盾構隧道注漿抬升對隧道結構內力的影響分析

張繼鵬 陳鼐基 董子博

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上海；2.寧波市軌道交通集團有限公司,315010,寧波∥第一作者,碩士研究生)

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盾構隧道注漿抬升對隧道結構內力的影響分析

張繼鵬1陳鼐基1董子博2

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上海；2.寧波市軌道交通集團有限公司,315010,寧波∥第一作者,碩士研究生)

采用注漿抬升技術治理盾構隧道不均勻沉降時,注漿產生的附加應力會增加管片內力,對隧道的長期服役性能造成影響。以寧波地鐵某區間盾構隧道不均勻沉降治理工程為背景,通過對比現場實測數據與有限元模擬的結果,驗證了有限元計算的可靠性,并在此基礎上分析了有無內部支撐體系、不同注漿范圍及注漿順序情況下隧道結構內力的變化。分析模擬結果發現，內部支撐體系可有效減小隧道結構變形及附加內力;采用由近及遠、先中部后兩側的注漿順序,并盡可能擴大橫向注漿范圍的情況下,隧道產生的附加內力較小。

盾構隧道; 結構內力; 注漿抬升

First-author′s address Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,201804,Shanghai,China

軟土地區地鐵盾構隧道多穿越于較厚的淤泥質土層中[1-2],當周邊工程活動頻繁、隧道發生滲漏水、施工處理不當時,隧道極易發生局部的不均勻沉降現象[3-5]。

目前軟土地區普遍采用微擾動注漿技術治理地鐵盾構隧道不均勻沉降,但通過調研發現,在注漿抬升過程中隧道橫斷面收斂變形有所增大,管片內力勢必有所增大。管片內力和收斂變形過大會導致管片出現破損、漏水等病害,嚴重時將會危及隧道結構的安全使用[6]。

寧波軌道交通1、2號線盾構區間采用錯縫拼裝帶凹凸榫槽的通用環管片,其成型隧道整體剛度較大。而剛度較大的管片在受到外力作用(注漿產生)下,其結構內部產生的附加內力更大。與傳統通縫拼裝管片相比,在變形量一定時,管片更容易出現破損、開裂。因此,需對注漿抬升時隧道結構內力的變化做進一步的研究。

1 工程概況

寧波市軌道交通某區間隧道采用盾構法施工。2013年4月9日隧道170環位置最大沉降量為214 mm,導致成型隧道軸線曲率半徑偏小(如圖1所示)。因此須對沉降較大區段進行抬升處理。計劃抬升40 mm。隧道上方為市政道路,且道路兩側有7層居民樓。

圖1 盾構隧道沉降示意圖

經研究,確定采用注漿抬升工藝對隧道線形進行整治。由于抬升量較大,在隧道內部還額外架設了支撐體系以控制隧道變形。

2 注漿抬升有限元模擬

由于隧道注漿抬升具有高風險性,故在注漿開始前,有必要利用有限元軟件對注漿過程中的隧道結構內力變化規律進行分析。建立有限元模型時利用了有限元軟件Plaxis2D 2012。計算中，隧道左右兩側邊緣距離隧道中心50 m(大于3倍隧道直徑),因此，邊界影響可忽略。假定隧道結構為均質圓環,采用板單元模擬,其剛度折減系數取0.75。

注漿過程是通過對“注漿單元”(代表注漿土體的單元)施加體應變以使單元體積膨脹來模擬抬升過程。模擬過程包括2個步驟:①增加注漿區域的土體剛度和強度;②施加各向大小相同的體應變。

2.1 模型參數選取

進行有限元分析時,選取第168環作為研究對象。相應的土層分層情況如圖2所示,土層主要物理力學性質指標如表1所示。

圖2 土層分層示意圖

土層編號土層名稱天然重度/(kN/m3)壓縮模量/kPa黏聚力/kPa內摩擦角/(°)靜止側壓力系數①1素填土18.004.3030.0014.000.53①2黏土19.004.4030.0014.000.53①3淤泥質粉質黏土18.003.1015.808.900.70②2c淤泥質粉質黏土17.602.8816.909.800.75④1淤泥質黏土17.502.8317.209.800.75⑤2黏土19.305.9238.4017.300.50

