金 瓊 （中鐵十七局集團(tuán)有限公司第二工程有限公司，陜西 西安 710043）

1 概 述

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，大量的熱力隧道、交通隧道需要修建。目前，在城市，尤其是中心城區(qū)，修建隧道與地下工程，基本不具備明挖施工的條件，且明挖法前期拆改費(fèi)用高，工期因前期拆改實(shí)施難度大而不可控。由上世紀(jì)80年代在北京市地鐵二號(hào)線與一號(hào)線折返線隧道首次創(chuàng)立并實(shí)施的淺埋暗挖法，是基于先進(jìn)行施工降水的一種隧道工法，適合修建城區(qū)地下工程。因此，在未來的地下工程建設(shè)中，淺埋暗挖法將是最主要的隧道施工工法，甚至有些情況下是不二選擇1。

淺埋暗挖施工方法的一個(gè)主要特征就是保持掌子面的相對干燥，而熱力隧道、交通隧道等地下工程一般是處于軟弱破碎地層，這種地層一般富含地下水。所以，降水成為修建城市軌道交通工程的重要組成部分。

眾所周知，降水會(huì)對地下水結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，同時(shí)造成地層損失，從而導(dǎo)致地表不均勻沉降，造成建筑結(jié)構(gòu)開裂，影響建筑結(jié)構(gòu)安全。所以，越來越多的城市開始限制在城市中心進(jìn)行降水作業(yè)。因此，亟待研究地層預(yù)加固及地下水處治的非降水（注漿）隧道施工技術(shù)，促進(jìn)淺埋暗挖隧道施工法的技術(shù)進(jìn)步與技術(shù)升級(jí)真正實(shí)現(xiàn)綠色安全施工。

注漿厚度對止水效果有著重要影響，同時(shí)也直接關(guān)系著注漿量的大小，對其研究有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文旨在通過借助FLAC3D有限差分軟件對注漿圈厚度進(jìn)行數(shù)值模擬，以確定臨界注漿圈厚度。

2 模型建立

2.1 模型尺寸

數(shù)值分析的模型只能是空間有限的區(qū)域，而地下結(jié)構(gòu)周圍的地層相對而言是無限大或半無限大（深埋或淺埋）的，因此必須選取某個(gè)有限的計(jì)算范圍建立數(shù)值分析模型。這個(gè)計(jì)算范圍的邊界應(yīng)該離地下的結(jié)構(gòu)足夠遠(yuǎn)，設(shè)在幾乎不受地下工程影響的地方。經(jīng)驗(yàn)表明，一般來說，離洞室中心3～5倍于洞徑洞室特征尺寸（最大內(nèi)徑）以外的地方，地下工程的影響足夠小，上下邊界甚至在1.5倍洞徑時(shí)影響已經(jīng)很小，本次計(jì)算所選取的模型范圍是邊長為40m、30m的矩型，見圖1所示，隧道軸向選取12m，為以一次注漿循環(huán)，按照計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)尺寸以足夠滿足工程需要。

2.2 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

模型中采用工程中應(yīng)用最為廣泛的Mohr-Coulomb破壞和強(qiáng)度準(zhǔn)則。Mohr-Coulomb模型是基于材料破壞時(shí)應(yīng)力狀態(tài)的莫爾圓提出的，破壞線是與這些莫爾圓相切的直線，Mohr-Coulomb的強(qiáng)度準(zhǔn)則為：

式中：τ 剪切強(qiáng)度；β 為正應(yīng)力；c 為粘聚力；φ 為內(nèi)摩擦角。

從Mohr圓可以得到以下關(guān)系：

把τ、σ 代入τ=c-σtanφ 中，Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則可寫為：

在π 平面上，Mohr—Coulomb屈服面是一個(gè)不等角的六邊形。為避免尖頂和棱角這些奇異點(diǎn)，使數(shù)值計(jì)算簡化并加快收斂，采用Menetrey—William型塑性勢函數(shù)，在π 平面上呈橢圓型、在子午面上呈雙曲線型，屈服面完全光滑。

模型計(jì)算參數(shù) 表1

初襯采用C20混凝土，厚300mm，密度2400kg/m3，彈性模量為25 GPa，泊松比0.25，抗壓強(qiáng)度為12.5MPa，抗拉強(qiáng)度為1.3MPa。二襯采用C30混凝土，厚度也為300mm，密度2500 kg/m3，土層的相關(guān)參數(shù)見表1所示。

