雙線盾構(gòu)隧道注漿范圍對地表橫向沉降的影響研究

王志杰，許瑞寧，胡磊，段明明，吳根強

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

雙線盾構(gòu)隧道注漿范圍對地表橫向沉降的影響研究

王志杰，許瑞寧，胡磊，段明明，吳根強

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

以一城市地鐵雙線盾構(gòu)隧道施工為背景，對盾構(gòu)隧道掘進引起的地表變形進行了現(xiàn)場監(jiān)控量測、數(shù)理統(tǒng)計回歸分析及數(shù)值仿真模擬，研究了地表橫向沉降與雙線盾構(gòu)隧道拱頂處注漿范圍之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明:雙線盾構(gòu)隧道施工中，在拱頂處采用深孔注漿技術(shù)可有效控制地表沉降。引入地表橫向最大沉降修正系數(shù)，對日本學(xué)者竹山·喬關(guān)于多層土層地表沉降計算公式進行了改進，使之適用于采用深孔注漿技術(shù)時地表沉降的計算，可為同類工程提供參考。

雙線隧道 注漿范圍 竹山·喬公式 地表沉降 修正系數(shù)

隨著我國城市化進程的加快，許多大、中城市開始修建地鐵。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，采用盾構(gòu)法掘進時勢必會對周邊土體產(chǎn)生擾動［1］，為了減小隧道施工引起的地表變形，現(xiàn)實中采用了很多控制措施［2-7］，如深孔注漿技術(shù)。如何有效地預(yù)測采用深孔注漿控制技術(shù)后地表隆起或沉降情況，已成為隧道工程的一個難點問題。1982年，日本學(xué)者竹山·喬提出了關(guān)于多層土層地表沉降的計算公式［8］，但該公式僅適用于天然土層狀態(tài)下盾構(gòu)隧道施工，需要對該公式進行修正，使之適用于采用深孔注漿技術(shù)時地表沉降的計算。本文以某城市地鐵雙線盾構(gòu)隧道施工為背景，利用實測數(shù)據(jù)回歸、近似公式和數(shù)值仿真模擬，修正了日本學(xué)者竹山·喬的公式，為有效地預(yù)測深孔注漿控制地表沉降的效果提供了依據(jù)，以保證城市地鐵施工安全［9］。

1 工程概況

本文依托地鐵區(qū)間工程采用雙線圓形盾構(gòu)施工，左線總長1 072.62 m，右線總長1 082.45 m，管片外直徑6 m，厚度0.3 m。區(qū)間沿線地勢平緩，兩側(cè)無大型或較高住宅，盾構(gòu)區(qū)間埋深在17.94～20.75 m，左、右線盾構(gòu)機分別采用日本小松公司的TM625φ6250和日立TS6150BI加泥式土壓平衡盾構(gòu)機。

1.1 地層巖性

試驗段的盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)條件復(fù)雜，在隧道橫斷面上表現(xiàn)為上軟下硬。地質(zhì)情況為:①素填土，厚度2.2～6.6 m;②黃土，厚度2.1～10.5 m;③粉質(zhì)黏土，軟塑，厚度2.3～9.0 m;④粗(中)砂，厚度4.3～10.2 m;⑤粉質(zhì)黏土，硬塑，厚度0.2～5.4 m;⑥細(xì)(中)砂，厚度0.2～20.2 m。

1.2 地表變形控制措施

試驗段采用拱頂處深孔注漿技術(shù)控制地表沉降。注漿管長4 m，擴散半徑為0.7 m，漿液采用按1∶1比例配合的水泥—水玻璃雙液漿，注漿時機控制在距離開挖面15 m左右，注漿位置見圖1。

圖1 試驗段注漿位置示意(單位:mm)

2 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬

2.1 測點布置

為了有效地觀測盾構(gòu)施工引起的地表沉降，依據(jù)盾構(gòu)設(shè)計相關(guān)文件要求，縱向每隔20 m建立1個監(jiān)測斷面，共15個斷面。每個斷面關(guān)于雙線中性軸對稱布置11個測點，如圖2所示。雙線盾構(gòu)隧道掘進通過監(jiān)測斷面后，地表最終沉降值控制在10 mm以內(nèi)。

