填土围岩隧道注浆加固研究

填土围岩隧道注浆加固研究

发表时间：2018-12-27T15:25:46.523Z 来源：《防护工程》2018年第29期作者：高志文

[导读] 文章以理论推导+数值模拟的方法来确定合理、快速、经济、有效的注浆方式以及注浆参数。

中铁七局集团西安铁路工程有限公司陕西西安 710032

摘要：文章以理论推导+数值模拟的方法来确定合理、快速、经济、有效的注浆方式以及注浆参数。研究表明/依据施工经验及暗挖对地表沉降影响，为防止塌陷沉降，有效控制地层变形，最大限度降低对周边房屋和管线的影响，加强超前注浆是暗挖施工必要的辅助施工手段，且保证注浆效果，改良掌子面及拱部土体自稳性，才能给暗挖施工创造安全施工条件。

关键词：明改暗；隧道；注浆；加固

1 工程概况

新建铁路雷黄段综合Ⅱ标位于长沙市岳麓区西二环外，标段线路大体呈东西走向，全长1978.47 m，起止里程为：DK15+370-DK17+348.47。线路隧道自Ⅰ标望青车站出发，自东向西依次下穿尖山路、金科东方大院、永安村八字墙组，而后穿越尖山出洞进入高新区境内，经过线路路基段到达Ⅲ标高架桥。该新建铁路雷黄段隧道一段"明改暗"段埋深浅，且均为杂填土，自稳性差，暗挖施工自身就存在较大风险，而且隧道上部地表靠近多栋高层建筑，地下管线错综复杂。在浅埋暗挖隧道施工过程中，注浆方案需合理选择，主要有径向注浆、水平帷幕注浆、局部和补充注浆、玻璃纤维锚杆注浆等方案。

2 注浆参数研究

2.1 分析并确定注浆加固圈的厚度

某条新建铁路的雷黄段处于长沙市区该标段的线路整体上属于东西走向，全线长近2千米。线路隧道穿山出洞，然后经过长沙市的高新区境内，并且到达了Ⅲ标的高架桥。而选择径向注浆以及超前预注浆加固的主要范围如下：在超前预注浆方面，其加固范围主要为：B=（2~3）D（1）超前注浆加固圈厚度为：

B1=（B-D）/2 （1）

其中，径向注浆加固圈的厚度则是：

B2=（0.5~1.0）D （2）

式中，D表示为隧道开挖的直径。按照注浆加固圈方面的计算公式以及隧道工程的实际特点等，综合各项元素后，确定这条隧道的注浆加固圈厚度最终是4.5m。

2.2 浆液扩散半径、布孔参数及注浆段长

①注浆孔的终孔间距。注浆排孔在布置时应根据梅花形状来进行，注浆孔布置。注浆孔终孔行距和排距b应满足下式要求： a≤R （3）

b≤3R/2 （4）

式中，a为注浆孔终孔间距，m；b为注浆孔终孔排距，m；R为浆液扩散半径，m。

②注浆段的长度。在注浆段方面，其长度L的取值是：L=30m。③浆液扩散的半径与布孔的手段。在垂直注浆过程中，通过梅花桩来完成布置，其间距是2.5m，而水平帷幕注浆终孔的间距则是2至3米。

2.3 注浆压力

①渗透注浆的压力分析。

P注=P水+（1.0～2.0）MPa （5）

式中，P注为注浆压力；P水为水压力。

②裂隙水注浆压力的依据式

结合这种类型工程的过往经验，其值如下：

P注=P水+P阻+（1.0～2.0）MPa （6）

式中，P水为水压力；P注为注浆压力；P阻为管道阻力。

③挤密、劈裂注浆压力。挤密、劈裂注浆压力主要为：

P注=P水+P阻+（2.0～4.0）Mpa （7）

④湘江隧道雷黄段注浆压力的选择。湘江隧道雷黄段大管棚注浆压力1～3MPa，水平帷幕注浆和垂直注浆为2～5MPa注浆压力，局部和补注浆注浆压力为1～3MPa。

2.4 注浆量和注浆的速度分析

①渗透注浆注浆的注浆量及注浆速度。

Q=πR2Lnα（1+β）（8）

式中，R为浆液扩散半径，m；Q为单孔单段注浆量，m3；n为地层裂隙度或空隙率；L为浆液填充的注浆段长，m；β为浆液损失率，一般取0.1～0.2；α为浆液填充率，一般取0.6～0.8。注浆速度应控制在10～30L/min。②挤密、劈裂注浆的注浆量。单孔单段的注浆量计算公式如下：

