盾構隧道注漿抬升施工對襯砌結構的影響

趙 欣

(湖南交通職業技術學院 長沙 410132)

盾構隧道注漿抬升施工對襯砌結構的影響

趙 欣

(湖南交通職業技術學院 長沙 410132)

基于盾構隧道注漿抬升工程，建立盾構隧道注漿抬升對管片襯砌結構影響計算模型，通過對比現場實測數據和數值計算結果，驗證計算模型的正確性；在此基礎上探討分析不同注漿位置、不同注漿順序對管片襯砌結構的影響，為盾構隧道注漿抬升施工提供參考依據。

盾構隧道注漿抬升；計算模型；不同注漿位置；不同注漿順序；管片；襯砌結構

1 盾構隧道注漿抬升技術研究現狀

本文根據上海市某工程盾構隧道結構注漿抬升工程現場實測數據，驗證隧道結構注漿抬升計算模型的正確性；在此基礎上探討不同注漿位置、不同注漿順序對襯砌管片結構內力的影響，為盾構隧道注漿抬升的施工提供參考依據。

2 數值模擬計算

2.1 模型建立及參數取值

上海市某工程盾構隧道管片外徑為6.2 m，內徑5.5 m，混凝土強度為C50，采用螺栓強度等級為5.8級的彎螺栓拼接而成；隧道頂覆土11.48 m，地下水位埋深0.6～2.2 m。在注漿過程中為了提高隧道的整體性，減少隧道變形，要在隧道注漿各環內架設支撐。

采用有限元軟件Plaxis2D建立計算模型，其中隧道左右兩側邊緣距離隧道中心50 m，大于3倍隧道直徑，以便忽略邊界影響。土體采用摩爾庫倫本構模型，具體土層物理力學性質參數如表1所示，模型中土層分布如圖1(a)所示。隧道結構假定為均質圓環，采用板殼單元模擬，剛度折減系數取為0.75，根據實際支撐布置情況在隧道內增加支撐，隧道中部支撐用桿單元模擬，結構參數如表2所示。對襯砌管片K8、K10兩注漿孔下方土體進行注漿，如圖1(b)所示，圖中隧道下方紅色單元為注漿單元。鄧指軍等研究了盾構隧道微擾動注漿過程中的注漿參數[12]，通過對比計算地層和上海試驗地層的土體性質、注漿深度、漿液配比等參數，發現注漿加固后土體剛度及強度參數對注漿抬升過程和結構內力的影響不大，土體膨脹法模擬隧道注漿抬升，隧道結構內力主要與下方注漿單元體應變有關。因此，根據上海地區試驗選取的注漿后土體剛度及強度參數較為合理。

表1 土層物理力學性質指標

圖1 數值計算模型

結構名稱單元類型EI/(kN·m2/m)EA/(kN/m)泊松比v隧道管片板殼單元9.24×1041.21×1070.15豎向支撐桿單元—8.65×1050.30橫向支撐桿單元—2.95×1050.30

2.2 數值計算步驟

1) 建立幾何計算模型；

2) 劃分網格，隧道附近細化網格并設置各材料的模型參數;

3) 施加初始條件并約束左、右兩邊及底部對應方向的位移：施加重力場，計算初始有效應力，并將各方向位移歸零；

4) 關閉襯砌內的土體對應單元，激活鋼支撐對應單元，同時激活襯砌單元生成土體與襯砌的接觸作用；

5) 根據隧道注漿抬升不同工況進行計算，輸出變形和應力云圖以及特征節點的計算數據。

模擬隧道注漿抬升時，通過對注漿單元(即代表注漿土體的單元)施加體應變使單元體積膨脹來模擬抬升過程，包括2個步驟：增加注漿區域的土體剛度和強度；施加各向大小相同的體應變。在數值模擬過程中，通過判斷隧道抬升量是否達到實際隧道抬升量來控制模擬注漿過程，具體流程如圖2所示。

圖2 數值模擬流程

2.3 數值計算與實測數據對比數值計算與現場實測的地表隆沉計算結果、隧道內支撐軸力及水平直徑收斂變形對比如表3所示。

表3 數值計算與現場實測數據對比

由表3可知，數值計算所得結果與實測數據存在誤差。在實際注漿過程中，168、169環隧道的兩側支撐軸力相差較大，且隧道發生了較大的橫向收斂變形，這是由于隧道支撐特別是右側支撐在架設時未和隧道管片結構緊密貼合，造成隧道的變形較大。通過數值計算方法研究注漿抬升對隧道管片的影響是可行的。

