（岩土工程专业论文）水平旋喷注浆预支护技术作用机理与效果研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着我国交通事业的发展，公路、铁路隧道，特别是城市地下工程日益增多。 在城市地下工程中，一般埋设深度较浅、地层条件较差，暗挖施工对地层的扰动 大，引起较大的地表沉降：当隧道邻近或穿越地面重要建筑物、地中构筑物或地下 管线时，所允许施工引起的地表沉降极小，这种矛盾一直是地下工程界面对的难 题。 论文在大量前人研究成果的基础上，从水平旋喷注浆加固机理、固结体基本 物理力学性质入手，运用理论分析研究、数值模拟预测和工程现场变形量测等多 种研究方法，对水平旋喷注浆预支护技术的作用机理与作用效果进行了较为深入 的研究，主要内容包括： 1 ) 对水平旋喷注浆加固前后两种不同情况下，土体、隧道支护以及水平旋喷 注浆预支护三种不同特性结构的应力传递扩散路径进行定量对比研究，从理论上 得到水平旋喷注浆预支护的作用效果和工程效应。 2 ) 结合室内试验和现场实验得到的水平旋喷注浆固结体基本物理力学性质 指标，依据加固机理理论研究的成果简化出水平旋喷注浆预支护变形机理的计算 模型，利用现代科学计算软件进行数值模拟，从而对隧道预支护的变形控制和变 形预测做出定量的分析。 3 ) 紧紧围绕实际工程，将室内试验、现场实验、理论研究、数值模拟所得到 的成果应用于实际工程中，不断修改完善，最终建立一套适合水平旋喷注浆技术 特性的设计计算理论。 以上研究基本阐明了城市浅埋暗挖隧道工程中，采用水平旋喷注浆加固预支 护技术所面临的主要技术问题，对该技术进一步的研究和推广应用具有参考价值。 关键词：水平旋喷注浆；作用机理；力学模型；三维有限元；沉降控制 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t r a f f i ce n g i n e e r i n g , m o r ea n dm o r eh i g h - w a ya n dr a i l w a y t u n n e l s ，e s p e c i a l l y , u r b a nu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ，a b u i r c o m m o n l yu r b a nu n d e r g r o u n dp r o j e c t sa r eo fs h a l l o wd e p t ha n d t h es t r a t u mc o n d i t i o nl o c a t e di sv e r yb a d n l e a p p l i c a t i o no f t u n n e l i n gm e t h o dw i l lh a v eag r e a ti n f l u e n c eo nt h es t r a t u m , w h i c hw o u l d r e s u l ti ng r e a tg r o u n ds u b s i d e n c e f o rt u n n e l sb e i n gc l o s et oo ri n t e r s e c t i n gw i t h i m p o r t a n tg r o u n ds t n l c t i l r e s ，u n d e r g r o u n do b j e c t so ru n d e r g r o u n dp i p e s ，t h ea l l o w e d g r o u n ds u b s i d e n c ed u r i n gc o n s t r u c t i o ni sv e r yl i m i t e d t 1 l i s c o n t r a d i c t i o np o s e sa d i f f i c u l ts u b j e c tt ot h ef i e l do f t h eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n ga ta l lt i m e s b a s e do nt h ep r e d e c e s s o r s r e s u l t so fb a r r e lv a u l tm e c h a n i s m ，t h i sp a p e rs t a r t sw i t h t h em e c h a n i s ma n dt h em e c h a n i c sp r o p e r t yo ft h ec o n c r e t i o nb o d y ，a n dd o e ss o m e r e s e a r c h0 1 1t h ei m p a c ta n dp r i n c i p l e so f t h eh o r i z o n t a lw h 州i l l gj e tg r o u t i n g c o n t e n t s o f t h i sp a p 盱越a sf o l l o w s ： l 、s o i l 、s h o r i n go f t h et u n n e la n dt h ec o n c r e t i o nb o d yo f t h eh o r i z o n t a lw h i r l i n g j e tg r o u t i n gh a v ed i f f e r e n ts t r e s si m p r e s sp a t h 。