地下工程抬升注浆设计方法及其抬升效果预测研究

关键词：抬升注浆；既有线；止浆墙；数值模拟
中图分类号：ＴＵ９４＋３．９
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－１３１Ｘ （２００７） ０８－００７９－０６
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｇｒ ｏｕｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｒ ｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｆｏｒ ｃｏｎｓｔｒ ｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒ ｇｒ ｏｕｎｄ ｓｔｒ ｕｃｔｕｒ ｅｓ
分析新建车站开挖引起既有线沉降的特征，以此为依据进行抬升注浆设计。通过在“注浆单元”上施加膨胀压力
模拟注浆抬升既有结构的效果并与实测数据做对比，验证了施加膨胀压力模拟抬升注浆的正确性和有效性，为今
后类似工程的设计提供了预测抬升效果的方法。在此基础上进一步研究得出止浆墙能有效限制土体侧向膨胀，提
高抬升效果的结论。
根据式 （１），定义土体的体积应变：
地铁五号线崇文门站位于崇文门路口下，采用 “浅埋暗挖法”施工。车站与既有地铁二号线崇文门
站东端区间立交，并从其下方穿过。该站结构为双柱 三跨岛式车站。车站为端进式，两端为双层结构，地 下一层为站厅层，地下二层为站台层；中间为单层结 构，系站台层。车站总长度 ２０８．９ ｍ，总宽度 ２４．２ ｍ， 站台宽度 １４ ｍ。车站顶板覆土：双层结构为 ８～９．３ ｍ，单层结构为 １３．５ ｍ。既有线与车站相对位置关系 见图 ２；工程地质情况及土层参数见表 １。既有线左 线 （内环）、右线 （外环） 结构各有三条变形缝受到
６５ ０．１８ ０．１
４５
１．３
７ 粉质黏土 １．８９ １２．５ ０．４５ ４１．６ １６．９ ３．７
８ 细中砂 ２．０６ ４５ ０．２５ ０．１
４０
５
９ 卵石圆砾 ２．１５ ８０ ０．１８ ０．１
５０ ２０．６
图 ６ 三维模型及网格划分 Ｆｉｇ． ６ ３－ Ｄ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｓｈ
基金项目：北京市自然科学基金资助项目 （８０５２０１５）、北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室资助项目
作者简介：唐智伟，男，硕士研究生 收稿日期：２００６－１１－０６
注浆技术正日益广泛的应用在许多工程领域，关 于抬升注浆的工程实践也在逐渐增多。特别是城市地 铁建设引起的周围建筑物、道路、管线、既有线的不 均匀沉降危害十分严重，抬升注浆技术正在被广泛用 于控制沉降。仅仅凭经验进行抬升注浆的施工已不能 满足工程发展的需要，急需形成一套合理的设计原 则，有效的预测方法，以确保抬升注浆工程的经济、 有效。
图 ７ 抬升注浆前后右线结构沉降图 （实测） Ｆｉｇ． ７ Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒ ｉｇｈｔ ｔｕｎｎｅｌ ｓｔｒ ｕｃｔｕｒ ｅ ｂｅｆｏｒ ｅ－ａｎｄ－ａｆｔｅｒ
ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｇｒ ｏｕｔｉｎｇ （ｍｅａｓｕｒ ｅｄ ｄａｔａ）
根据监测的结果可知，随着隧道开挖的进行，既 有线的沉降一直在增大，在侧洞开挖之前，既有线最 大沉降达到 ３１．２７ ｍｍ，而该阶段的允许最大沉降值 为 ２５．９７ ｍｍ，沉降超出控制标准 ５．３ ｍｍ，对下一步 的施工沉降和总体沉降控制目标的实现造成了很大的 压力。在这种条件下，为了保障既有线的安全运营以
本文以北京地铁五号线崇文门地铁车站下穿既有 线抬升注浆工程为研究对象，结合监测数据与三维有 限差方法分析了新建车站开挖引起既有线沉降的特 征，以此为依据进行抬升注浆设计。通过在“注浆单 元”上施加膨胀压力模拟了注浆抬升既有结构的效果 并与实测数据做了对比，验证了施加膨胀压力模拟抬 升注浆的正确性和有效性，为今后类似工程的设计提 供了预测抬升效果的方法。在此基础上进一步研究得
图 ４ 车站与既有线空间位移 Ｆｉｇ． ４ Ｓｐａｔｉａｌ ｒ ｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｍｅｔｒ ｏ ｓｔａｔｉｏｎ ａｎｄ
ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ
表 １ 土层参数表 Ｔａｂｌｅ１ ｌ Ｐａｒ ａｍｅｔｅｒ ｓ ｏｆ ｓｏｉｌｓ
