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1、现代隧道技术2 0 0 6 年增刊( 2 5 2 2 5 5 )基于地层结构法的超前注浆效果分析黄斌1 2 汪明元1 3( 1 长江科学院土工研究所，武汉4 3 0 0 1 0 ；2 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉4 3 0 0 1 0 ；3 浙江大学岩土工程研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 )摘要文章结合某城市轨道交通线工程，基于地层结构法通过对围岩变形、结构内力进行超前注浆效果的比较研究。研究结果表明，就本工程而言，有超前注浆加固模型其最大拱顶下沉值约为无加固模型的1 4 ，无注浆加同情况下的最大弯矩约为有注浆加同情况下最大弯矩的1 5 倍。美键词地层结构法超前注浆同济曙光沉降1
2、 引言迄今为止，工程中加固围岩的方法有许多，如注浆小导管注浆及管棚钢拱架，这些方法都已经在钻爆法施工坍方治理，以及超前加固方面得到应用。然而，这些方法基本凭经验施工，至今没有系统的理论研究和分析。超前注浆法是在隧道工程施工中加固围岩、防止渗水、增强稳定、提高安全的行之有效的技术，它具有超前支护、工艺简单、安全可靠、成本低廉的特点。小导管超前注浆加固机理主要是以渗人性注浆，对具有一定孔隙或裂隙受扰动和破坏的围岩，在注浆压力作用下，使水泥浆液渗入到围岩的孔隙和裂隙中，以水泥浆作为胶结物，将破碎围岩进行胶合，形成整体，并提高整体性，使之组成地层白承拱和“承重环”，将破碎围岩转化为有效的稳定带，防止隧
3、道开挖时围岩的松动、剥离和坠落，从而达到加固围岩的目的。本文结合某城市轨道交通线工程，基于地层结构法通过对围岩变形、结构内力进行超前注浆效果的比较研究。2 工程概况某城区附近发育有1 l 条地裂缝，其延伸覆盖面积极广在西安地铁建设过程中不可避免会与这些地裂缝相互交错这样势必会对洞室围岩的稳定产生影响，而在地裂缝区进行地铁建设在国内尚属首次。西安市区内没有基岩出露，第四纪松散土层分布较广。厚度大，与西安市的地铁工程建设右密切关系，从目前地铁工程的利用来看，只限于地面以下数2 5 2 十米深的浅部。地区地下水主要分为潜水、浅层承压水与深层承压水。地裂缝主要分布在渭河二级、三级阶地以及黄土塬区。二级
4、阶地潜水层为晚更新统冲积含水层，总厚度为2 0 3 01 1 ，水位埋深51 0m 。水量比较丰富；三级阶地潜水层为中更新统风积冲积含水层，总厚度为2 0 一5 01 1 1 ，水位埋深1 0 2 0m 。从该地区多年潜水位动态特征图上可以发现城内及近郊基本上属于潜水位稳定区，由此看来，西安地裂缝的出现和活动与西安地区潜水位变化无关。因此，区内潜水对地铁工程建设的影响不大。随着大规模城市改造的展开，在城市中心地带出现了日益增多的并且朝深、大方向发展的基坑工程，由于对建设环境的严格要求，尤其是对邻近古老结构物的保护，采用以变形为主的控制设计方法已成为大势所趋。本文基于同济曙光“o G e o F
5、 B A o 软件，采用地层结构法对超前注浆加固前后的两种工况进行对比，以考察超前加固的效果。3 建立模型及计算3 1 基本假定按二维平面应变问题进行分析，有限元分析中土层材料假设为各向同性材料( 表1 ) 。土层材料的屈服准则选用D r u k e r P m g e r 准则，并均选用相关联流动法则进行计算，假设材料超过抗拉应力即不能承受拉应力。此外，对混凝土衬砌结构材料均假设为弹性体( 表2 ) 。基于地层结构法的超前注浆效果分析表l 土层参数椭，m 篇篇裟繁篱土层1l o 4 1 01 8 2 0 01 9 7 0 03 7 5 0 02 0 9 0 0l O o o o土层2l O