圖2 試驗段橫向測點布置示意(單位:m)

2.2 計算模型

本次數(shù)值模擬采用三維有限差分軟件FLAC3D，采用彈塑性本構(gòu)模型。根據(jù)彈性力學(xué)中接觸應(yīng)力理論和應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道開挖對大于隧道直徑3倍距離外的巖體影響不大，故確定數(shù)值模型邊界:左側(cè)邊界至左線隧道中線15 m，右側(cè)邊界至右線隧道中線15 m，下邊界至隧道底部15 m，上邊界為隧道實際埋深。計算模型左右兩端邊界沿X方向固定約束，底部固定Z方向約束，頂部邊界為自由面。

2.3 計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地勘和試驗資料將試驗段土層分為6層進行模擬。注漿加固效果采用提高加固區(qū)土體的c，μ，E，φ值的方法來實現(xiàn)，盾構(gòu)管片采用C50材料參數(shù)，考慮到管片拼裝和接頭方式，對管片的剛度進行了折減，計算時不考慮水的影響。模型計算參數(shù)見表1。

表1 模型計算參數(shù)

2.4 實測結(jié)果與計算結(jié)果對比分析

根據(jù)盾構(gòu)施工方案，在試驗段采用連續(xù)測量的方法，從盾構(gòu)距離監(jiān)測斷面20 m時，開始測量并記錄盾構(gòu)到達前數(shù)據(jù)，直到盾構(gòu)通過監(jiān)測斷面50 m后，即地表沉降趨于穩(wěn)定時才停止監(jiān)測［10］。本文選取了相同埋深條件下具有代表性的3個監(jiān)測斷面最終沉降值，如表2、圖3所示。圖4為同等條件下采用數(shù)值模擬方法得到的地表沉降曲線。

圖3 不同監(jiān)測斷面橫向沉降

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果

由表2和圖3、圖4可以看出:數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測斷面實測結(jié)果基本吻合，計算所得地表最終沉降最大值與實測結(jié)果相對偏差僅為1.2%～3.9%，驗證了本次模擬計算方法的可靠性。

3 注漿范圍對地表橫向最大沉降的影響

對試驗段隧道拱頂上方土層采用深孔注漿加固措施，提高該范圍內(nèi)土體的彈性基床系數(shù)，有效地控制地表的沉降。本次數(shù)值模擬的注漿范圍共有6種計算工況，其中工況1、工況2、工況3、工況4、工況5及工況6分別表示從隧道頂部向上延伸0，2，3，4，5及6 m的范圍，得到不同工況下地表橫向沉降，如表3和圖5所示。

表3 不同工況下地表橫向沉降mm

圖5 不同注漿范圍時地表橫向變形曲線

由表3和圖5可看出，隨著注漿范圍的增加，地表變形值逐漸減小。當(dāng)注漿范圍為0時，數(shù)值模擬的地表最大沉降值為19.21 mm;當(dāng)注漿范圍為2 m時，試驗段地表最大沉降值比未注漿時減少了22.57%;當(dāng)注漿范圍為3 m時，試驗段地表最大沉降值比未注漿時減少了42.04%;當(dāng)注漿范圍為4 m時，試驗段地表最大沉降值為9.5 mm，小于本文所依托工程的沉降變形控制值10 mm;當(dāng)注漿范圍＞4 m時，注漿加固地層的效果就不太明顯了，基于經(jīng)濟、安全性考慮，該工程合理的注漿范圍應(yīng)為4 m。

運用MATLAB軟件擬合出雙線盾構(gòu)隧道掘進時，采用拱頂深孔注漿的措施后，地表橫向最大沉降值修正系數(shù)與注漿范圍之間的關(guān)系，見圖6。

圖6 地表橫向最大沉降值修正系數(shù)與注漿范圍之間的關(guān)系

修正系數(shù)與注漿范圍擬合結(jié)果為

式中:α為地表橫向最大沉降值修正系數(shù)，x為注漿范圍。

多層土層雙線隧道拱頂處深孔注漿后地表橫向最大沉降值公式為δ=α δ2，其中δ2為日本學(xué)者竹山·喬關(guān)于多層土層雙線隧道地表沉降值。擬合過程見表4。