2.3 工況選擇

土體注漿后，各項(xiàng)物理性能參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，能有效抑制豎向沉降，影響塑性區(qū)分布規(guī)律及應(yīng)力場分布規(guī)律。先假定為全斷面注漿，以注漿后土體滲透系數(shù)為10-4cm/s（弱透水層），地下水位與隧道仰拱標(biāo)高之差為10m，分別選取注漿圈厚度為0m（不注漿）、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、5m、7m時(shí)豎向位移場、塑性區(qū)分布及水壓分布的分布規(guī)律，綜合分析后得出最優(yōu)注漿圈厚度。對于隧道模型，模擬時(shí)考慮開挖時(shí)步，按上下臺(tái)階法開挖，上下臺(tái)階錯(cuò)1.8m，每進(jìn)尺0.6m進(jìn)行初支支護(hù)，共模擬開挖12m，其網(wǎng)格模型見圖2所示。

3 豎向位移場隨注漿厚度分布規(guī)律

注漿后直接影響位移場的分布規(guī)律，圖3顯示了注漿圈厚度分別為0m（不注漿）、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、5m、7m時(shí)豎向位移場的分布情況。

從圖3可以看出，隨著注漿圈厚度增加，整體沉降控制逐漸變好，不注漿時(shí)，沉降最明顯。為了更具體分析沉降變化，提取出拱頂、拱頂正上方地表中心點(diǎn)以及仰拱3個(gè)觀測點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)并繪制成圖4。

從圖4可以看出，注漿厚拱頂和地標(biāo)中心的沉降以及仰拱的隆起明顯小于不注漿時(shí)的情況。隨著注漿圈厚度的增加，沉降值越來越小，如在注漿厚度為2.0m時(shí)，拱頂沉降比不注漿時(shí)減小65%。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，注漿圈厚度在2.0m之后，注漿效果對拱頂沉降的控制作用已經(jīng)不甚明顯。同樣的，拱頂?shù)恼戏降乇碇行奶幍某两狄约把龉奥∑鹆侩S著注漿圈厚度增加也表現(xiàn)出與拱頂沉降非常一致的規(guī)律。

由此可以看出，從控制關(guān)鍵點(diǎn)的沉降值與經(jīng)濟(jì)效益兩方面綜合考慮，注漿圈厚度易控制在2.0m之間比較合適，根據(jù)工程周邊環(huán)境和地質(zhì)情況可以適當(dāng)增加或減小注漿圈厚度。

4 水壓隨注漿厚度分布規(guī)律

注漿對圍巖水壓的影響較大，圖5顯示了注漿圈厚度分別為0m（不注漿）、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、5m、7m時(shí)圍巖水壓的分布情況。滲流量隨注漿厚度的變化見圖6所示。

由圖5、圖6可以看出，沒注漿時(shí)隧道周邊的水壓消散最徹底，但這伴隨著巨大的滲流量。隨著注漿厚度的增加，隧道洞周水壓消散逐漸加大，同時(shí)滲流量也逐漸減小。當(dāng)注漿厚度在2.0m左右時(shí)，滲流量已趨于穩(wěn)定，注漿厚度繼續(xù)增加時(shí)滲流量不再顯著變化。從滲流量水壓消散控制考慮，注漿2.0m較為合適，根據(jù)工程周邊環(huán)境和地質(zhì)情況可以適當(dāng)增加或減小注漿圈厚度。

5 塑性區(qū)隨注漿厚度分布規(guī)律

注漿后直接影響位移場的分布規(guī)律，圖7顯示了注漿圈厚度分別為0m（不注漿）、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、5m、7m時(shí)塑性區(qū)的分布情況。

由圖7可以看出，注漿后塑性區(qū)比不注漿明顯減小，隨著注漿圈厚度的增加塑性區(qū)越來越小，但當(dāng)注漿圈厚度在2.5m之前注漿圈對塑性區(qū)的減小作用非常明顯，到了2.5m以后注漿圈厚度對塑性區(qū)的影響作用不是很明顯。從控制塑性區(qū)范圍考慮，注漿2.5m較為合理。根據(jù)工程周邊環(huán)境和地質(zhì)情況可以適當(dāng)增加或減小注漿圈厚度。

6 結(jié) 論

綜合考慮圍巖位移、滲流量以及塑性區(qū)的變化，當(dāng)?shù)叵滤慌c隧道仰拱標(biāo)高之差為10m時(shí)，注漿厚度在2.0m～2.5m是較為經(jīng)濟(jì)合理的。

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