n 圮t h e o r e t i c a lc o n c l u s i o nh a sb e e n o b t a i n e d 2 、b a s e do nt h em e c h a n i c sp r o p e r t yo ft h ec o n c r e t i o nb o d yo b t a i n e df l o r at h e r o o ma n dt h e a t e rf f t 泣m i n a t i o n s , t h ec a l c u l a t em o d e lh a sb e e np r e d i g e s t e da n dt h e3 d 聊b mh a sb e e nu s e dt os i m u l a t et h ed i s t o r t i o n ，3 、1 f 1 地f r u i t 础ef r o mt h er o o ma n dt h e a t e re x a m i n a t i o n s 、3 df e ms i m u l a t i o n a n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c hs h o u l db ea p p l i e di n t op r a c t i c a le n g i n e e r i n ga n dg e tt h ed e s i g n m e t h o do f t h eh o r i z o n t a lw h i r l m gj e tg r o u t i n g a b o v ea l l , l h i sr e s e a r c hh a sr e f e r e n c ev a l u et ot h eh o r i z o n t a lw h i r l i n gj e t g r o u t i n g sf u r t h e ra p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：h o r i z o n t a lw h i r l i n gj e tg r o u t i n g ；m e c h a n i s mo f a p p l i c a t i o n ：l o a d i n g m o d e l ；3 df e m ：s e t t l e m e n tc o n t r o l c l a s s n o ： 致谢 论文工作是在导师崔江余教授的悉心指导下完成的。崔江余老师严谨的治学 态度和高尚的敬业精神无时无刻不影响着我的学习和生活。非常感谢崔江余老师 给我提供了很多的工程实践机会和指导。两年半的硕士生涯，在崔江余老师的指 导和教诲下，我不但在学术水平上有了很大提高，而且也积累了一定的工程实践 经验。 两年半的求学期间，还得到了彭华老师、刘建坤老师的帮助，对我的论文提 出了很多宝贵的意见，在此衷心地感谢他们! 感谢我的同学王伟锋、段启伟、冯德飞和魏英华给予我的帮助。 感谢李永刚师兄、唐亮师弟给予的帮助。感谢实验室其他同学给予我的支持 和帮助。 送一份特别的感谢给我的家人。二十多年来在父母的支持和无微不至的关怀 下，自己才得以顺利地完成学业。在此向他们表示深深的感谢! 最后，我要感谢评阅论文和出席学位论文答辩的各位专家、教授，感谢你们 在百忙之中给予的指导! 1 绪论 1 1 问题的提出 1 绪论 近年来，世界范围内的城市化水平一直呈现出不断上升的趋势，即城市数目 和规模都不断增加和扩大。改革开放以来，随着中国经济的高速发展，中国的城 市化进程也己大大加快，至i 1 9 9 7 年底，中国城市总数已达6 6 6 个，其中超大、特大 和大城市有7 5 个，预计到2 1 世纪中期，我国的城市将增加到1 0 0 0 多个，城市化水 平将达到5 0 以上。随着城市化的高速发展，也带来了一系列的城市环境问题，形 成了所谓的“城市综合症”。主要表现为城市人口超饱和、建筑空间拥挤、城市 绿化面积减少、交通阻塞。我国上海和北京城区位于世界人口高密度城市之首， 按国际标准，处于超饱和状态。据1 9 9 0 年统计，我国城市人均绿地面积只有3 9 m 。 距国家制定的人均l o m 2 的卫生标准和联合国建议的人均4 0 r e 的城市绿地标准相差 甚远。交通阻塞也己成为我国许多城市普遍的突出问题，如北京市于道平均车速 已比1 0 年前降低5 0 以上，而且时速正以每年递减2 k m h 的速度继续下降，据统计， 市区1 8 3 个路口中，严重阻塞的达6 0 秒。