地层 密度 压缩模
黏聚力 摩擦角 厚度
序号
泊松比
名称 （ｇ／ｃｍ３）量（ＭＰａ）
第 ４０ 卷 第 ８ 期
唐智伟等·地下工程抬升注浆设计方法及其抬升效果预测研究
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施工的影响， 为了保证既有结果的安全使用，减少 对既有线运营的影响，崇文门车站采用柱洞法施工。 施工步序如图 ５。
模型，初期支护、二次衬砌、注浆区域［８］以及柱梁都 采用弹性模型。管棚支护采用提高所处土体强度的实 体单元［９］，既有结构的变形缝采用接触面单元模拟。
引言
所谓抬升注浆技术，就是采用注浆产生的压力使 被抬物上移的技术。抬升注浆技术最早在建筑物的纠 偏中被采用。Ｇｒａｆ （１９６９） 首次提出可以采用压密注 浆对建筑物进行纠偏。在随后的四五十年间，国外学 者结合工程实践对抬升注浆技术做了大量研究，形成 了较为完备的理论体系和设计方法。目前国内已有个 别工程实例与此相关，也有个别文献涉及抬升注浆和 纠偏注浆，但基本上是工程现象的描述和总结，未见 有对注浆顶升纠偏进行全面、系统研究 （包括有关理 论研究） 的文献报道［１－２］。
假设地层抬升的体积与注浆体积成正比［３］：
ξ＝Ｖｓｈ ／ Ｖｉｎｊ
（１）
式中：ξ为注浆补偿率；Ｖｓｈ 为地表抬升的体积；Ｖｉｎｊ
为注浆体积。
注浆补偿率 ξ在注浆过程中不是常数，其值的大
小受地层条件、应力大小、固结历史等的影响，且在
注浆一段时间后因为土体的固结作用 ξ值变小，研究
和经验表明 ξ的值一般在 ５％￣２０％ 。 ［４］
第 ４０ 卷第 ８ 期 ２ ０ ０ ７年８月
土木工程学报 ＣＨＩＮＡ ＣＩＶＩＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＪＯＵＲＮＡＬ
Ｖｏｌ ． ４０ Ｎｏ． ８ Ａｕｇ． ２ ０ ０ ７
地下工程抬升注浆设计方法及其抬升效果预测研究
唐智伟 赵成刚 张顶立
（北京交通大学，北京 １０００４４）
摘要：以北京地铁五号线崇文门地铁车站下穿既有线抬升注浆工程为研究对象，结合监测数据与三维有限差方法
土体体积的膨胀将引起地表抬升，其示意图见 图 １。
ΔεＶ＝
ξＶｉｎｊ Ｖ０
（２）
式中：ΔεＶ 为土体体积应变；ξ为注浆补偿率；Ｖｉｎｊ 为
浆液体积；Ｖ０ 为注浆区域土体体积。
如果没有实测 ξ值，可以根据抬升前后的沉降曲
线估算注浆区域土体平均体积应变 ΔεＶ：
ΔεＶ＝
Ｖ１－ Ｖ２ Ｖ０
（３）
式中：Ｖ１、Ｖ２ 分别为注浆前后沉降槽的体积。
图 ５ 柱洞法施工步序 Ｆｉｇ． ５ Ｓｔｅｐｓ ｏｆ“ｈｅａｄｉｎｇ－ｃｏｌｕｍｎ”ｍｅｔｈｏｄ
４ 崇文门地铁车站数值模拟及沉降特征分析
崇文门地铁车站的三维模型如图 ６：隧道横向两边 各取了 ５０ ｍ，向下取了 ５０ ｍ，向上取至地表，隧道纵 向长度取了 ５６ ｍ，其中实际开挖长度取了 ３６ ｍ，为了节 省计算时间，开挖步长设为 ２ ｍ （现场施工为 ０．５ ｍ）［６－７］。 模型中的地层参数和地层划分见表 １。模型两端采用 水平约束，底部采用竖直约束，共划分 ６８９４４ 个单 元，７４６７８ 个节点。土体本构模型采用 Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ
２ 抬升注浆的数值模拟
本文采用有限差分程序 ＦＬＡＣ３Ｄ［５］在单元上施加 各向同性的膨胀压力使单元体积膨胀来模拟注浆的抬 升过程 （见图 ２）。
图 ３ 模拟注浆流程图 Ｆｉｇ． ３ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒ ｔ ｏｆ ｍｏｄｅｌｉｎｇ
３ 北京地铁五号线崇文门地铁车站工程概况
图 ２ 单元上施加膨胀压力示意图 Ｆｉｇ． ２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｐｒ ｅｓｓｕｒ ｅ ｉｎ ｔｈｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
