徐雁云

(中鐵十九局集團(tuán) 軌道交通工程有限公司，北京 101300)

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西南地區(qū)地鐵隧道巖溶地層注漿加固范圍與應(yīng)力關(guān)系模擬計(jì)算分析

徐雁云

(中鐵十九局集團(tuán) 軌道交通工程有限公司，北京 101300)

地鐵工程在全國大中城市飛速建設(shè)的進(jìn)程中，西南巖溶發(fā)育地區(qū)進(jìn)行地鐵區(qū)間隧道穿越強(qiáng)巖溶區(qū)施工，經(jīng)常采取隧道超前注漿加固措施.從工程實(shí)例出發(fā)，通過建立不同注漿范圍與隧道圍巖應(yīng)力變化的關(guān)系，以達(dá)到控制超前注漿加固范圍，保證隧道正常注漿效果和受力條件.

西南地區(qū)；地鐵隧道；巖溶注漿范圍；應(yīng)力計(jì)算

隨著地鐵工程在全國大中城市飛速建設(shè)，云南、廣西、貴州等西南巖溶最發(fā)育的地區(qū)，也開始了地鐵工程的施工.在巖溶地區(qū)進(jìn)行的地鐵建設(shè)中常常會(huì)遇到穿越強(qiáng)巖溶區(qū)的隧道，由于隧道處于地下各種復(fù)雜的水文地質(zhì)巖體中，各類巖溶問題也成為隧道施工建設(shè)中最難處理的問題.

貴陽軌道交通工程區(qū)間局部下穿南明河，所處區(qū)域?yàn)閹r溶中等發(fā)育區(qū)，南明河地表水與地下水有可能通過溶孔及裂隙聯(lián)通，風(fēng)險(xiǎn)大.故下穿南明河段需采取加強(qiáng)措施，隧道開挖過程中采用注漿加固以確保安全，采用全斷面注漿目的是為了堵水，防止南明河水通過未知巖溶通道與開挖隧道聯(lián)通；對(duì)全斷面圍巖進(jìn)行注漿，填充圍巖裂隙及可能存在的巖溶通道.區(qū)間隧道全斷面帷幕注漿設(shè)計(jì)見圖1.

考慮到帷幕注漿段巖層不穩(wěn)定和河水對(duì)地層的影響，需要選擇不同的注漿范圍，模擬計(jì)算注漿對(duì)地層應(yīng)力、變形值等各項(xiàng)指標(biāo)的影響變化，以選擇更科學(xué)合理經(jīng)濟(jì)的注漿參數(shù)，最大限度不破壞原有地層圍巖應(yīng)力條件.

圖1　區(qū)間隧道全斷面帷幕注漿設(shè)計(jì)示意圖

1　不同注漿范圍的數(shù)值分析

1.1注漿范圍為2 m

注漿范圍為2 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果見圖2.從圖2豎向位移云圖可以看出，開挖后應(yīng)力的影區(qū)域圍基本處于3倍洞徑范圍以內(nèi)，而且圍巖內(nèi)位移呈對(duì)稱分布，下半部分的位移高于上部，且拱底有向上的位移，約為0.5 cm.這是由于隧道的開挖，釋放了原巖應(yīng)力，隧道圍巖的應(yīng)力重新分布，隧道底部上到向上的應(yīng)力，導(dǎo)致其產(chǎn)生向上的運(yùn)動(dòng).從圖3所示的豎向應(yīng)力云圖，可以看出洞室開挖使隧道圍巖產(chǎn)生的應(yīng)力主要發(fā)生在隧道的周邊，也以對(duì)稱分布，其中拱底受拉應(yīng)力作用，其他部位主要受到壓應(yīng)力作用.

圖2　注漿范圍為2 m時(shí)豎向位移云圖

圖3　注漿范圍為2 m時(shí)豎向應(yīng)力云圖

圖4　注漿范圍2 m時(shí)地表位移曲線

如圖4所示為注漿范圍為2 m時(shí)，地表位移曲線圖，從圖中可以看出，地表發(fā)生向上的位移.這是由于隧道開挖以后，破壞了原始的圍巖的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力的重新分布，由于隧道埋深較淺，開挖后受到底部向上的應(yīng)力大于豎直向下方向的應(yīng)力，引起隧道整體產(chǎn)生向上的位移.因此，地表表現(xiàn)為向上的位移，即產(chǎn)生隆起.同時(shí)，由圖4可見，最大的位移發(fā)生在掌子面中線處，約為4.7 m.隨著離掌子面中線距離的增大，地表位移注漿減小，距離大于20 m以后位移逐漸趨于穩(wěn)定，不再變化.