级观当今世界，发达国家已把对城市地下 空间的开发利用作为解决城市人口、资源、环境三大危机的重要措施和医治“城 市综合症”、实施城市可持续发展的重要途径。城市地下空间作为新型国土资源 受到世界发达国家的越来越多的重视。自1 9 9 7 年以来，已召开多次以地下空间为 主题的国际会议，通过了不少呼吁开发利用地下空间的决议、文件和宣言。在工 程实践方面，瑞典、挪威、加拿大、日本、美国、法国和芬兰等国在城市地下空 间利用领域已达到相当规模和水平。城市地下空间的开发利用，已成为世界性发 展趋势，并以此作为衡量城市现代化的重要标志。向地下要土地、要空间已成为 城市发展的历史必然。实践表明，它是提高土地利用率与节省土地资源，缓解中 心城市密度、人车立体分流、疏导交通、扩充基础设施容量、增加城市绿地、保 持城市历史文化景观、减少环境污染、改善城市生态的最有效途径因此国际上不 少学者提出“2 1 世纪是地下空间开发利用的世纪”，并预测2 1 世纪末将有三分之 一的世界人口生活在地下空间是并不夸张的。 城市向三维空间发展，即实行立体化的再开发，是城市中心区改造的唯一现 实的途径。发达国家的大城市中心区如纽约、巴黎等都曾经出现过由于向上部畸 形发展而后呈现“逆城市化”的教训。“逆城市化”表明，以高层建筑和高架道 路为标志的城市向上部发展模式不是扩展城市空间的最合理模式。在对城市中心 区进行改造更新与再开发的实践过程中，形成了地面空间、地下空间与上部空间 锛调发展的城市空问构成新概念即城市的立体再开发。在丑本、北美和欧洲的一 北惠空通太堂强恐立 些大城市，自6 0 一7 0 年代以来都进行了立体化再开发。地下空间的充分利用是城市 立体化开发的主要组成部分。立体化再开发的结果，扩大了空间容量，提高了城 市集约度，消除了人车混杂现象，交通顺畅、商业更加繁荣，增加了地面绿化， 地面上环境优美宽敞，购物与休息、娱乐相互交融。这样的成功经验值得我们在 城市建设中借鉴与运用。发达国家解决城市“交通难”的主要措施是发展高效率 的地下有轨公共交通，形成四通八达的地下交通网。根据预测和分析，我国特大 城市的主要干道在2 1 世纪初将达到巨大的高峰单向断面客流量，靠一般的公共电、 汽车是不能解决的，只能选用高流量的有轨交通系统方案才行。高架道路对城市 景观、噪声和震动的影响将是很难接受的，高架线的建设往往使沿线地价贬值， 而地铁沿线的地价很快增值。因此，地铁的建设将是我国2 l 世纪城市地下空间开 发的重点。除己开通北京、上海、天津、广州的地铁外，正在兴建的有北京地铁、 上海地铁、广州地铁、深圳地铁、南京地铁等，此外已经国家批准和正在筹建地 铁的城市有成都、杭州、青岛等2 0 多座，预计2 1 世纪初至中叶将是我国大规模建 设地铁的年代。 城市地铁暗挖隧道工程是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，隧道的开 挖施工将不可避免地扰动地下岩土体，破坏了原有的平衡状态，而向新的平衡状 态转化。地下岩土体的开挖会引起地表沉降和变形，地表沉降到一定的程度，将 影响地面建筑物的安全和地下管线的正常使用。而地铁线路一般都会穿过人口密 集、地面建筑物林立、地下管网密布的市中心繁华地段，该区段对施工产生的地 表位移和变形的要求都很高，施工方法的选择如稍有失误，将会造成不可估量的 损失。因此隧道开挖施工时，要与保护城市中有历史意义和经济、社会意义的设 施协调起来。隧道开挖施工引起的地表移动和变形，尤其是在地面建筑设施密集、 地下管网密布的城市中心地带进行隧道开挖施工，一直是人们十分关心的课题。 地下开挖必然会引起地表的沉降和变形，尽管此类变形有时十分微小，所造成的 危害也不大，然而要完全制止变形是很困难的。因而只能根据她表保护的要求， 采取有效措施来减小变形，使得地表房屋、道路、管线等建( 构) 筑物不至受到损 害，生态环境不至恶化。随着城市地铁隧道工程在我国的蓬勃发展和大量持续的 修建，为了保证隧道工程的进行以及周围( 建) 构筑物的安全，深入开展隧道工程 施工力学研究，提出较为可靠的由隧道开挖引起的地表移动及变形的预计与控制 方法就显得十分必要和重要。 随着我国现代化建设事业的发展，基础建设规模越来越大，建筑地域日益广 阔，经常要在软弱地层中修建铁路、公路隧道及城市地下铁道等工程。另一方面， 现代城市的地下工程建设对既有建筑物、管线和道路的安全性影响越来越引起大 家的重视，地面沉降变形和既有建筑物、管线和道路的安全已作为现代隧道设计 2 i 绪论 最重要的考虑因素和控制指标。在这种情况下修建隧道，就必须先对工作面前方 沿隧道轮廓线进行预加固，然后再开挖，以保证施工安全。预加固的方法已有很 多，如静压注浆、工作面小导管注浆、钢管棚预支护、预切槽等。它们各有优缺 点。当土层颗粒较细时，采用静压注浆和工作面小导管注浆加固效果难以保证且 超前加固范围较小，而钢管棚预支护耗钢量大，且往往会使软土从管间滑落，导 致坍塌，在富水地区还会从管问缝隙漏水。预切槽拱厚均匀，但长度有限，在富 水软土地层槽孔不易保持。而水平旋喷注浆预加固技术由于桩间相互搭接，成拱 效果好，既有一定强度又能防止渗漏，其加固范围和加固效果可很好的人为控制， 具有良好的工程应用前景。 水平旋喷注浆预加固技术是旋喷注浆加固技术的一种。旋喷注浆法 ( j e t g r o u t i n g ) ，又称“旋喷法”，是7 0 年代初期日本开发的一种新型地层加固技 术。