Q=（1+β）[πr12Lα+N1B1H1L1+N2B2H2L2+…] （9）

式中，Q表示单孔单段的注浆量，m3；L为注浆段，m；α为浆液填充率，同挤密区的形状相关联，一般取0.9～1.1；r1为挤密半径，m；H1、H2分别表示着一级高度以及二级浆脉的平均高度；N1、N2分别表示一级浆脉以及二级浆脉的条数；L1、L2则表示着一级高度以及二级浆脉的平均长度；B1、B2则代表着一级与二级浆脉平均宽度；β则代表浆液损失率，通常情况下，其取值在0.1～0.2之间。挤密、劈裂注浆的注浆速度前期控制在30～80L/min，后期注控制在10～20L/min，注浆完成时，注浆速度应为零。

3 混凝土止浆墙方案研究

该隧道某段在止浆墙形式跟材料，分别采用平面式混凝土止浆墙和C20混凝土。其止浆墙的厚度计算可根据平板理论来完成： B= （10）

式中，α为安全系数，一般取1～1.5，隧道断面大时安全系数取大值；B为混凝土止浆墙厚度，m；P为作用在墙上的压力，N；P=P1A，P1为注浆终压，MPa；A为止浆墙的面积，m2；W为隧道宽度，m；H为隧道高度，m；[σ]为混凝土允许抗压强度，MPa。取C20模筑混凝土的设计轴心抗压强度fc=9.6MPa为允许抗压强度，即[σ]=9.6MPa，湘江隧道雷黄段断面直径约为12m，计算得出，止浆墙的厚度为1.5m。

4 注浆加固效果的评价

该隧道在某段调整为暗挖施工，隧道埋深浅，管线密集，洞身穿越人工填土层，全风化砂质板岩，可能会发生变形塌方，涌（突）水、泥，渗漏水，以及对环境产生较大影响等风险因素，属于高风险隧道。因此，此段隧道开挖采用机械开挖，施工工艺为CRD法，采用超前大管棚、超前小导管、锚杆、径向注浆进行预支护[1]。本章采用Midas有限元分析软件，建立了超前预注浆加径向注浆、仅采用超前预注浆两种浅埋暗挖模型进行数值模拟分析，研究注浆加固在控制隧道应力、位移及地表沉降方面的作用效应分析范围水平方向取75m，隧道中心左右各取37.5m。为简化计算，竖向方向取25m，纵向方向取50m，围岩与注浆加固区采用摩尔—库伦弹塑性模型，超前管棚采用梁单元来模拟，初支衬砌采用板单元来模拟。边界条件为模型左右前后均施加法向约束，地表为自由[2]。①超前预注浆加径向注浆的模拟。采用超前预注浆加径向注浆支护，CRD法开挖数值模拟分析。CRD法开挖竖向应力及位移结果。整个开挖过程围岩应力基本对称分布，随着开挖进行，隧道掌子面由于卸载形成低应力区，而拱脚和拱顶形成高应力区。隧道开挖过程中，隧道竖向应力最大值为0.82MPa，横向应力最大值在0.64MPa左右。②仅采用超前预注浆的模拟。隧道横向和竖向应力相对隧道轴线基本对称，在拱脚和拱顶形成高应力区，隧道竖向应力最大值为0.747MPa，横向应力最大值在0.528MPa左右。隧道的横向和竖向位移也相对隧道轴线基本对称，隧道水平收敛在拱脚应力集中处变化值较大，竖向沉降在拱顶与仰拱处变化值较大，地表沉降范围在1.5倍洞径左右，开挖过程中，隧道拱顶沉降最大值在21mm，隧道拱脚水平收敛最大值在10mm，隧道顶部地表沉降值为6～16mm左右。

结语

通过研究得到：为防止塌陷沉降，有效控制地层变形，最大限度降低对周边房屋和管线的影响，加强超前注浆是非常必要的，且保证注浆效果，改良掌子面及拱部土体自稳性，才能给暗挖施工创造安全条件。从理论推导+数值模拟的方法来确定合理、快速、经济、有效的注浆方式以及注浆参数。

参考文献：

[1]王璞，李立新，邹金锋. 寒岭界隧道断层破碎带塌方与注浆堵水处治研究[J]. 公路与汽运，2013（04）：227-230.

[2]来弘鹏，康佐，谢永利，高晓培. 地铁区间隧道黄土地层注浆预加固技术研究[J]. 中国铁道科学，2014，35（01）：47-54.