3 不同注漿抬升工況對襯砌結構的影響

3.1 隧道內部支撐對注漿抬升時襯砌結構的影響研究單環管片內部支撐體系對結構內力的影響。注漿后土體參數及其他假設與2.1相同，分別模擬隧道在有、無支撐情況下注漿抬升10、20、30、40、50 mm的情形。

結構內力計算結果如圖3所示：在隧道抬升量10～50 mm時，無支撐情況管片的最大彎矩、最大彎矩處軸力均大于有支撐情況管片的對應值，當抬升量為50 mm時，無支撐情況管片的最大彎矩比有支撐的情況大132.9%；無支撐情況管片的水平收斂變形量約是有支撐情況的4～10倍；根據對最大彎矩處截面進行裂縫寬度驗算，在有支撐情況下的截面裂縫寬度發展緩慢，無支撐情況下截面裂縫寬度發展較迅速，當抬升量為50 mm時，無支撐情況的裂縫寬度已接近有支撐情況的5.4倍。

圖3 隧道內部有無支撐注漿抬升對結構的影響

注漿抬升施工后待支撐軸力及隧道變形收斂值保持穩定后，需進行拆撐(拆除支撐)。通過現場監測發現支撐拆除后支撐軸力、變形收斂基本保持平穩，說明注漿起到了預期的效果，能夠有效增強側向土體強度以及土體抗力，從而控制隧道在拆除支撐后應力釋放過程中的變形；同時部分支撐在隧道抬升期間發生了塑性變形，從而在一定程度上保證了隧道的過量收斂變形。

3.2 不同注漿位置及順序對襯砌結構的影響

3.2.1 不同注漿位置對襯砌結構的影響

對比兩邊注漿(K8、K10兩孔)與中間注漿(K9單孔)，研究單環管片注漿位置對隧道結構內力的影響。假定兩邊注漿時左右兩側注漿量相同，注漿深度為1.50 m，注漿后土體參數及其他假設與2.1相同。分別模擬單環管片在隧底不同范圍注漿抬升10、20、30、40、50 mm的情況。

隧道結構內力計算結果如圖4所示。隧道注漿抬升相同高度時，采用中間注漿比兩邊注漿的隧道內支撐軸力大，二者差值隨著隧道注漿抬升量的增大而增大，其中隧道抬升50 mm時，采用中間注漿比兩邊注漿的隧道內支撐軸力大36.5%；采用中間注漿比兩邊注漿的隧道管片最大彎矩大，二者差值隨著隧道注漿抬升量的增大而逐漸增大，當隧道抬升50 mm時，中間注漿比兩邊注漿的管片最大彎矩大137.3%；采用中間注漿管片的最大彎矩處的裂縫寬度遠大于兩邊注漿的情況，當隧道抬升50 mm時，采用中間注漿管片最大彎矩處的裂縫寬度是兩邊注漿的6倍。通過對比發現，采用兩邊(K8、K10注漿孔)注漿相比中間(K9注漿孔)注漿，對隧道結構內力的影響更小。

圖4 不同注漿位置對隧道結構的影響

3.2.2 深度方向不同注漿順序對襯砌結構的影響

對比K8、K10兩注漿孔采用自上而下與自下而上兩種注漿順序，研究單環管片深度方向不同注漿順序對隧道結構內力的影響，注漿順序如圖5所示。注漿深度為1.50 m，分10層(每層0.15 m)逐層等量注漿。

圖5 深度方向不同的注漿順序

隧道結構內力計算結果如圖6所示。隧道注漿抬升相同高度時，采用自下而上注漿比自上而下注漿的隧道內支撐軸力大，二者差值隨著隧道注漿抬升量的增大而增大，當隧道抬升50 mm時，自下而上注漿比自上而下注漿的隧道內支撐軸力大14.5%；采用自下而上注漿比自上而下注漿的隧道管片結構最大彎矩大，當隧道抬升50 mm時，自下而上注漿比自上而下注漿的隧道最大彎矩大8.5%；采用自下而上注漿與自上而下注漿相比，管片的最大彎矩處裂縫寬度差別不大。

圖6 深度方向不同注漿順序對結構的影響

將不同注漿順序等抬升量模擬改為不同注漿順序等注漿量(體應變)模擬，分別模擬深度及方向不同的注漿順序，注漿單元體應變為8.5%、10.0%、11.5%時的隧道抬升情況，模擬結果如圖7所示。