1.2注漿范圍為3 m

注漿范圍為3 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果見圖5.從圖5豎向位移云圖可以看出，開挖后應(yīng)力的影區(qū)域圍基本處于3倍洞徑范圍以內(nèi)，而且圍巖內(nèi)位移呈對(duì)稱分布，下半部分的位移高于上部，且拱底有向上的位移，這是由于隧道的開挖，釋放了原巖應(yīng)力，隧道圍巖的應(yīng)力重新分布，隧道底部上到向上的應(yīng)力，導(dǎo)致其產(chǎn)生向上的運(yùn)動(dòng).從圖6所示的豎向應(yīng)力云圖，可以看出洞室開挖使隧道圍巖產(chǎn)生的應(yīng)力主要發(fā)生在隧道的周邊，也以對(duì)稱分布，其中拱底受壓應(yīng)力作用，其他部位主要受到拉應(yīng)力作用.

圖5　注漿范圍為3 m時(shí)豎向位移云圖

圖6　注漿范圍為3 m時(shí)豎向應(yīng)力云圖

圖7　注漿范圍3 m時(shí)地表位移曲線

如圖7所示為注漿范圍為3 m時(shí)，地表位移曲線圖，從圖7中可以看出，地表發(fā)生向上的位移.這是由于隧道開挖以后，破壞了原始的圍巖的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力的重新分布，由于隧道埋深較淺，開挖后受到底部向上的應(yīng)力大于豎直向下方向的應(yīng)力，引起隧道整體產(chǎn)生向上的位移.因此，地表表現(xiàn)為向上的位移，即產(chǎn)生隆起.同時(shí)，由圖7可見，最大的位移發(fā)生在掌子面中線處，約為3.9 mm.隨著離掌子面中線距離的增大，地表位移注漿減小，距離大于20 m以后位移逐漸趨于穩(wěn)定，不再變化.

2　不同工況的對(duì)比分析

同理，計(jì)算注漿范圍為2.5 m、3.5 m、4 m的工況，結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果可以看出，隧道開挖使地表主要產(chǎn)生向上的位移，即隆起.

其理論依據(jù)主要是：隧道開挖壞了原始的圍巖的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力的重新分布，由于隧道埋深較淺，開挖后受到底部向上的應(yīng)力大于豎直向下方向的應(yīng)力，引起隧道整體產(chǎn)生向上的位移.因此，地表表現(xiàn)為向上的位移，即產(chǎn)生隆起.同時(shí)，由圖8可見，最大的位移發(fā)生在掌子面中線處，隨著離掌子面中線距離的增大，地表位移逐漸減小，距離大于20 m以后位移逐漸趨于穩(wěn)定，不再變化.

圖8　不同注漿范圍下地表位移曲線

將不同漿范圍條件下地表產(chǎn)生的位移進(jìn)行對(duì)比分析，得到的結(jié)果如圖8所示.由圖8可知，隨著注漿范圍的增大，地表產(chǎn)生的位移有減小的趨勢(shì).這是由于注漿加固了地層，限制了巖土體的位移，同時(shí)注漿也增大了地層的自重應(yīng)力，使隧道所受到的豎向向下的應(yīng)力增大，抵消了部分底部向上的應(yīng)力，促使向上的位移減小.因此，注漿范圍增大使地表的隆起的位移減小.由計(jì)算結(jié)果可得，當(dāng)注漿范圍從2 m增大到4 m時(shí)，地表的最大隆起位移由4.7 mm減小到4 mm，位移的減小率為25%，注漿的效果相對(duì)明顯.

3　結(jié)語

從以上的數(shù)值模擬結(jié)果可得，注漿范圍越大，地表的位移越小.但是，一味地增加注漿范圍，是不經(jīng)濟(jì)的，且給施工造成影響.因此，實(shí)際施工過程中應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，以及隧道開挖過程中的各種監(jiān)測(cè)資料，合理地確定注漿范圍.

[1]王潤福,孫國慶,李治國.圓梁山隧道進(jìn)口填充型溶洞注漿施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2003，23(3):28-32.

[2]彭川.巖溶隧道圍巖與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2009.

[3]李治國.隧道巖溶處理技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2002，76(4):61-67.

[4]黃繼勇，何現(xiàn)啟.淺談巖溶地段隧道處理措施[J].地下工程，2007，11(1):57-58.

[責(zé)任編輯王新奇]

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，陜西延安人，中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司工程師，主要從事隧道工程研究.

P642.23

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