根據實際支撐布置情況,計算模型相應在隧道內增加支撐。隧道中部支撐用桿單元模擬,其桿單元選用參數如表2所示。根據第168環注漿量的統計,對隧道兩注漿孔下方土體進行模擬注漿,其模型如圖3所示。圖3中隧道下方深色單元為注漿單元。

圖3 計算模型局部圖

結構名稱單元類型主動土壓力合力/(kN/m)泊松比豎向支撐桿單元8.65×1050.15橫向支撐桿單元2.95×1050.15

由于寧波地區土體性質、注漿深度、漿液配比等與上海地區的試驗較為接近[7],故參照上海地區比貫入阻力PS值與土體剛度和強度的經驗關系,假定此次注漿每孔影響范圍為0.6 m,土注漿后的土體壓縮模量Es為注漿前的2倍,黏聚力c為注漿前的2倍,內摩擦角φ為注漿前的1.4倍。在此基礎上,通過數值模擬,對這5個參數的選取進行敏感性分析。分析結果如表3所示。

根據表3中的計算結果,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,則隧道結構內力主要與下方注漿單元體應變有關。可見，根據上海地區試驗和經驗選取的注漿后土體剛度及強度參數基本合理。

3.2 可靠性驗證

經計算,地表隆沉計算結果對比如圖4所示。當隧道注漿抬升42 mm時,地層結構模型計算所得隧道正上方隆起量為12.3 mm,實測隧道正上方隆起量為11.7 mm,二者相差僅5.1%。

隧道內支撐軸力對比如表4所示。地層結構模型計算所得支撐軸力為198 kN,第168環實測軸力平均值為162 kN,二者相差22%。

表3 注漿加固土體剛度及強度參數敏感性分析

圖4 地表隆沉量對比圖

數值類型隧道抬升量/mm支撐軸力/kN數值模擬42.0198.0現場實測42.0162.0

由以上分析可以認為,有限元模擬較為可靠,所得結果與實測數據基本保持一致。

3 注漿對隧道結構影響分析

3.1 內部支撐體系對結構的影響

有限元模擬了隧道在無支撐情況和有支撐情況下注漿抬升量分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm時的工況,計算結果如圖5所示。

在隧道抬升量為10～50 mm時,無支撐情況管片的最大彎矩大于有支撐情況管片的最大彎矩；當抬升量50 mm時,無支撐情況管片的最大彎矩比有支撐情況大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。根據管片配筋,對最大彎矩處截面進行裂縫寬度驗算發現,在有支撐情況下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5 有無支撐對比情況

通過對比發現,對隧道進行注漿抬升時,通過在隧道內架設支撐,能夠提高隧道整體剛度,有效地減小隧道管片的附加內力和附加變形,結構安全性得以提高,因此在隧道目標抬升量較大且條件允許的情況下可在隧道內架設支撐以保證結構的安全性。

3.2 環向注漿范圍對結構的影響

環向注漿范圍示意圖如圖6所示,注漿深度為1.50 m,假定兩邊注漿時左右兩側注漿量相同。分別模擬單環管片在隧底不同范圍注漿抬升10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm。

圖6 注漿孔位示意圖

通過對比單孔注漿(K9)、3孔注漿(K8—K10)、5孔注漿(K7—K11)以及7孔注漿(K6—K12),研究單環管片橫向注漿范圍對隧道結構內力的影響。

隧道結構內力計算結果如圖7所示。隧道注漿抬升相同高度時,3孔、5孔、7孔注漿在最大彎矩及最大彎矩處的裂縫寬度方面均小于單孔注漿。當抬升量為50 mm時,最大彎矩分別減小27.4%、61.4%、70.4%,裂縫寬度分別減小35.7%、83.0%、91.2%;當抬升量小于10 mm時,3孔注漿、5孔注漿、7孔注漿之間在最大彎矩和裂縫寬度方面的絕對值相差較小。

3.3 注漿順序對隧道結構的影響

3.3.1 橫向注漿順序對隧道結構的影響

通過對比先中間(K9)后兩邊注漿(K8、K10)與先兩邊(K8、K10)后中間注漿(K9)兩種注漿順序,研究單環管片橫向注漿順序對隧道結構內力的影響。注漿深度均為1.50 m,假定3注漿孔注漿量相等,分別模擬隧道以橫向不同順序注漿來抬升10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm的情況。模擬結果如圖8所示。