Ｔａｎｇ Ｚｈｉｗｅｉ Ｚｈａｏ Ｃｈｅｎｇｇａｎｇ Ｚｈａｎｇ Ｄｉｎｇｌｉ （ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４４， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｗａｓ ｔｏ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｌｙ ｒａｉｓｅ ａｎ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｂｙ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｏｎｇｗｅｎｍｅｎ ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｍｅｔｒｏ Ｌｉｎｅ ５． Ｉｎ ｓｉｔｕ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔａ ａｎｄ ３－Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｅｒｅ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ． Ｉｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ， ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｈｅａｖｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ． Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔａ， ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ， ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｆｏｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ－ｐｒｏｏｆ ｃｕｒｔａｉｎ ｗａｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎ ｌｉｍｉｔｉｎｇ ｌａｔｅｒａｌ ｓｏｉｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｉｎ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｇｒｏｕｔｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｇｒｏｕｔｉｎｇ； ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ； ｇｒｏｕｔｉｎｇ－ｐｒｏｏｆ ｃｕｒｔａｉｎ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｅ－ｍａｉｌ： ｍｉｃｋｔｚｗ＠ｔｏｍ．ｃｏｍ
如图 ３，在注浆单元上逐步施加一个“虚拟”膨
胀压力直到单元体积应变达到注浆土体体积应变值。
虚拟膨胀压力的大小要适中，过大容易使注浆单
元体积应变瞬间超过土体的体积应变，而影响计算准
确性，过小则会增加计算的时间。
图 １ 注浆抬升地表示意图 Ｆｉｇ． １ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｇｒ ｏｕｎｄ ｈｅａｖｉｎｇ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｇｒ ｏｕｔｉｎｇ
图 ７、图 ８ 分别为抬升注浆前后实测的既有结构 沉降曲线。由于 ＦＬＡＣ３Ｄ 无法模拟管棚施工过程，图 ９￣１１ 沉降值为中洞管棚施工完至侧洞开挖前既有结 构的沉降量。根据对比实测结果与数值分析结果发 现，两者数值接近，总体趋势上一致。由于既有结构 的刚度较大而变形缝的刚度较小，变形缝将沉降曲线 分成若干段直线。２ 号变形缝位于新线上方，实测与 计算结果都反映了新建线的施工对其影响最大。１ 号 变形缝距新线较远，数值计算表明其受施工的扰动较 小，但监测结果表明 １ 号变形缝两侧的差异沉降十分 大，特别是左线，差异沉降达到了 １４ ｍｍ。之所以存 在差异，主要是因为既有结构下方土体为回填土，结 构松弛，抗干扰能力差，同时，中洞大管棚施工对附 近土体的扰动较大。
·８２·
土木工程学报
２００７ 年
（ｋＰａ） （°） （ｍ）
１ 杂填土 １．６５
８
０．３５
５
２５
０．７
２ 粉土填土 １．９６ ９．８ ０．３５ １０
２４
４．３
３ 粉土 １．９９ １５．１ ０．３ ２４．１ ３０．７ ４．６
４ 粉细砂 ２．００ １９ ０．２７ ０．１
２５
３．３
５ 中粗砂 ２．０５ ３５来自百度文库０．２５ ０．１
４０
７．５
６ 卵石圆砾 ２．１
·８０·
土木工程学报
２００７ 年
出了止浆墙能有效限制土体侧向膨胀，提高抬升效果 的结论。
１ 注浆抬升量与注浆量的关系
注浆过程中产生的抬升效应，其能量来源是注浆 泵通过浆液传过来的注浆压力，其宏观效果是土体变 形和浆液置换填充的综合反应，因而从物质的方面来 看，注浆区上部土体的抬升量、注浆量、土体物理性 质的变化之间存在一定的关系［１］。