我国在7 0 年代中期开始试验和应用竖直旋喷技术，经过多年的研究和工程实 践，我国竖直旋喷注浆技术己比较成熟。它是利用工程钻机，将旋喷注浆管置于 预计的地层加固深度，在钻杆旋转退出时，将配制好的浆液，用一定的压力，从 喷嘴中喷出，冲入地层，把土和浆液搅拌成混合体，随后凝聚固结，形成一种新 的有一定强度的水泥土，它具有加固体高强度、加固质量均匀、加固体形状可以 控制的特点，已经成为国内工程界普遍接受的、多用的、高效的地层加固方法， 并显示出良好的优越性。某些工程条件下，进行竖直钻孔不可能或不适宜，但又 需要用高压旋喷注浆的良好特性，人们自然想到用水平钻孔或倾斜钻孔的方式， 水平旋喷注浆技术便应运而生。 水平旋喷注浆，就是在土层中水平( 亦可作小角度的俯、仰和外斜) 钻进成孔， 注浆管呈水平状，喷嘴由里向外移动进行旋喷、注浆。它适用于砂类土、粘性土、 黄土、人工填土等地层。日本和意大利是研究开发水平旋喷注浆加固技术较早的 国家，意大利r o d i o 公司于1 9 8 3 年首次将水平旋喷注浆技术用于隧道预支护，并 逐渐把水平旋喷注浆列为加固和保护隧道围岩的基本方法之一。日本在单管旋喷 的基础上相继开发出c c p h ( c h e m i c a lc h u r n i n gp i l eo rp a t t e r n h o r i z o n t a l i t y ) 工法、 1 l l f p ( r o d i nj e tf l o wp i l e ) i 法、m j s 工法等。我国铁道科学研究院于1 9 8 7 年在内 蒙古乌兰浩特附近轻亚粘土层进行了首次水平旋喷试验，各施工单位、高校、研 究院也开始了这方面的研究，并将水平旋喷注浆技术应用于各种工程建设中，例 如1 9 9 8 年神延线杀哈拉茆隧道洞口风积沙地层预支护工程、1 9 9 9 年宋家坪隧道洞 内浅埋偏压段预支护工程、2 0 0 1 年北京长安街热力隧道复线预支护工程、2 0 0 5 年 北京北三环热力隧道下穿光熙门车站预支护工程等。 国内外众多隧道工程实例已经证明，在软弱地层中应用水平旋喷注浆加固技术 能够很好的加固地层，且具有施工时无公害、操作简单安全、材料价格低廉等特 北豆空通盘堂西土捡立 点。同时也可以把水平旋喷产生的固结体，当作地下工程结构的一部分，加强结 构物的刚度和防水性能，防止隧道坍塌，有效控制地面沉降，保证临近既有建筑 物的安全使用，对隧道的顺利施工起到良好的作用，这一技术值得引用和推广。 水平旋喷注浆加固技术同其它岩土工程领域的新技术一样，有着“先实践，后 理论”的特点，大量的工程应用而没有系统的理论研究作指导，这不仅使得工程 设计和建设主要以经验为主，造成大量的浪费和工程隐患，也严重的阻碍了这一 高新技术进一步的发展和推广应用。因此，该文试图对水平旋喷注浆加固的机理 进行深入细致的研究，以便迸一步改进施工工艺，提高旌工质量，降低建设成本， 科学规范水平旋喷注浆加固的设计及施工，为社会主义现代化建设服务。 1 2 问题研究的现状 竖直旋喷注浆技术己成功地用于多种地层条件( 如粘土、砂土、淤泥、砂夹卵 石、黄土、腐植土、泥炭土等) 下的加固及防渗止水，并显示其优越性。某些条件 下，进行竖直钻孔不可能或不适宜，但又需要用高压喷射注浆，人们自然想到用 水平或倾斜钻孔方式。日本和意大利是研究开发水平旋喷技术较早的国家，意大 利r o d i o 公司于1 9 8 3 年首次将水平旋喷技术用于隧道超前加固。美国8 0 年代开始使 用此项技术，1 9 8 7 年此项技术首次在南美应用。水平钻孔旋喷注浆的应用和隧道 旌工技术的发展有密切联系。在覆盖较薄的松软地层中修建地下结构面临着地层 不稳定，较易引起坍塌和地面沉陷等严重问题。高压喷射注浆的开发成功，使工 程技术界想到利用它来提高隧道围岩的稳定性。从地面竖直钻孔在隧道周边进行 旋喷存在钻孔深度过大，钻孔精度及各同结体之间搭接不易保证等缺点。另外， 受固结体之间的粘结强度及抗剪强度控制，加固范围比较大。据此，人们自然想 到用水平钻孔实现旋喷注浆。 。 高压喷射注浆( h i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n g ) 技术是6 0 年代后期起源于日本日产 冻结有限公司的一种加固松软土体的应用技术，是化学注浆急速结合高压射流切 割技术发展起来的。其实质是采用钻机先钻进至预定深度后，由钻杆一端安装的 特别喷嘴，把水泥浆液高压喷出，以喷射流切割搅动土体。同时，钻杆边旋转边 提升，使土粒与水泥浆混合凝固，从而造成一个均匀的圆柱状水泥- 土固结体，以 达到加固地基和止水防渗的目的。 1 2 1 日本的水平旋喷工法的研究和发展现状 1 c c p - h ( c h e m i c a lc h u r n i n gp i l e0 1 7pa t t e r n - l l o r i z o n t a l i t y ) 工法 这是8 0 年代初日本在单管旋喷的基础上开发的专用于水平钻孔旋喷的施工 方法。它是在注浆管的下端位置设置一个特殊的扩径钻头、以加强对土体的破坏。 4 l 绪论 此扩径钻头在钻进时缩于钻杆的凹槽内，钻杆后退开始旋喷时，靠引力自动打开， 在旋喷前先搅动土层以确保并扩大水平旋喷柱体的直径。