗翔和劉旭政等［3-4］分別對其控制方法、作用效果進行了研究和評估。Takagi等［5］運用彈性地基梁方法計算地下隧道施工引起鑄鐵管、鋼管上產(chǎn)生的變形及附加應力，并考慮周圍土體的沉降，將彈性地基梁方程進行了變化，得到了管線位移的簡便計算。劉保東等［6］通過對地鐵盾構隧道施工過程中鄰近隧道受到的影響進行三維有限元計算分析，得出地表變形的變化趨勢。劉曉強等［7］通過能量方法建立變分控制方程，提出了求解隧道穿越既有隧道豎向位移的能量變分解法，結合單洞隧道的開挖將其進一步地拓展。研究中還結合工程實例以及離心試驗來驗證公式。通過計算，分析了不同的因素對地下既有隧道和管線豎向位移的影響規(guī)律。Bartlett、Gording、Hansmire等［8-9］對平行穿越隧道進行了研究，結合隧道施工中的實測數(shù)據(jù)，對其進行計算分析。結論表明新建隧道引起的既有隧道的影響，其產(chǎn)生的沉降為不對稱曲線，最大的沉降值和沉降槽寬度均大于既有隧道，而最小的沉降點為靠近既有隧道的一邊。李圍，何川［10］對新建隧道下穿南京玄武湖公路隧道的工程進行了模型試驗，采用的是三維相似模型，最后通過研究分析了重疊隧道變形影響范圍，并提出了對穿越施工安全性的評定標準。張文超等［11］以某工程中新建盾構隧道下穿既有已運營隧道為背景，運用大型有限元軟件ABAQUS對盾構下穿施工過程進行了模擬，分析了既有隧道的應力和位移以及不同地層損失、不同覆土厚度和隧道間距對既有隧道的影響。于軍［12］結合北京地鐵的6號線下穿既有5號線工程，采用數(shù)值模擬分析與現(xiàn)場實測結合研究，對隧道施工方案進行優(yōu)化并總結分析零距離穿越施工對既有結構的影響。

可以看出：目前針對地下隧道下穿施工中的影響，國內(nèi)外已有部分成果。然而由于隧道穿越工程的復雜性、地質(zhì)條件的多樣性以及功能上的特殊性，建設隧道仍需要結合具體情況進行分析。且目前對于淺埋暗挖隧道施工，多是對既有大直徑隧道或周圍巖土體的影響性進行研究，針對既有小直徑管網(wǎng)的影響性的研究較為少見。且暗挖下穿施工多采用超前輔助加固措施，目前針對超前注漿加固的效果的研究也較為少見。

因此，本文基于北京市阜石路大直徑熱力隧道穿越東水西調(diào)管道工程，通過數(shù)值仿真模擬等手段，對工程中采用超前注漿加固等手段控制既有管道隆起的作用效果進行研究。

1 工程概況

北京市阜石路西延熱力隧道工程沿雙峪路由東向西敷設。隧道采用淺埋暗挖法下穿東水西調(diào)DN-1000及DN-1200線，下穿平面交角分別為19.94°及26.16°，如圖1所示。

圖1　熱力隧道項目及其環(huán)境平面圖

圖1所示下穿段附近有一尺寸為7.6 m×9.6 m熱力豎井，深19.23 m。豎井東側(cè)熱力隧道埋深14.50 m，西側(cè)隧道埋深7.00 m。東水西調(diào)管線交叉處，與熱力隧道豎向凈距8.76 m。豎井結構外輪廓線與東水西調(diào)DN-1000備用管線最小水平距離為7.18 m，與東水西調(diào)DN-1200管線最小水平距離為6.18 m。

根據(jù)北京地區(qū)相似地質(zhì)條件同斷面隧道類比和理論計算，確定復合襯砌，采用臺階法施工。初襯外尺寸為6.3 m×4.65 m，隧道最大開挖尺寸為6.3 m×7.7 m。初支為C20格柵噴混凝土結構（鋼筋格柵+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土），厚300 mm。初襯縱向每榀格柵間設縱向連接鋼筋，同時初襯中設Φ6@100×100的雙層網(wǎng)片。二襯為模筑鋼筋混凝土，厚350 mm。

按照市政部門要求，由于隧道施工導致的穿越范圍內(nèi)現(xiàn)狀管線，其沉降控制不大于10 mm，隆起不大于5 mm。

1.1　地質(zhì)概況

本次勘察期間，最大勘探深度38 m范圍內(nèi)未見地下水，場區(qū)地下水埋深較大。故本文中未考慮地下水。

表1　 地層物理力學參數(shù)

