被钻穿地铁隧道结构修复及地层注浆加固后可靠性研究

被钻穿地铁隧道结构修复及地层注浆加固后可靠性研究

纪英奎

青岛地铁集团有限公司，山东，青岛，266699

摘要：本文针对运营期地铁隧道结构被钻穿事故，结合三维数值模拟法与荷载结构法综合分析隧道结构经历受损→加固这一过程后的可靠性，结果如下：1）地铁隧道混凝土结构在打穿孔周3cm范围内会发生压溃或拉裂破坏；2）地铁隧道上方地层注浆加固施工对隧道结构产生的影响较小，该工况下隧道结构下沉2.31mm，应力未超过混凝土结构设计值；3）裂缝宽度验算值均小于0.2mm，安全系数均大于2.1，表明隧道结构在经历小范围受损→加固后仍有足够的安全性和耐久性储量，在做好防渗处理的前提下能够保证地铁的安全运营。

关键词：数值模拟；隧道加固；可靠度

Abstract：Aiming at the structural engineering accidents of metro tunnel in operation period, this paper combined three-dimensional numerical simulation method and load structure method to comprehensively analyze the reliability of tunnel structure after the process of damage → reinforcement. The results are as follows: 1) The concrete structure of subway tunnel will collapse or crack within 3cm of the perforation perimeter; 2) The grouting construction above the subway tunnel has little influence on the tunnel structure, and the tunnel structure sinks 2.31mm under this condition, and the stress does not exceed the design value of the concrete structure; 3) The verified value of crack width is all less than 0.2mm, and the safety factor is all more than 2.1, indicating that the tunnel structure still has sufficient safety and durability reserves after experiencing small range  damage → reinforcement, under the premise of good anti-seepage treatment, the safe operation of the subway can be guaranteed.

Key words: numerical simulation; Reinforcement of tunnels; reliability

作者简介：纪英奎，男，本科，工程师，主要从事城市轨道交通建设和运营管理，E-mail：wu4107120@163.com 。

1引言

近年来，我国城市轨道交通行业发展快速，运营线路周边工程活动给城市轨道交通带来的有害影响也越来越多。据统计，2021年在我国南宁、深圳、成都、广州等地发生多起打穿运营期地铁隧道结构工程事故[1-4]，造成地铁停运及一系列严重影响。事故发生后，相关工作人员对隧道结构受损处进行相应修复及加固处理措施，但此类隧道结构经历受损→加固后的结构可靠性鲜有研究。基于此目的，本文通过有限元计算方法模拟隧道结构经历受损→加固这一过程，通过加固后隧道结构变形分析以及耐久性、安全性分析，得出经结构修复与地层加固后的地铁隧道结构的可靠性，为此类工程提供参考。

2 工程简介

以某地铁被地勘钻探击穿区域隧道结构为研究对象，被击穿处地面勘察施工钻孔并采用砂石回填，被击穿混凝土结构掉落于隧道内疏散平台处并运出10余袋泥沙。隧道内击穿孔内填塞絮状物封堵，孔周打设膨胀螺丝固定覆盖钢板，并采用“水不漏”封堵漏水，洞内水量较小。

击穿处隧道为矿山法单线单洞区间，隧道宽7.34m，高7.05m，初支厚度250mm，二衬厚度300mm，如图1所示。该处隧道埋深约为7.9m，拱顶位于强风化中亚带地层，拱顶以上约为1.3m厚的填土，1.4m厚的粗砾砂层，5.2m厚的强风化中亚带地层，如图2所示。

图1击穿位置隧道设计图

图

2击穿位置隧道纵断面图

3 建立计算模型

针对隧道击穿、注浆加固两种工况对地铁隧道结构进行计算，并开展结构可靠度分析。三维计算的初始条件隧道结构建设完成并运营，且认为结构完好，结构与地层处于变形稳定状态。在此基础上开始模拟隧道击穿，隧道上部注浆加固。为确保三维计算模型的计算精度并兼顾计算效率，本次计算对模型范围做出了一定的限定。模型尺寸X方向为73m，Y方向为137m，垂直方向Z为22m。三维模型共被划分为2038152个单元，357954个节点，土层和衬砌结构均采用实体单元，如图3所示。

图3三维整体计算模型

根据地质勘查资料，综合考虑隧道所在地层的岩土工程性质，计算模型根据不同的结构及其不同的性质，将地层、地铁等使用不同的本构模型及单元类型，如表1所示。

数值计算模型素填土、粗砾土、强风化中亚带花岗岩、强风化下亚带花岗岩计算物理参数如表2所示。结构计算采用线弹性模型，参数如表3所示。

表1三维模型各构件类型

表2模型计算岩土体参数

表3构件模型计算参数

4 数值模拟分析

根据加固方案，结合模型范围设置施工工况。其具体分区施工如下：

（1）初始地应力平衡、地铁主体结构应力状态平衡；

（2）地铁隧道结构被击穿；

（3）地铁隧道结构上方土体注浆加固；

（4）承载力和耐久性验算。

4.1 岩土及地铁结构初始应力平衡

根据数值计算工况的划分，通过数值软件计算三维模型，得到了施工区地铁主体结构变形计算结果。初始地应力平衡、地铁主体结构应力状态平衡：隧道结构应力分布均匀，最大拉应力0.83MPa，最大压应力2.20MPa，未超过混凝土结构强度设计值。