为了加速浆液和土粒的 固结，在浆液中加适量的速凝剂和硬化剂。日本国铁用此方法进行过试验和施工， 先沿坑道周边用旋喷形成水平加固棚体，在此加固棚体的保护下进行坑道开挖。 2 r j f p ( r o d i nj e tf l o wp i l e ) 工法 r j f p 工法是日本隧道软弱围岩加固中普遍采用的旋喷加固方法。至1 9 9 5 年6 月 利用该方法加固隧道至少有几十座。它一般只加固隧道拱顶部分，使旋喷柱体相 互搭接形成棚体，钻孔长1 3 m ，旋喷长度达1 l m ，每段拱棚搭接l m ，在其保护下继 续开挖。该方法旋喷压力一般在4 0 - 5 0 m p a ，形成的旋喷柱体直径一般在6 0 7 0 c m ， 旋喷固结的单轴抗压强度在3 5 8 m p a 之间。该加固方法还有专门的废浆液重利用 设备，可以对从孔内漏出的浆液重新利用。 3 m j s 工法 m j s i 法是“全方位高压喷射技术”的简称。此法最大特点是具有排泥机构。 这是针对一般旋喷工法的剩余泥浆大量从孔口涌出，污染作业环境，随着旋喷孔 深度增加，排浆难度增大，喷射、搅拌效果降低等不足而开发的。在监控器上设 m j s 装置，该装置是在喷嘴后方装的排泥浆吸入口，由该吸入口吸入泥浆，还可调 整排泥量及对地基的压力，使喷射压力充分运用。该装置不仅用在竖直大深度旋 喷，在水平、倾斜方向也能运用。由于钻机内还装有大d 4 7 根管线，所以又叫七管 旋喷法。该工法优点是不污染现场，保持良好的施工环境，但设备过于复杂，占 用空间较多，搬运不便。 1 2 2 意大利水平旋喷工法的研究和发展现状 意大利己经把旋喷法列为加固和保护隧道围岩的基本方法之一。意大利是多 山国家，其隧道及地下工程的施工技术比较发达。意大利旋喷技术虽然起步比我 国晚，但水平旋喷技术的开发应用在欧洲处于领先地位。1 9 9 2 年在s l o v e n i a 召开 的隧道和地下建筑施工国际会议上，该国代表系统总结了该国及世界各国隧道围 岩的加固方法，把旋喷注浆法和静态注浆、冻结法和机械预切槽等一并列为隧道 围岩加固基本方法。最典型作法是沿拱部外缘用水平旋喷柱体相互搭接形成拱棚， 在它的保护下开挖上部断面。用台阶法施工的时候，为提高拱脚地层的强度，在 坑道内两侧倾斜打入钻孔，将旋喷柱体联结成墙体。 从意大利的工程实践中得知，在砂粒土和中细砂地层，水平旋喷质量较好， 固结体平均抗压强度达到1 8 - 1 9m p a ，接近c 2 0 等级混凝上。在水平旋喷体相搭接形 成的旋喷拱棚的保护下，通过对开挖过程中设置的拱肋受力量测表明，其受力极 少，说明旋喷拱棚的刚度很好，承受住山体的压力。 一 北宝空通太堂砸i 垒立 1 2 3 欧美国家水平旋喷工法的研究和应用现状 高压旋喷注浆加固隧道围岩在欧美各国得到广泛的应用。德国波恩地铁一段 区间隧道松散未固结土层、渗透率平均为0 0 0 8 m s 的莱茵河砾石及不均匀泥沙层， 平均埋深为3 5 m ，顶部还有一条污水管道通过。为控制地面沉陷并确保污水管的 安全，采用旋喷法注浆结合新奥法施工，获得良好效果。本次旋喷柱长1 2 m ，柱体 直径为0 。6 m ，中心距为0 4 7 m ，搭接3 m ，柱体向外倾斜l o 。旋喷压力大于4 0 m p a 时， 曾引起地面隆起达至l j 9 1 m m ，采取降压及钻卸压孔等措施后降低蛰j 8 m m ，旋喷引起地 面隆起问题引起工程界重视。 旋喷技术在8 0 年代初期在美国首次应用并获得成功，由于此项技术价廉及对 各种土壤的普遍适用性而在美国得到广泛应用。华盛顿地铁在海军工厂以东区间 隧道修建过程中采用大范围水平旋喷，使土压平衡盾构得以从百年前修建的直径 1 8 英尺的砖和素混凝土结构的下水道下方通过。挪威的隧道及地下工程的施工技 术也比较发达，旋喷技术在挪威得到广泛的应用。挪威国家土木技术研究所和挪 威公路研究实验室联合，对处于冲积层中的蒙特奥利姆比诺浅埋铁路隧道的地面 沉陷和洞内收敛位移迸行现场量测用数值分析手段评价了水平旋喷柱体相互搭 接形成的拱棚的变形特性，认为旋喷拱棚与喷混凝土、钢拱衬砌一起作为一支护 系统具有良好的支护效果，可以有效抑制地面沉陷。在修建苏黎世地铁时，瑞士 首次使用水平旋喷技术作超前加固。在s t a n t o n i u s k i r c h 车站到s t a d c h o f e n 车站 之间有一段松散破碎的冰碳石带虽然覆盖层在整个工程中是最薄的，但因上部有 铁路线丽不能明挖施工。区间隧道采用机械掘进遇到松散破碎的冰渍石层时，出 现了最为严重的塌方事故，最后改为水平旋喷注浆对地层进行超前加固，成功地 通过了松散破碎带。开挖前，隧道拱部设置了2 3 根长1 6 m 、直径7 0c n l 的水平旋喷 柱体，在隧道拱部形成一个支护拱。其钻孔直径1 0a i l l ，旋喷压力为4 0 - 8 0m p a ， 旋喷拱栅完成并待固结体充分固结后，用台阶法施工，上部台阶每进尺l m ，完成 一个旋喷段的开挖要7 天时间。相邻两旋喷段搭接2 m 。本次旋喷体长1 6 m 。在瑞士 修建的楚格瓦尔德隧道，洞口段通过冰渍石和山体滑坡石，都是松软岩层。开挖 前用2 8 根长1 5 m ，直径为6 0 c m 的旋喷注浆柱体在隧道拱部形成一个支护拱。