表4 地表橫向最大沉降值修正系數(shù)與注漿范圍關(guān)系擬合

從表4可以看出，當(dāng)α=0.732 7exp(0.320 5 x)+ 0.336 4時，相關(guān)系數(shù)R=0.993 7為最優(yōu)。

4 結(jié)論

1)通過有限差分?jǐn)?shù)值分析方法對雙線盾構(gòu)隧道施工過程進行了模擬研究，將監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比，地表橫向變形趨勢基本一致，證明有限差分計算參數(shù)和模型的選取是合理的，可用于本文依托工程的數(shù)值模擬分析。

2)通過監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)分析可知，地表橫向沉降最大值小于規(guī)定值，說明在本文依托工程的試驗段中，將深孔注漿范圍定為4 m是合理的。

3)實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果均顯示，盾構(gòu)隧道施工中深孔注漿可以有效地控制地表的沉降，當(dāng)注漿范圍＞4 m時，注漿效果就不明顯了。

4)初步研究了注漿范圍與地表橫向最大沉降值之間的關(guān)系，并將數(shù)值模擬的結(jié)果與理論解進行了對比，相對誤差僅為4.5%。并得出日本學(xué)者竹山·喬關(guān)于多層土層地表沉降計算公式的修正系數(shù)α= 0.732 7exp(0.320 5 x)+0.336 4，即針對多層土層雙線隧道拱頂處深孔注漿后地表橫向最大沉降值公式為δ=αδ2，相關(guān)系數(shù)R=0.993 7。

［1］唐曉武，朱季，劉維，等.盾構(gòu)施工過程中的土體變形研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(2):417-422.

［2］徐冬健.盾構(gòu)隧道沉降數(shù)值模擬［D］.北京:北京交通大學(xué)，2009.

［3］許有俊，陶連金，李文博，等.地鐵上穿工程中既有隧道結(jié)構(gòu)周圍土體注漿加固范圍研究［J］.鐵道建筑，2012(11): 42-45.

［4］李圍，何川，謝紅強.高水壓巖質(zhì)盾構(gòu)隧道二次注漿壓力的控制［J］.中國鐵道科學(xué)，2006，27(1):32-37.

［5］胡俊，楊平，董朝文，等.盾構(gòu)始發(fā)端頭化學(xué)加固范圍及加固工藝研究［J］.鐵道建筑，2010(2):47-51.

［6］安妮.盾構(gòu)施工盾尾空隙二次注漿控制地表沉降研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2013.

［7］劉建海.盾構(gòu)隧道同步注漿效果對地層沉降的影響預(yù)測分析［J］.鐵道建筑，2010(3):46-48.

［8］張義同，高健.隧道盾構(gòu)掘進土力學(xué)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2010.

［9］姚愛軍，趙強，管江，等.基于北京地層地鐵隧道施工的Peck公式的改進［J］.地下空間與工程學(xué)報，2010，6(4): 789-793.

［10］張飛進.盾構(gòu)施工穿越既有線地表沉降規(guī)律與施工參數(shù)優(yōu)化［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2006.

Research on influence of grout-injecting around shield-driven double-track tunnel on transversal settlement of ground surface

WANG Zhijie，XU Ruining，HU Lei，DUAN Mingming，WU Genqiang
(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T aking the double-track shield tunnel construction in one city as background，site monitoring，mathematical statistical regression and numerical simulation of surface deformation caused by shield tunnel excavation were conducted and the relation between ground transverse settlement and grouting range of double-track shield tunnel vault was discussed.T he research results showed that the deep hole grouting technology at the vault can effectively control the ground settlement during double-track shield tunnel construction.Ground settlement calculation equation of multilayer soil proposed by T akeyama Joe was improved by introducing the correction factor of maximum ground transverse settlement，which could adapt to ground settlement calculation by using deep hole grouting technology and provide a reference for similar engineering.

Double-tracktunnel;Groutingrange;T akeyamaJoe'sequation;Groundsettlement;Correction coefficient

U445.43

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.23

1003-1995(2015)05-0089-04

(責(zé)任審編趙其文)

2014-06-03;

2015-02-16

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964—)，男，山西萬榮人，教授，碩士。