隧道下穿工程中水平旋喷桩加固施工顺序研究

隧道下穿工程中水平旋喷桩加固施工顺序研究

郏冬

中铁华铁工程设计集团有限公司 北京 100071

摘要：水平旋喷桩固结过程中存在析水消散，在隧道下穿工程中，水平旋喷桩施工会引起地基不均匀沉降。本文采用数值模拟方法，计算了隧道下穿工程中水平旋喷桩不同加固施工顺序下的地表沉降曲线，分析了加固顺序对地表沉降的影响规律，提出了拱棚加固施工中的最优顺序，该施工顺序下地表沉降曲线均匀演化，提高地表建筑物的安全性，对类似工程的设计具有很好的指导意义。

关键词：水平旋喷桩；加固顺序；隧道下穿；析水消散

Study on the constructing sequence of horizontal jet grouting reinforcement in tunnel undercrossing engineering.

Jia Dong

CHINA RAILWAY HUATIE ENGINEERING DESIGN GROUP Co.,Ltd. Beijing 100071

Abstract: Water dissipation exists in the consolidation processes of horizontal jet grouting pillars. In the case of tunnel undercrossing engineering, such phenomenon will induce uneven settlement of the foundation. The present paper calculated the settlement curves due to horizontal jet grouting reinforcement in tunnel undercrossing project, analyzed the evolution of ground settlement under various constructing sequence, and put forward the optimal sequence of arc reinforcement construction, which reduce the uneven settlement significantly, thereby improving the stability of ground buildings. The outcomes of this paper have good significance in guiding the design work of similar projects.

Keywords: Horizontal jet grouting pillars, constructing sequence, undercrossing tunnel, water dissipation

1. 前言

随着城市地铁的发展，隧道近接下穿既有建筑物的工程越来越多。对于盾构隧道下穿如铁路线路^[1-4]、公路^[5,6]、密集建筑^[7-9]和桥梁^[10-12]等工程，由于盾构施工扰动地层而必然产生沉降，上方建筑物的安全性受到威胁。因此，对于类似工程在隧道施工前必须要进行地层超前加固。

水平旋喷桩加固技术具有对地层扰动小、连续施工和加固结构易成型等优点，目前在隧道下穿工程中得到了广泛的应用^[13,14]。然而，由于注浆浆液在结石过程中存在析水的现象，地层中水压消散后不可避免的会产生一定的沉降变形^[15,16]。已有研究表明，水平旋喷桩加固施工顺序是沉降变形均匀性的重要影响因素^[17]。因此，在地层加固施工设计时，水平旋喷桩加固施工顺序是设计工作的重要内容之一。

目前，大量学者研究了水平旋喷桩加固施工中的浆液配比、注浆参数和效果等^[18-22]，而专门针对注浆加固施工顺序的研究较少。由于水平旋喷桩是通过多根加固体拼接而形成加固结构，在加固过程中，不同区域固结析水会导致不均匀性沉降。不均匀沉降是建筑基础事故中的重要风险因素^[23,24]。因此，非常有必要研究水平旋喷桩加固施工顺序对地基沉降的影响规律，进而提出合理的加固施工过程。

本文针对隧道下穿施工过程中，采用数值模拟方法，对水平旋喷桩进行典型的拱棚与筏板组合加固结构的施工过程进行分析，设计不同加固顺序，充分考虑浆液结实率和地层损失对对沉降的影响，分析不同加固顺序对地基沉降的影响规律，提出优化的加固顺序方案，对类似工程设计提供指导。

2. 筏板-拱棚加固结构数值模型

在假设桩体完全有效前提下，充分考虑MJS水平旋喷桩注浆施工过程中产生的地层损失和注浆后结石率等问题对地层变形的影响，对不同注浆加固顺序下的地表沉降过程进行了研究。采用OpenGeoSys数值模拟软件，该软件为开源软件，可对计算程序进行模型嵌入。数值计算研究中建立的二维有限元模型及尺寸如图1所示。其中隧道直接为6m，单个隧道加固区由最上层的筏板、最下层拱棚和中间结合区组成。该结构考虑下穿拱结构对隧道开挖区域的支护，以及上层筏板结构对拱棚施工时保持均匀性沉降的需要，中间结合区考虑筏板与拱棚粘结，防止地层水平错动。

图1 MJS水平旋喷桩加固顺序数值计算模型

数值计算中地层模型的力学参数为：弹性模量18MPa，泊松比为0.3。数值计算中考虑了注浆过程中相对于桩体体积的结石率为99.7%，数值程序中，采用了加固材料体积收缩模型。桩体弹性模量在注浆完成后随时间的变化曲线如图2所示，在OpenGeoSys软件中，设定弹性模量为随时间的变化曲线。

