基坑施工引起既有隧道变形的主动注浆控制研究

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对于邻近基坑的地铁结构保护问题,现有研究多集中于加强基坑支护体系、优化开挖方案等被动控制措施,此类方法效果有限,缺乏在基坑开挖过程中控制隧道变形的主动性、适时性和可逆性,且会造成基坑造价提高、工期延长。注浆是一种主动控制隧道变形的方法,目前已有研究多基于案例分析,尚未形成系统的控制理论与策略。本文基于现场原位试验、工程案例及数值模拟,对主动注浆恢复基坑引发隧道水平及竖向变形的理论及策略进行了深入研究,主要内容如下:(1)开展了单孔注浆、单排孔逐孔注浆及多排孔逐排注浆引起土体变形的原位试验,揭示了注浆引起土体变形机理及规律。注浆引起的超静孔隙水压力随距离增加而减小的规律可用幂函数表达;由于孔隙水压力消散,注浆后土体变形会部分恢复,即注浆效率小于1。多排孔逐排注浆时,先行注浆区域的土体对后续注浆相同侧及相反侧土体变形分别具有反力效应和遮挡效应。基于圆孔扩张理论和上下限思想,提出了考虑反力效应和遮挡效应时多排孔注浆引起土体水平位移理论解,解决了已有理论解计算多排孔注浆引起两侧土体变形结果一致的问题。(2)开展了注浆主动控制隧道变形的原位试验、工程应用及数值模拟,提出了采用主动注浆取代全部或部分被动控制措施的方案,实现隧道变形的适时和有效控制。单孔注浆引起的隧道水平变形可用高斯曲线表达,与注浆孔较近的隧道环所对应的注浆效率较高。随着注浆距离增加,土体变形及注浆效率衰减迅速,大方量注浆、局部孔位连续注浆均易引发隧道局部挠曲变形过大。为均匀高效地恢复隧道变形,提出了“近距离、多孔位、小方量、(同排内)间隔注浆,(多排孔)由远及近”的注浆原则。(3)综合考虑主动注浆控制基坑引发隧道变形时隧道水平和竖向刚体位移恢复率、椭圆度恢复率、基坑受力变形增长率等,提出了注浆效果综合评价体系。基于注浆恢复隧道变形的工程案例,开展了注浆控制隧道变形有限元模拟研究。结果表明,为增大隧道椭圆度恢复率,隧道处于隆起区和过渡区时,竖向注浆体中心点应高于隧道水平中心线;处于沉降区时,应与隧道中心平齐。隧道处于沉降区时,提出在隧道侧下方倾斜注浆(或隧道下多点注浆)结合竖向注浆的方案同时控制隧道水平变形和沉降。倾斜注浆时,浆液需注入橡胶袋中。隧道处于隆起区时,采用竖向注浆结合隧道远基坑侧侧下方卸荷孔的方案可同时控制隧道水平变形和隆起。为减小注浆对基坑支护体系的不利影响,提出联合使用注浆和隔离墙的控制方法。隔离墙对注浆具有反力效应和遮挡效应,在增大隧道变形控制效果的同时可减小对基坑的不利影响。隔离墙与注浆位置越近,控制效果越好。
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