盾構施工中隧道地層位移與土壓力研究

蘭 宇/LAN Yu

（廣東華隧建設股份有限公司，廣東 廣州 530300）

現代城市的各種地下交通和設施越來越復雜，若在市區進行明挖隧道施工，會對居民生活造成嚴重影響，采用盾構法施工隧道具有很大的優點。盾構法施工時采取地層與襯砌結構相結合的方式進行施工，隨著盾構的推進，在管片和土體之間會出現空隙，為了對這些空隙進行填充，必須在盾構空隙處注入漿體，剛注入的漿體還是流體，隨著時間的推移不斷固化，力學性質也隨之發生變化，從而對地層位移和襯砌土壓力造成一定的影響。以下探究注漿體固化過程對土壓力和地層位移造成的影響。

1 盾構壁后注漿體的力學性質

由于盾構施工過程中測試條件的限制及各種外界因素的影響，注漿體的力學性能很難直接進行現場測試，要想通過實驗模擬現場施工過程，同時觀察隨著施工進行注漿體的力學性質還不能實現。因此，對于這個問題的探究只能通過室內試驗來進行研究。根據注漿體的特征，凝固過程主要是水與水泥反應從而使得注漿體的強度逐漸增加，所以室內試驗可采用無側向抗壓實驗進行探究，筆者以參與的某工程實例進行研究。工程中采用盾構刀盤直徑、管片外徑分別為6.280m、6.0m，這樣施工過程中當管片脫離盾尾后，管片與洞壁之間會出現大約0.14m的空隙，即可進行注漿體的灌注，在工程中具體施工方式為同步注漿方式。漿液的成分與配比：砂875kg、水泥180kg、膨潤土37kg、粉煤灰310kg、水310kg。試驗中采用的漿液試樣高度為H＝8cm，D＝3.91cm，對不同齡期漿體的應力-應變關系進行擬合可以得出經過8h、24h及28d漿體的彈性模量分別為0.9MPa、4MPa、400MPa。

2 有限元模擬盾尾注漿體的處理

2.1 盾構注漿過程的非線性有限元模型

在地下隧道施工中，由于巖土結構體的應力-應變關系的非線性及邊界條件的復雜性，對此類問題采用微分方程比較困難，因此在多數情況下都采用靈活、通用的有限元分析法。這種方法即適用于復雜的邊界問題，又能反映材料的不均勻性。同時由于隧道施工過程屬于長形結構，因此盾尾注漿對隧道土壓力和位移的影響問題，可以采用二維有限元進行模擬。本文計算中采用ADINA通用商業有限元軟件，同時采用的是程序中自帶的Mohr-Coulomb彈塑性模型。

2.2 有限元模擬盾尾注漿體的處理方法

由于注漿過程的復雜性和特殊性，因此在采用有限元法進行模擬時，做了以下幾點近似：第一，注漿厚度小于盾尾空隙的理論值；第二，將漿體看作是變剛體。對于變剛體也進行了近似化處理，將其看作是彈性材料。基于此，變剛體的參數通常取厚度、彈性模量及泊松比。厚度通常按下式計算：

上式中，Δ、η分別表示盾尾空隙的理論值及折減系數。折減系數對于不同土質取值不同，通常在0.7～1.5，對于硬土層，取0.7，對于極軟的土層，取1.5。彈性模量的取值要結合具體工程施工中洞周釋放荷載考慮，由于變剛體的組成主要包括水泥、砂及粉煤灰，同時泊松比的取值范圍比較小，因此參考水泥土的泊松比，取值為0.2。

3 隧道地層位移與土壓力變化規律

某工程土壓平衡式盾構直徑6.28m，管片外徑、厚度、寬度分別為6.0m、0.3m、1.2m。施工時采用混凝土的標號為C50，采用同步注漿方式，施工開挖場地的土層分別為素填土、粉質粘土、砂土、全風化花崗巖。注漿組成配比如前所示，隧道深埋15m，計算時采用有限元分析法的Mohr-Coulomb彈塑性模型，襯砌材料為鋼筋混凝土，泊松比為0.17，折減系數為0.6，襯砌的彈性模量為20.7GPa。

在用有限元法進行模擬分析時，土層計算深度為40m，水平方向的計算寬度為60m，分4個階段進行模擬：第一，開挖階段；第二，注漿和盾尾管片脫開階段；第三，短期固化階段；第四，長期固化階段。計算結果如圖1、圖2所示。

根據圖1、圖2可知，在同一水平面，位置不同的地方隧道地層豎向位移數值不同，隧道頂部最大，距離隧道軸線越遠的地方越小，距離地表越深的位置越小；同時任何深度的豎向位移都不是固定的，而是隨著施工過程增加，其中第二階段豎直方向位移增加的幅度最大，隨后增幅逐漸減小。

根據計算結果可知，襯砌上豎直方向和側向土壓力隨著施工過程的進行持續不斷增加，在施工的前兩個階段，地應力、襯砌豎向和側向土壓力值都比較小，隨著時間的推移，逐漸進入固化階段，此時地應力、豎向和側向的土壓力都逐漸增加，但并不是等值分布。不同位置處壓力大小不同，對于豎向地層壓力來說，頂部壓力值大于水平直徑處；對于側向土壓力，頂部和底部壓力值小于水平直徑處。

圖1 隧道頂上方土層的豎向位移

圖2 隧道水平直徑處地層水平位移分布

4 各種計算方法的比較

現階段盾構施工數值模擬中對于注漿體的考慮通常有以下2種：第一，作為彈性等剛體考慮，忽略施工過程注漿體力學性質的變化情況；第二，完全忽略注漿體的影響，認定隧道壁面土體產生徑向相等的位移，并且位移大小與盾尾空隙相等。下面筆者對上述2種方法及本文中提到的將注漿體作為變剛體的計算結果進行比較，并和實際地表沉降測量值進行比較。

第一種計算方法是將注漿體作為彈性等剛體考慮，因此注漿體的彈模為400MPa，泊松為0.2；

第二種計算法完全忽略注漿體的影響，因此將注漿體的彈模設為5kPa，泊松比取0.2；

第三種計算方法為本文將注漿體作為變剛體處理，參數與前面實驗數據相同。

采用有限元分析法計算結果如圖3、圖4所示，A、B、C分別表示上述3種方法。

圖3 不同計算方法的地表沉降與實測值結果

圖4 不同計算方法襯砌上土壓力分布

根據圖3結果可知，前2種方法計算出的地表沉降和實測值之間存在較大誤差，而本文提出的將注漿體看作變剛體的方法與實測值比較接近；根據圖4可知，B方法的計算結果小于A、C方法，若將注漿體作為彈性等剛體考慮，則施工時彈模相對較大，襯砌不易發生變形，因此豎向和側向壓力的差值變化較小；若將注漿體作為變剛體考慮，與彈性等剛體相比，襯砌的豎向土壓力變小而側向土壓力增加，這樣就導致豎向和側向的土壓力呈現比較均勻的分布狀態。

5 結 語

綜上所述，以往采用盾構隧道法施工時，很少考慮施工過程注漿體隨施工過程固化對位移和土壓力造成的影響。筆者根據參與的工程實例，結合現場實際情況，提出了彈性變剛體模型，采用有限元分析法模擬盾構隧道法的施工過程，分析了隨著施工過程的進行，注漿體力學性質的變化對地層位移和襯砌壓力的大小、分布的變化規律，并對不同計算方法進行了比較探討，希望能對同仁起到一定的借鑒作用。

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