6、，2 1 01 9 1 0 02 0 9 0 02 2 1 0 01 5 9 0 0l O o o o土层39 0 6 01 9 7 0 02 0 6 0 02 1 ，6 0 01 9 3 0 02 0 o o o土层41 1 7 5 02 0 2 0 02 1 6 0 02 2 8 0 01 5 8 0 0l o o o o土层52 98 0 02 0 4 0 02 1 8 0 03 0 4 0 01 8 6 0 0l O o o o衰2 材料参数材料编号材料名 E 弹( 性k N 模m 量：转I 动m 惯 量A 面l t o 积2材料1 5 5 号混凝土3 55 0 00 0 00 0 1
7、 80 6 0 0地层结构法标准断面有限元模型参数图如图1所示。地面超载口= 2 0 k N n z 3jll ：3 l l ： ：层1I 层2铲图1 标准断面有限元模型参数图3 2 有无超前注浆加固比较分析有无超前注浆加固模型见图2 和图3 。图2 超前注浆加固的模型不。图3 来进行超前注浆加固的模型两种计算模型地表沉降位移比较分析如图4 所罢 捌 嚣L 粥 謦b 、1 攀 一一1 、挚l g 矗* w 一1 一七注浆J u 洲模型L 一】一肯 f 浆肌蚓摸理1 f - - “ 弋隧道扣一 二图4 两种模型地表下沉量比较图从图4 可以看出，有无超前注浆加固是非常明显的，有超前注浆加固的地表最
8、大沉降为8 5r m ，无超前注浆加固的地表最大沉降接近6 0m m 。 无超前注浆加固模型其最大拱顶下沉值为1 9 3 6c m ；而有超前注浆加固模型其最大拱顶下沉值为4 8 7c n l ，约为无加固模型的1 4 ( 图5 、图6 ) 。可见有无超前注浆加固对控制盾构隧道拱顶下沉影响非常明显。从图7 、图8 可以看出无注浆加固情况下的最大弯矩约为有注浆加固情况下最大弯矩的2 5 3 遴现代隧道技术2 0 0 6 年增刊_ 拍。”：、j。悸i ：、；h 、 藤墓图5 元超前洼浆加固模型的位移矢量图一图9无超前注浆模型最大剪应力等色图图6 有超前注浆加固模型的位移矢显图1 5 倍。同时，超前
9、注浆加固对控制开挖过程中的最大剪应力、最大主应力都是非常明显的，对控制临图l O 有超前注浆模型最大剪应力等色图开挖面位移以及施工期周围土体的稳定是至关重要的( 图9 1 2 ) 。2 5 4 图8 有超前注浆加固模型弯矩图图1 1 无超前注浆模型最大主应力等色图图1 2 有超前注浆模型最大主应力等色图爨，、一+ 、基于地层结构法的超前注浆效果分析4 结论通过本文分析，可以得到如下结论：( 1 ) 在盾构法施工的过程中，有无超前注浆加固的区别是非常明显的，有超前注浆加固的地表最大沉降远小于无超前注浆加固的地表摄大沉降。( 2 ) 超前注浆加固对隧道衬砌拱顶下沉的控制效果也较明显，通过超前注浆，可以极大地减小拱顶沉降大小。( 3 ) 无注浆加固情况下的最大弯矩约为有注浆加固情况下最大弯矩的1 5 倍。同时，超前注浆加固对控制开挖过程中的最大剪应力、最大主应力的作用都是非常明显的，对控制临开挖面位移，以及施工期周围土体的稳定至关重要。参考文献e 1 刘雪梅，陈奎，邵明成，西安市地裂缝对地铁洞室围岩稳定性影响的研究 J 城市勘测，2 0 0 5 ，( 3 ) ：6 0 6 3【2 同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件G e , o F B A v 3 0 有限元正分析模块用户手册 s 】2 0 0 32 5 5