圖2　地質(zhì)環(huán)境剖面圖

1.2　注漿加固措施

在隧道標準段（非下穿段），隧道采用注漿加固的方法進行施工，注漿范圍為拱部及側(cè)墻。其注漿區(qū)厚度為開挖輪廓線外1.0 m，開挖輪廓線內(nèi)0.5 m。

在穿越段，隧道也采用深孔注漿加固土體方案，注漿范圍為拱部及側(cè)墻，注漿厚度為開挖輪廓線外2.0 m，開挖輪廓線內(nèi)0.5 m。加固土體注漿區(qū)間為順行穿越東水西調(diào)管線及距東水西調(diào)管線10 m以內(nèi)。

圖3　隧道穿越段注漿加固示意圖

2 工程實測

2.1　測點布置

在開挖過程中，對地表豎向位移進行監(jiān)測。如圖4所示，地面測點0.4范圍內(nèi)各測點間距2 m，在此之外的0.6L范圍內(nèi)測點間距4 m。按此方案沿隧道中線每10 m布置一組。地表沉降監(jiān)測控制值為15 mm。

圖4　測點布置

2.2　監(jiān)測結果分析

為方便與模擬數(shù)據(jù)對比，分別取輸水管網(wǎng)交叉點處的地表沉降監(jiān)測組（DBC-9）數(shù)據(jù)，以及其東西兩側(cè)各一組測點的地表沉降數(shù)據(jù)，整理如圖5所示。

圖5　地表沉降實測值

從圖中可以得出：

（1） 由于隧道開挖導致的地表沉降，其最大值發(fā)生在隧道中心線的正上方附近，最大沉降為7～9 mm。工程實際控制效果良好。

（2） 在卵石地層中的隧道開挖，引起的地表沉降較為集中。主要發(fā)生在約3倍開挖寬度范圍以內(nèi)（圖中位置-10～10 m）。

3 數(shù)值模擬

為模擬施工擾動對既有輸水管網(wǎng)造成的影響，使用程序建立了巖土三維有限元模型。并在模型中利用不同施工步的設置，模擬隧道的超前灌漿和開挖支護過程，最終提取計算結果中的地表和既有管網(wǎng)的沉降數(shù)據(jù)并將其與實測數(shù)據(jù)對比，以此評估計算模型的有效性，并分析超前灌漿的效果。

3.1　模型建立

數(shù)值模型的尺寸取100 m×80 m×60 m。對熱力隧道及5#施工豎井和兩側(cè)隧道以及既有輸水管網(wǎng)進行三維建模計算。

模型中土層簡化為雜填土層和卵石層兩層，在豎井和隧道周圍注漿加固的部分土體通過提高巖土強度來模擬，巖土體本構模型采用摩爾-庫侖模型。熱力隧道襯砌、施工豎井及東水西調(diào)鋼管采用彈性本構模型。圍巖土、5#施工豎井襯砌均采用體單元模擬，熱力隧道襯砌和東水西調(diào)鋼管均采用板單元模擬。數(shù)值模型的側(cè)面限制水平移動，底部限制垂直移動，上表面自由。數(shù)值計算模型結構與管網(wǎng)網(wǎng)格如圖6所示，數(shù)值模型采用的參數(shù)見表2。

表2　 數(shù)值模型地層參數(shù)

圖6　熱力隧道結構及輸水管網(wǎng)模型

3.2　計算結果

將輸水管網(wǎng)交叉點處的一組實測地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)（DBC-9）和數(shù)值模擬地表沉降結果進行對比，如圖7所示。

圖7　數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)對比

從圖中可以得出：數(shù)值模擬結果與實測值基本吻合，可以證明數(shù)值模型的有效性。

將模型中豎向位移計算結果提取為云圖，如圖8所示。提取既有輸水管網(wǎng)的豎向位移，如圖9所示。

圖8　模型豎向位移云圖

圖9　管網(wǎng)豎向位移分布

從圖8和圖9中可以得出：

（1）結合地表沉降計算結果，可以得出隧道開挖造成的巖土擾動主要影響區(qū)域?qū)挾燃s為3（為隧道開挖跨度）。

（2） 在此工程中，由于隧道開挖導致的上部輸水管網(wǎng)沉降主要集中在輸水管網(wǎng)交叉處附近。計算得管網(wǎng)最大沉降變形為6.86 mm。

（3） 計算得出管網(wǎng)最大沉降值符合市政部門對輸水管網(wǎng)的豎向變形控制要求，采用該施工方案可以保證輸水管網(wǎng)安全。

4 深層注漿效果分析

4.1　注漿對既有管線的影響

在數(shù)值模擬的基礎上對有限元計算模型進行修改，建立一個取消超前注漿施工的模型和一個標準段（注漿區(qū)厚度1 m）的模型進行計算分析。將此三個計算模型的結果進行對比，以分析深層注漿在開挖中控制既有管道沉降的效果。