由圖8可見，隧道注漿抬升相同高度時,先兩邊后中間注漿在最大彎矩及管片裂縫寬度方面均大于采用先中間后兩邊注漿的隧道內支撐軸力,其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,先兩邊后中間注漿的隧道最大彎矩大32.1%,最大彎矩處裂縫寬度大100%。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7 橫向注漿范圍對隧道結構的影響

圖8 橫向注漿順序對結構的影響

3.3.2 徑向注漿順序對隧道結構的影響

通過對比K8、K10兩注漿孔采用由遠及近與由近及遠兩種注漿順序,研究單環管片徑向不同注漿順序對隧道結構內力的影響。注漿順序如圖9所示。注漿深度為1.50 m,分10層(每層0.15 m)逐層等量注漿。模擬計算結果如圖10所示。

由隧道注漿抬升相同高度時,由遠及近的注漿順序在管片最大彎矩方面大于由近及遠的注漿順序,其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,由遠及近注漿比采用由近及遠注漿的最大彎矩大8.5%。兩者在最大彎矩處裂縫寬度方面差別不大。

圖9 徑向注漿順序示意圖

圖10 徑向注漿順序對隧道結構的影響

根據計算結果,在相同抬升量情況下,由遠及近的注漿順序所需的注漿量更小,注漿的反作用力更大,注漿效果更明顯。為進一步說明深度方向上不同注漿順序對隧道抬升的影響,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,分別模擬徑向不同注漿順序,注漿單元體應變為8.5%、10.0%、11.5%時的隧道抬升情況。模擬計算結果如圖11所示。

根據模擬結果，分析0.0～2.0 m范圍內注漿時,兩種注漿順序對隧道抬升量的貢獻。

采用由遠及近注漿順序時,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反力層,所以在注漿量相同的情況下,采用由遠及近順序注漿比采用由近及遠順序注漿,隧道抬升量更大。

采用由近及遠的注漿順序時,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注漿逐漸減小,在圖3中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。

圖11 隧道抬升量隨注漿深度變化圖

4 結論

通過現場實測數據,對有限元計算結果進行了驗證,并可得出以下結論:

(1) 在隧道抬升量小于5 cm的情況下,有限元中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,與注漿單元本身參數選取關系不密切。

(2) 通過在隧道內架設支撐,能夠提高隧道整體剛度,有效地減小隧道管片的附加內力和附加變形,結構安全性得以提高。

(3) 采用多孔注漿的方法可以有效減小管片的附加內力,控制管片變形,當單環注漿孔數量大于3個時,效果更為明顯。

(4) 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。

(5) 隧道徑向注漿順序的不同對隧道內力影響較小,由近及遠的注漿順序在管片最大彎矩方面略小于由遠及近的注漿順序。

(6) 當采用由近及遠的順序時,上部漿液凝固對下部注漿的阻隔作用逐漸增大,注漿作用逐漸降低,故建議采用該種順序注漿時注漿最大深度控制在1.8～2.0 m。

[1] 孫鈞,侯學淵.上海地區圓形隧道設計的理論和實踐[J].土木工程學報,1984(3):35.

[2] 陳惠芳,陳廣峰,程千元,等.盾構穿越淤泥質軟土含高壓沼氣地層的安全措施[J].施工技術,2012(13):75.

[3] 黃宏偉,臧小龍.盾構隧道縱向變形性態研究分析[J].地下空間,2002(3):244.

[4] 余占奎,黃宏偉,徐凌,等.軟土盾構隧道縱向設計綜述[J].地下空間與工程學報,2005(2):315.

[5] 韋凱,宮全美,周順華.基于蟻群算法的地鐵盾構隧道長期沉降預測[J].鐵道學報,2008(4):79.

[6] 汪小兵.盾構穿越引起運營隧道沉降的注漿控制研究[J].地下空間與工程學報,2011(5):1035.

[7] 鄧指軍.雙液微擾動加固注漿試驗研究[J].地下空間與工程學報,2011(S1):1344.

[8] 楊江朋，苗蘭弟.廣州地鐵3號線盾構施工同步注漿技術的應用[J].城市軌道交通研究，2014(6)：111.