在其 保护下用挖掘机以几米距离逐步开挖拱部、掘进速度为每月1 2 5 m 。 l 。2 。4 我国水平旋喷注浆加固技术的研究和应用现状 l - 铁道科学研究院的工作 为了推进旋喷技术的发展，我国铁道科学研究院于1 9 8 7 年在内蒙古乌兰浩特 附近轻亚粘土层进行水平旋喷试验。先进行工艺试验确定旋喷参数，用七根水平 旋喷柱组成拱棚。试验结果表明，在1 2 m p a 压力下平均柱径3 8 7 m ，压力2 0 m p a ， 柱径可达5 8 0 m m ，固结体强度为2 8m p a ，拱棚厚度在2 0 0 2 5 0 m 之问。浆液在 6 1 绪论 高压射流作用下注入部分软士和土缝中，土体得到一定加固，取得了初步成果。 2 石家庄铁道学院的工作 石家庄铁道学院从1 9 9 4 年起开始了水平旋喷机研制和水平旋喷技术的研究工 作。先后在硬砂质粘土地层和松散细砂地层作过4 次水平及倾斜旋喷工艺试验及一 系列测试，取得大量研究成果。与徐州机械厂联合设计制造出的”t g d 一5 0 型水平钻 孔旋喷机”，可作竖直至上的钻孔并旋喷它不仅可用于隧道超前加固，而且可用 于路基、边坡加固、基坑壁施作土锚杆等。该机分别于1 9 9 8 年1 2 月和1 9 9 9 年1 0 月 在神延线沙哈拉茹隧道洞q 风积沙地层及宋家坪隧道洞内浅埋偏压段作超前加固， 一举获得成功。开挖后的变形及压力量测结果表明，加固效果良好，初步显示了 该工法的优越性。水平旋喷加固技术的应用成功，填补了我国该项技术空白。 3 北京交通大学的工作 北京交通大学依托高校技术科研优势，通过与实际工程相结合，运用室内模 型试验、现场实验、理论研究、数字模拟计算等方法，较好的完成了北京长安街 热力隧道复线预支护工程、北京北三环热力隧道下穿光熙门车站预支护工程等实 际工程的技术攻关，进一步推动了水平旋喷超前支护的应用和发展。 1 3 论文的思路、主要内容和研究方法 1 3 1 研究内容 本项目主要开展以下研究工作： 水平旋喷注浆固结体基本物理力学性质研究；水平旋喷注浆现场加固效果研 究；水平旋喷注浆施工关键技术的研究；水平旋喷注浆技术加固机理的理论研究； 水平旋喷注浆预支护变形机理数值模拟分析研究；水平旋喷注浆技术在多种工程 中应用；结合具体工程应用该新技术。 ( 1 ) 水平旋喷注浆固结体基本物理力学性质研究 综合考虑水灰比、灰土比和原状土的性质，开展室内试验研究，对水平旋喷 注浆固结体的基本物理力学性质进行深入的研究，特别是受力特性，为工程应用 提供理论依据。主要内容包括；浆液密度、漏斗黏度、浆液析水率、固结体的抗 压强度( 随时间的变化规律) 、固结体的抗拉强度、固结体的抗渗性能、固结体的 弹性模量、不同情况下固结体的应力应变曲线等。 ( 2 ) 水平旋喷注浆现场加固效果研究 积极开展水平旋喷注浆现场实验，对现场得到的水平旋喷注浆固结体的基本 物理力学性质进行深入的研究，内容与室内试验尽量相同，将室内试验和现场实 验的性质指标进行对比研究。 7 ( 3 ) 水平旋喷注浆施工关键技术的研究 针对水平旋喷注浆施工技术的特点，对施工组织和工艺流程进行深入研究， 特别是研究如何实现任意方向和角度的高精度控制；如何实现水平旋喷注浆压力、 溢浆压力的协调控制：如何减小桩尾的误差等。 ( 4 ) 水平旋喷注浆技术加固机理的理论研究 在前几项开发研究的基础上，进一步对水平旋喷注浆加固前后两种不同情况 下，士体、隧道支护以及水平旋喷注浆预支护三种不同特性结构的应力传递扩散 路径进行定量对比研究，从理论上得到水平旋喷注浆预支护的作用效果和工程效 应。 ( 5 ) 水平旋喷注浆预支护变形机理数值模拟分析研究 结合室内试验和现场实验得到的水平旋喷注浆固结体基本物理力学性质指 标，依据加固机理理论研究的成果简化出水平旋喷注浆预支护变形机理的计算模 型，利用现代科学计算软件进行数值模拟，从而对隧道预支护的交形控制和变形 预测做出定量的分析，以指导工程实际应用。 ( 6 ) 水平旋喷注浆技术在多种工程中应用 水平( 任意角度) 旋喷注浆加固技术的应用范围较广，如软弱地层隧道的预 支护；公路、铁路、桥梁等结构软弱基础的加固：中小型滑坡的治理；护堤补强； 地下防水墙等。凡是竖直旋喷难以实现，有条件设水平、倾斜孔时，都可应用此 项技术。针对工程的不同特点和要求，积极改进，更好的为工程建设服务。 ( 7 ) 结合具体工程应用该新技术 本课题的研究应紧紧围绕实际工程开展，将室内试验、现场实验、理论研究、 数值模拟所得到的成果应用于实际工程中，不断修改完善，最终建立一套适合水 平旋喷注浆技术特性的设计计算理论。 1 3 2 拟解决的关键问题及其解决方法： 本项目的关键问题： 1 任意方向( 最主要是水平方向) 旋喷注浆加固预支护机理研究； 2 土体加固后的应力扩散及传递规律； 3 水平旋喷注浆加固施工工艺的改进： 4 水平旋喷注浆加固预支护效果的研究； 5 适合水平旋喷注浆技术特性的设计计算理论； 。