圖10　管線DN1000的豎向變形對比

圖10展示了注漿和未注漿模型的管線交叉點處既有管線DN1000的豎向位移變形。分析以上結果，可以得出如下結論：

（1） 未采用注漿加固地層時，既有管線沉降達到約10 mm。在穿越段采用注漿加固2 m后，既有管線沉降最大值約6 mm，控制效果良好。

（2） 通過采用注漿加固地層的方式，可以將管線最大沉降減小近4 mm。這證明了在卵石地層中，采用注漿加固的作用效果十分顯著。

4.2　注漿區(qū)厚度的影響

分別計算穿越段、標準段（注漿區(qū)厚度改為1 m）以及未注漿的數(shù)值計算模型，將三個計算模型的地表沉降數(shù)據(jù)進行整理，如圖11所示。并在隧道豎井處以東131 m位置（標準段：注漿厚度1 m）取若干組地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，以驗證修改注漿厚度的數(shù)值模型有效性，如圖12所示。

圖11　地表沉降對比

圖12　標準段地表沉降模擬值與實測值對比

從圖中數(shù)據(jù)可以分析得出：

（1） 未采用注漿加固時，地表沉降最大值達到12 mm；注漿加固厚度1 m時，地表沉降最大值約10 mm；注漿加固厚度2 m時，地表沉降最大值約8 mm。通過采用注漿加固地層的方式，可以顯著地減小地表沉降。

（2） 注漿加固區(qū)厚度越大，其屏蔽地層開挖巖土擾動的效果越好，對減小地表沉降有較為明顯的效果。

5 結 論

本文通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬，分析了在卵石地層中采用超前深孔注漿的施工方式控制地層擾動，進而控制對既有輸水管網(wǎng)的變形影響的作用。得到的結論如下：

（1） 對比數(shù)值模擬結果與實測結果，地表變形數(shù)值和形態(tài)基本吻合，可以證明數(shù)值模型的有效性。

（2） 由于熱力隧道開挖導致的地表沉降實測為7～9 mm，增大注漿區(qū)厚度對減小地表沉降有較為明顯的效果。

（3） 通過采用注漿加固地層的方式，可以將管線沉降明顯減小。最終管線沉降符合工程控制要求，可以保證施工中管線的安全。

（4） 在卵石地層中，采用注漿加固的作用效果較為顯著。且注漿加固區(qū)厚度越大，其屏蔽地層開挖巖土擾動的效果越好。

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Study on the Effect of Super Front Grouting in Large Diameter Thermal Tunnel Underpass Project

SHENLiwei*

（Beijing Heat Supply Engineering Design Company， Beijing 100100， China）

In underpass projects of large diameter thermal tunnel， advanced deep hole grouting can be used to strengthen stratum， which is common in loose stratum such as pebbles. In view of this， this paper takes a large diameter thermal tunnel crossing the East-to-West water transfer pipeline project on Fushi Road in Beijing as the background， the effect of using advanced grouting reinforcement to control the uplift of existing pipelines was studied by means of finite element numerical simulation and other methods. The results show that：（1） The maximum surface settlement caused by excavation occurs directly above the center of the tunnel， and the measured results of surface settlement show that the actual control effect is good. （2） Using advanced deep hole grouting method， the main disturbance area caused by tunnel excavation is about three times the span in width. （3） The settlement deformation of the pipe network obtained by numerical calculation meets control requirements，and the safety of water distribution network is ensured. （4） The use of grouting reinforcement in pebble stratum can significantly reduce the surface settlement and pipeline settlement.

grouting reinforcement， pebble stratum， tunnel excavation， disturbance control， measured data

2021-03-05

聯(lián)系作者：沈力偉（1986-），男，國家一級注冊結構工程師、注冊土木工程師（巖土），主要進行巖土及地下結構工程設計和研究。E-mail：939561012@qq.com