圖7 隧道抬升量隨注漿深度變化

在0～2.0 m范圍內注漿時，采用自下而上注漿，因為下方1.8 m范圍內凝固的漿液為上部注漿提供了更好的持力層，所以在注漿量相同的情況下，采用自下而上順序注漿比自上而下順序注漿，隧道的抬升量更大。采用自上而下的注漿順序，當注漿深度超過1.6 m時，上部漿液凝固對下部注漿的阻隔作用逐漸增大，注漿對隧道抬升的影響逐漸減小，表現為曲線斜率逐漸降低，尤其當注漿量不大時，在1.8～2.0 m范圍內注漿對隧道抬升已基本無影響。因此，需根據隧道所需抬升量，結合具體地層情況選擇合適的注漿深度。

3.2.3 注漿不同先后順序對襯砌結構的影響

對比先中間(K9)后兩邊注漿(K8、K10)與先兩邊(K8、K10)后中間注漿(K9)的兩種順序注漿，研究單環管片水平方向注漿順序對隧道結構內力的影響。

注漿順序如圖8所示，注漿深度為1.50 m，假定3個注漿孔注漿量相等，注漿后土體參數及其他假設與2.1章節相同，分別模擬隧道以水平方向不同順序注漿抬升10、20、30、40、50 mm的情況。

圖8 不同注漿順序

隧道結構內力計算結果如圖9所示。隧道注漿抬升相同高度時，采用先兩邊后中間注漿比先中間后兩邊注漿的隧道內支撐軸力大，二者差值隨著隧道注漿抬升量的增大而增大，當隧道抬升50 mm時，先兩邊后中間注漿比先中間后兩邊注漿比隧道內支撐軸力大10.5%；采用先兩邊后中間注漿比先中間后兩邊注漿的隧道管片最大彎矩大，二者差值隨著隧道注漿抬升量的增大而增大，當隧道抬升50 mm時，先兩邊后中間注漿比先中間后兩邊注漿的隧道最大彎矩大32.1%；先兩邊后中間注漿比先中間后兩邊注漿的管片裂縫寬度增長更快，在隧道抬升50 mm時，先兩邊后中間注漿的管片最大彎矩處裂縫寬度是先中間后兩邊注漿的2倍。因此，需要對隧道底部3個注漿孔注漿時，采用先中間后兩邊的順序注漿，對隧道結構內力的影響更小。

圖9 注漿不同先后順序對結構的影響

4 結論

對盾構隧道注漿抬升不同工況進行數值模擬，計算了不同注漿位置及順序時，使隧道抬升至相同高度時的結構內力、變形的變化規律，得到以下結論：

1) 在注漿過程中通過在隧道架設支撐可有效減小結構內力。

2) 在抬升量相同的情況下，僅兩側注漿情況引起的結構內力值明顯小于僅隧底注漿的情況。

3) 深度方向的注漿順序不同，隧道結構內力、變形也不同。

4) 采用自上而下注漿時，上部漿液凝固對下部注漿有一定的阻隔作用，當注漿深度超過一定范圍后，繼續注漿對隧道抬升基本無影響。

5) 如注漿范圍一定而注漿順序不同時，結構內力也不同。

6) 以隧道抬升量相同、結構內力最小為控制標準，建議采用“自上而下，先中間后兩邊，中間加固兩邊抬升”的注漿抬升方法，并盡量加大注漿范圍。

[4] 李軍.注漿加固技術在地鐵隧道結構沉降處理中的應用研究[D].廣州:華南理工大學,2013.

[10] 蔡軍.隧道穿越建筑物過程中注漿抬升技術研究[D].北京:北京交通大學,2009.

[11] 董葳.注漿抬升的數值模擬及抬升規律研究[D].北京:北京交通大學,2014.

(編輯：郝京紅)

Influence on Lining Structure by Grouting Uplift of Shield Tunnel

Zhao Xin

(Hunan Communication Polytechnic, Changsha 410132)

Based on a grouting uplift project of shield tunnel, the influence calculation model of shield tunnel uplift grouting on segment lining structure is established. The calculation model is verified to be correct by comparing the measured on-site data and the numerical results, and the influence of different grouting positions, different grouting orders on the segment lining structure is discussed, which provides theoretical reference for shield tunnel grouting uplift projects.

grouting uplift of shield tunnel; calculation model; different grouting position; different grouting order; shield segment; lining structure

趙欣，男，碩士，講師，從事軌道交通安全及測繪測量的研究，zhlwtg@163.com

U456.3

A