(Continued from Special Commentary)

In the case of the construction conditions’ permission, the rail transit composite corridor is often an effective way of “integrating” the line networks at different levels.The so-called “rail transit composite corridor” refers to that there are 2 or more levels of rail transit lines in the same rail transit corridor.If the rail transit lines of different levels can be “integrated” into a composite corridor,not only the transfer of passengers is facilitated,but also its land use and the total area of noise impact would be reduced exponentially than those in the condition of each line individually set up.Although the design speeds and the average station spacing of rail transit lines at different levels are of great difference,with the help of the rail transit corridor,a number of small and medium scale stations could still be set within the city limits,so that rail transit of different levels could form multiple “transferring points” in one corridor,and the transferring distance could be controlled within 200m.

Rail transit composite corridors usually have the following several cases:

(1) City railways and intercity railways,or high-speed railways coexist in one corridor.When intercity railway lines or high-speed railway lines get into urban area,city railways could be laid in parallel with these lines.But trains of city railways and intercity railways or high-speed railways operate independently on the respective lines.For example,in Berlin downtown of Germany,there is an elevated composite corridor of rail transit in the east-west direction,in which the national railway line and the city railway line are laid in parallel.On the national railway line (2 tracks,power supply AC 15 kV) run high-speed railway trains and regional railway trains,and on the city railway line (2 tracks,power supply DC 800V) run city railway trains.On this corridor,the passenger stations,such as Lehr,Ostbahnhof,Zoo,Alexander,and Spandau etc.,are set up for each other's transferring.And the passengers that come from high-speed trains or intercity railway trains could be easily evacuated by city railways to all over the city.

(2) City railways or intercity railways with metro coexist in one corridor.For example,in the same corridor between Tokyo Station to Yokohama Station in Japan,Tokaido Main Line,Keihin-Tohoku Line and Keikyu Main Line each operate independently,but could be transferred to each other.There are some similar cases in the corridors of Tokyo to Chiba,Kyoto-Osaka and etc.

(3) Two lines of urban rail transit (4 tracks),or more coexist in one corridor.For example,A,C and E Lines in New York Metro are laid in the same corridor in the West Central Avenue (from the 14th Street to the 145th Street).This corridor has 4 tracks,on which run the trains of 5 kinds of routing,and at the same time express trains and local trains could also run.

(4) City railways and intercity railways or high-speed railways operate by common-rail.As the trains adopted by the urban area railways could be compatibility with intercity railways' and high-speed railways' trains in the respects of railway clearance,power supply system,and train operation control system,so the trains of these three levels could run in the same line (2 tracks).In General,when trains run into the downtown area,the necessary speed limit would be made,so as to reduce the construction costs and the impact on the surrounding environment.

(5) The lines of city railways and urban rail transit operate by common-rail.It is conditional for the trains coming from the line networks of city railways and urban rail transit to run on the same line (2 tracks).It is needed to make the compatible design or transformation for the respects of train clearance,power supply system,and train operation control etc.in common-rail sections.In planning for rail transport networks,in general,this pattern should not be adopted,so as to avoid increasing the costs of constructions and operations and reducing operational efficiency.

It should be noted that the rail transit composite corridor planning must be established under the premise of the great necessity of the integration demand and the good feasibility of engineering constructions.For those lines whose integration advantages are not great and whose integration engineering construction costs are greater than the independent lines' construction costs,their planning and constructing should not implemented according to the rail transit composite corridor mode.

(Translated by SUN Zheng)

Impact of Grouting Lifting on the Structural Inner Stress of Shield Tunnel

ZHANG Jipeng, CHENG Naiji, DONG Zibo

Grouting for shield tunnel lifting for the solution to shield tunnel uneven settlement increases the inner stress of shield tunnel lining, directly affecting the long-term performance of shield tunnel. Based on the regulating engineering of uneven settlement in a tunnel section of Ningbo metro, the FEM (finite element method) calculation result and the data measured from Ningbo metro are compared, the variation of lining inner stress with or without internal bracing system, the variation in different ranges and orders of grouting are analyzed. The simulation results show that when the grouting changes from distal to proximal, and the range of grouting is expanded, the additional inner stress of shield lining will be decreased.

shield tunnel; structural inner stress; grouting lifting

U 457

10.16037/j.1007-869x.2016.09.020

2015-04-12)