图2 弹性模量和泊松比随时间变化曲线

依据工程中常用的注浆加固回抽速度为15min/m，则加固速度为4m/h。数值计算中计算时间步长设定为1h。设定加固长度为40m，则数值计算中每加固一根旋喷桩需要10h，依次计算后续桩体加固过程。数值计算过程中在模型左右两侧施加水平位移边界，在模型底边施加水平和垂直位移固定边界。

3. 加固顺序设计

考虑到加固施工过程中沉降对建筑物安全的影响。对于双线隧道上方地层加固，较大沉降槽宽度有利于建筑物的稳定性。因此，建议左右隧道上方地层同时进行加固。由于设计了三层加固层。因此，通过数值模拟研究三层加固的顺序，具体计算的加固顺序如图3所示。

图3 水平旋喷桩加固顺序示意图

在进行加固顺序研究前，由于第三层是拱棚形状，因此，需要先研究第三层加固顺序。重点研究拱棚加固过程中的地表沉降过程。分析其对上覆地层变形的影响规律。数值计算了第三层加固过程中，从左至右和从下至上逐层加固两种方式。数值计算得到的地表沉降结果如图4所示。

(a)

(b)

图4 第三层加固(a)从左至右和(b)从下至上加固沉降历程图

可见，第三层加固过程中，从左至右和从下至上加固最终的最大沉降值和沉降槽时一致的。而从左至右加固过程中的沉降槽宽度明显小于从下至上的加固方式，即从下至上加固产生的路基沉降倾斜度较小，因此，对于第三层管棚加固层，建议采用从下至上逐层加固的顺序。

4. 不同加固顺序过程中沉降分析

数值计算了四种不同加固顺序，各层加固完成后的地表沉降曲线如图6所示。综合比较图5(a)-图5(d)可知：

1)第三层加固引起的地表沉降值相对较大；

2)首先加固第一层后(图5(a)和图5(b))，加固施工最终的地表沉降值比首先加固第三层（图5(c)和图5(d)）引起的地表沉降值小。表明第一次加固后，由于提高了地层抗变形能力，在加固第三层时上层地层能够有效控制地层变形。因此，建议首先加固第一层。

(a)

(b)

(c)

(d)

图5 不同加固顺序过程中地表沉降曲线图(a)-(d)分别对应加固顺序1-4

加固顺序1和加固顺序2最终的地表沉降曲线一致，为了防止加固第二层对第一层硬化固结的影响，建议在加固第一层后加固第三层，以减少注浆过程对第一层硬化固结的影响。然而，图5图5均表明，拱棚加固会造成较大的沉降，如果连续加固拱棚结构，会引起持续性的地表沉降，这对于地表建筑的稳定性是不利的，因此，基于上述从下至上加固和先加固第一层的方法，还需要对加固顺序进行优化，考虑加固结构是由多根旋喷桩拼接而成，在单根状体加固引起沉降量一致的情况下，可以考虑分层跳桩加固，减少同层中桩体注浆对邻近桩体硬化固结的影响，同时在整体沉降范围内，循序渐进的保障地层均匀性沉降。

5. 跳桩跳层加固分析

根据上一章中不同层加固引起的地表沉降特点，设计先加固左线第一层，在加固左线第三层时跳层加固右线第一层，在加固左线第二层时跳层加固右线第三层，最后加固右线第二层。此外，单侧一层加固时也进行跳桩加固。具体跳桩跳层施工顺序如图6所示。数值计算得到的跳桩跳层加固地表沉降曲线如图7所示。

图6 跳桩跳层施工顺序示意图

图7 跳桩跳层加固地表沉降曲线

对比图5和图7知，图5中，在加固第三层时，地表沉降值增幅较大，而跳桩跳层加固过程中，通过将第三层加固分为3排，左右线交错进行加固，如图7所示，整个加固过程中地表沉降增幅水平较为匀速。因此，相对于加固顺序1和加固顺序2，跳桩跳层加固顺序能够有效防止加固第三层时产生的大幅度沉降情况，有利于上层建筑的稳定性。

综上所述，在采用MJS水平旋喷桩对地层进行加固时，应首先加固第一层(最上层)，随后加固第三层(拱棚层)，最后加固第二层(中间层)，左右线地层加固采用跳桩跳层式加固顺序。

6. 结论

采用数值模拟方法，针对隧道下穿工程中典型的筏板-拱棚加固结构，在水平旋喷桩施工过程加固顺序对地表沉降的过程进行了计算，分析了加固顺序对地表沉降的影响规律，得到了如下结论：(1)由于浆液结石析水，且拱棚桩体桩数多，加固拱棚会造成较大的地表沉降，对于拱棚加固，宜采用先下后上的顺序；（2）对于筏板-拱棚组合加固结构，宜先加固筏板，再加固拱棚，使筏板结构对拱棚加固发挥保护性作用；(3)建议采用跳桩跳层式加固，即同层加固时跳桩加固，不同层加固时先加固筏板结构，后加固拱棚结构，最后加固中间层。

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