图4 最大主应力云图

图5 最小主应力云图

4.2 地铁隧道结构被击穿

通过计算该工况，分析计算云图及数据可知：衬砌结构被钻穿后，在二次衬砌钻孔边缘约3cm的小范围内出现应力集中现象，其中最大拉应力5.03MPa，最大压应力45.24MPa，均已超过C45混凝土强度抗拉、抗压设计值，可能会引起孔壁周边3cm范围内的混凝土结构发生压溃或拉裂破坏。

图6 最小主应力云图

图7 最大主应力云图

4.3 地铁隧道结构上方土体注浆加固

通过计算该工况，分析计算云图及数据可知：该工况对地铁结构X方向（水平方向）产生影响，造成的变形量为：X-：-0.4mm；X+：0.3mm。对地铁结构Y方向（水平方向）产生影响，造成的变形量为：Y-：-0.2mm；Y+：0.3mm。对地铁结构Z方向（竖直方向）产生影响，造成的变形量为：Z-：-2.31mm；Z+：0.2mm。

图8 X方向位移云图

图9 Y方向位移云图

图10 Z方向位移云图

注浆加固施工：隧道结构应力分布均匀，最大拉应力0.80MPa，最大压应力2.22MPa，未超过混凝土结构强度设计值。

图11最大主应力云图

图12 最小主应力云图

4.4 安全性及耐久性验算

结构计算模型：

图13 结构所受荷载情况图

判别隧道埋深状态：

——浅埋隧道分界深度；

——荷载等效高度；

——垂直压力；

——围岩重度；

——宽度影响系数；

——隧道开挖跨度（小净距段取相邻两隧道的宽度）；

隧道埋深状态划分如下：

深埋隧道：h≥9.97m；浅埋隧道：9.97m≥h≥3.99m；超浅埋隧道:h≤3.99m。

4.4.1 衬砌断面荷载计算

D型衬砌隧道埋深7.9m，考虑到本区间隧道净距小于一倍洞径，对塌落拱高度有一定影响，故计算围岩压力按全土柱取。

①近期工况（无水）

（1）地层竖向土压力：

（2）拱顶地层侧向压力：

kN/m

（3）拱底地层侧向压力：

kN/m

（4）竖向超载：

kN/m

（5）水平超载：

kN/m

（6）自重：由计算程序自动加载

②远期工况（有水）

（1）地层竖向土压力：

（2）拱顶地层侧向压力：

kN/m

（3）拱底地层侧向压力：

kN/m

（4）拱顶水压力：

kN/m

（5）拱底水压力：

kN/m

（6）竖向超载：

kN/m

（7）水平超载：

kN/m

（8）自重：由计算程序自动加载

③临时工况（注浆压力）

（1）地层竖向土压力：

（2）拱顶地层侧向压力：

kN/m

（3）拱底地层侧向压力：

kN/m

（4）竖向超载：

kN/m

（5）水平超载：

kN/m

（6）注浆压力：

kN/m

（7）自重：由计算程序自动加载

4.4.2衬砌断面验算结果

①耐久性验算

统计无水和有水工况下结构内力计算结果最大值，并验算裂缝宽度，如表4所示。

表4 验算结果

②安全性验算

统计考虑无水和有水工况下结构内力计算结果最大值，并验算结构承载能力，如表5所示。

表5 验算结果

③临时工况（注浆压力）

现场注浆加固施工为单孔注浆，最大注浆压力为3MPa，考虑浆液向岩土体四周传递应力，因此取竖向压力1MPa施加在隧道结构拱顶位置，以此为验算结构在临时工况下的承载能力。

统计考虑注浆压力工况下结构内力计算结果，并验算结构承载能力，如表6所示。

表6 验算结果

5 结论

本文通过Flac3D数值分析软件模拟地铁隧道被击穿后的变形及应力分布规律，并通过荷载结构法验算了加固后隧道结构的安全性和耐久性，得出以下结论：

1）地铁隧道混凝土结构在受到钻孔机钻压破坏过程中，在打穿孔周3cm范围内的混凝土结构发生压溃或拉裂破坏。

2）地铁隧道上方土体注浆加固时，由于增加了土体荷载及注浆压力，使隧道结构在注浆区域产生2.31mm下沉，变形量较小，同时隧道结构应力未超过混凝土结构设计值，表明隧道结构上方土体注浆加固施工时，对隧道结构的产生的影响较小。

3）通过荷载结构法验算结构耐久性和安全性，其中隧道各部位裂缝宽度验算值均小于0.2mm，安全系数均大于2.1，表面隧道结构在经历受损→加固后仍有足够的安全性和耐久性储量，能够保证地铁的安全运营。

参考文献

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