本论文中最关键的技术是任意方向( 最主要是水平方向) 旋喷注浆加固预支护 机理研究和适合水平旋喷注浆技术特性的设计计算理论 1 3 3 拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 ( 1 ) 调研收集国内外水平旋喷注浆技术的有关资料，细化研究内容，完善 8 i 绪论 研究方法： ( 2 ) 室内模型试验：针对水灰比、灰土比和原状土的性质，开展室内试验研究， 对水平旋喷注浆固结体的基本物理力学性质进行深入的研究； ( 3 ) 现场实验：在室内试验研究的基础上，结合具体工程，选定不同设计参数， 对水平旋喷注浆加固进行足尺实验，进一步验证室内试验的结果，为该技术在工 程的推广应用积累第一手资料； ( 4 ) 用高等土力学、弹塑性力学等专业知识理论对水平旋喷注浆加固预支护的 作用机理进行深入研究，为该技术的应用提供理论依据； ( 5 ) 在上述成果的基础上，建立水平旋喷注浆预支护变形机理的计算模型，进 行数值模拟，从而对隧道预支护的变形控制和变形预测做出定量的分析，以指导 工程实际应用。 ( 6 ) 与工程实际相结合，对工程实际数据进行细致而系统的分析，与理论计算 和数值模拟的成果相对比，不断修改，不断完善。 以上部分研究工作已结合北京北三环热力管道采用水平旋喷注浆加固预支护 技术下穿光熙门车站这一工程实例而开展，从已作的部分工作来看，该研究方法 和思路及试验方案是可行的。 1 4 论文的创新点 1 4 1 本论文的创新之处 ( 1 ) 明确了各种因数和参数对水平旋喷注浆加固预支护效果的影响； ( 2 ) 针对目前水平旋喷注浆易溢浆的不足，从压力自动控制、废液的再回收 利用装置、隧道掌子面封闭装置和溢浆压力自动量测等多个方面进行了研究； ( 3 ) 扩大了水平旋喷注浆加固技术的应用范围，从工程的不同特点和用途出 发，对该技术进行了针对性的完善； c 4 ) 完整的提出了一套适合水平旋喷注浆技术特性的设计计算理论。 1 4 2 本论文的主要特色 ( 1 ) 从室内试验、现场实验、理论研究计算、数值模拟、工程现场数据量测 等多个方面，对水平旋喷注浆加固技术进行了较为系统的研究和总结； ( 2 ) 对水平旋喷注浆加固预支护机理和适合水平旋喷注浆技术特性的设计计 算理论进行了着重研究，为该技术的应用提供了理论依据； ( 3 ) 对变桩径和自带钢筋或钢绞线的水平旋喷注浆加固技术进行了有益的尝 试，这有可能是该技术未来发展的方向； 研究工作着眼于实际工程应用，与工程实际相结合，充分考虑工程现场的易 9 韭宝室通主兰面土论立 操作性，力求作到成果转换为实践，为工程建设服务。 1 0 2 水平旋喷注浆超前加固力学等效模型推导 2 水平旋喷注浆超前加固力学等效模型推导 2 1 弹性力学平面问题的极坐标解 弹性力学理论对于实际工程的主要方面来研究，即研究对象抽象为科学理想模 型，称之为理想弹性体，它要满足以下基本假设： ( 1 ) 连续性：假定物体各点都由介质填满，没有空隙。 ( 2 ) 完全弹性：假定物体所受外力去除后能够恢复原来的形状和大小，没有 残余变形。 ( 3 ) 均匀性：假定物体各质点的材料相同。 ( 4 ) 各向同性：假定物体一点不同方向都有相同的性质。 ( 5 ) 小变形：假定物体的位移和变形都是微小的。 凡满足前四点假设的物体，都称为理想弹性体。如果讨论理想弹性体的小变形 问题，属于线弹性力学范畴。 弹性力学所研究的是理想弹性体在小变形情况下的应力、应变、位移的分布规 律。那么要从力学角度要建立力学模型，从数学角度要建立数学模型。 对于模型求解方程需要从三个方面的关系建立起来，以求出六个应力分量、六 个应变分量和三个位移分量。这三个方面包括： ( 1 ) 平衡方程：就是从微元体静力平衡方面关系建立应力分量和体力分量之 间的关系。 ( 2 ) 几何方程：就是从几何变形方面建立应变和位移之间的关系。 ( 3 ) 物理方程：就是从弹性关系建立应力和应变之间的关系。 这些方程总共有1 5 个，弹性力学问题的求解就是由这1 5 个方程在具体已知边 界条件下，求解1 5 个应力、应变、位移的三元函数的数学过程。所谓的边界条件 是指已知条件中弹性体外表面各部分点上所受的约束和荷载。 在求解平面问题时，对于圆形、楔形、扇形等的物体，用极坐标求解往往比用 直角坐标方便得多。本等效模型的推导就使用极坐标来进行。 2 1 1 极坐标中的平衡微分方程 在极坐标中，平面内任一点的位置，用径向坐标r 及环向坐标口来表示，如图 2 - 1 。沿，方向的正应力成为径向正应力，用以代表；沿目方向的正应力称为环向 正应力或切向正应力，用代表：剪应力用及代表( 根据剪应力互等关系 = ) 。 北壶空通太堂硕士论文 y 图2 1 极坐标示意图 这样，在极坐标中的平衡微分方程就是： 堡十三盟+ 盟+ x ，：0 o r ，0 0， ( 2 1 ) 吾鲁+ 孥+ 孕+ = oj 这两个平衡微分方程中包含着三个未知函数t ，艚= 劬。为了求解问题， 还必须考虑形变和位移。 2 1 2 极坐标中的几何方程和物理方程 在极坐标中，用代表径向正应变( 径向线段的正应变) ，用昂代表环向正应 变( 环向线段的正应变) ，用，。代表剪应变( 径向与环向两线段之间的直角的改变) ； 用u r 代表径向位移，用代表环向位移。 这样，在极坐标中的几何方程就是： 0 = 竽 岛= 等弓鲁rro 移 ，：三盟+ 丝一丝 2 7 葡+ 言一亍 同时，在平面应力的情况下，物理方程是： = 丢( c r r 一) 岛= 丢( 一) = 吉”掣f 。2 否7 2 彳f 一 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 2 水平旋喷注浆超前加周力学等效模型推导 在平面应变的情况下，须将上式中的f 换成。，换为i 等，而物理方程 变为： = 半( c r r 一南司 知= 半( 一尚q 寺。= 掣r 。2 否7 m 。彳7 m ( 2 4 ) 2 1 3 极坐标中的相容方程和应力分量方程 极坐标中的相容方程就是： ( 导+ 净土r z 旦a 0 2 1 ) 2 删 c z 胡 同时，将x 轴和y 轴分别转到，和目的方向，使微分体的矽坐标成为零，则极坐 标中的应力分量方程为： 吲t k = 弓睾+ 吉窘 刊巳) 鲫= ( 割= 鲁 = ( k = - 期。= 嘉+ 丽1a 矿i & ，k 三r 塑a p ) ( 2 6 ) 用极坐标求解平面问题时候( 假定体力可以不计) ，就只须从微分方程( 2 5 ) 求解应力函数妒= ( r ，们，然后按照公式( 2 - - 6 ) 求出应力分量。 2 1 4 轴对称应力和相应的位移 因为在其后推导中要用到轴对称应力和相应的位移，故给出相应公式。 采用逆解法，假设应力函数妒只是径向坐标的r 函数，则有妒= 妒p ) ，和公式 ， ( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可解得应力分量为： q ；7 a + 占( 1 + 2 j n ，) + 2 c = 一吾+ b ( 3 + 2 l n ，) + 2 c = = 0 ( 2 7 ) 因为正应力分量只是r 的函数，不随b 而变化，而剪应力分量又不存在，所以 应力状态是对称于通过z 轴的任一平面的，也就是所谓绕轴对称的。因此，这种应 力称为轴对称应力。 ( 1 ) 在平面应力问题情况下 形变方程为： c = 吉 ( + ) 乒+ ( - 一s ) b + z ( t 一) b l n r + 2 ( ，一) c 知= * ( z 训等+ ( 3 刊曰+ 2 ( ) b l n r + 2 ( - 刊c = 0 可见形变方程也是绕z 轴对称的。 轴对称应力状态下的位移分量方程为； q = 丢卜( ，一) 等+ ：( t 一) 西( h ，一- ) + ( 一，) 历+ ：( t 一) c ， + i e o s0 + k s i n0 = 警协一岫口+ 口 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中的a 、b 、c 、h 、i 、g 都是任意常数，两常数h 、i 、k 代表示刚体位移。 ( 2 ) 在平面应变问题情况下 在平面应变问题下，关于形变和位移的方程只须将公式( 2 - - 8 ) 和( 2 - - 9 ) 中 粤f 换成i ，卢换为i 管就可以了。 2 2 水平旋喷注浆超前加固力学等效模型的推导 基本假设： 1 、本等效模型的推导是服从弹性力学的基本假设：物体是连续、均质、完全 弹性、小变形和各向同性的，是在弹性力学范围内考虑水平旋喷注浆超前加固作 用。 2 、推导过程中，采用平面应变问题来处理。 在隧道施工中，主要是在土层或者岩石中开挖洞体，这必然造成对主层或者岩 石原有应力的影响。本小节将对以下四个情况的应力和位移进行比较： ( 1 ) 均匀土体受内压； ( 2 ) 均匀士体加隧道衬砌受内压； ( 3 ) 均匀体、隧道衬砌加水平旋喷超前支护受内压； ( 4 ) 隧道衬砌加水平旋喷超前支护受外压。 1 4 2 水平旋喷注浆超前加固力学等效模型推导 2 2 1 均匀土体受内压力学模型的推导 假设在弹性体中，一圆形隧道开挖半径为a ，地层的半径足够大为b ，在隧洞 开挖后其假设给隧洞一内压力吼，地层所受的外压力为吼，如图2 - - 2 所示，地层 的弹性模量为e 泊松比为。显然，应力分布应当是轴对称的，且为平面应变问 题。因此，取应力分量表达式即公式( 2 7 ) ，可以求出其中的任意常数a 、b 、c 。 囊 、1 。、斗 叫石lp 兔挖秽群仨 j q k 、 地层的半径为无限大，q b = 0 q 开挖隧洞 弹性体 e ，u ( a ) 具有内压和外压，地层半径为b 情况( b ) 只有内压，地层半径为无限大情况 图2 2 加圃前模型示意图 。吨 r a ) r = a = 0 , ：0 - 3 2 二。 ( q ) = 一吼，(，。= 碍。l 孑a + 丑( 1 + 2 l n 口) + 2 c = 吨 吾+ b ( 1 + 2 1 r i b ) + 2 c = 嘞 ( 2 1 0 ) 由正应力表示的边 ( 2 一1 1 ) 由于该问题为多连通弹性体，边界曲线由两条闭合曲线构成。其位移表达式公 式( 2 9 ) 中的环向位移中有一项掣是多值项，当口：岛+ 2 腼时有无穷个数 止 值，在一个具体工程问题中时不可能的， 即同一点不可能出现不同数值的位移。 这种复杂化的边界条件称为位移单值条件，即要求删去多值项，使b - = o 。此外， 有些时候还会出现要求满足应力、位移有限条件，也时边界条件复杂化的形式。 这里令胆0 后，可以得 4 ：百c 1 2 b 2 ( q b - - q a ) ，2 c ：掣掣 ( 2 1 2 ) b 一6 l 扩一d 将a 、c 代入公式( 2 7 ) ，稍加整理，就得到该开挖隧洞的应力分布如下： 一 j l 壶空通太堂