盾構同步注漿對地表沉降的影響分析

吳賢國 姜 洲,2 方偉立 張立茂 陳躍慶 張 偉

(1.華中科技大學土木工程與力學學院,430074,武漢 ;2.湖南省安全生產監督管理局,410007,長沙∥第一作者，教授)

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施工技術

盾構同步注漿對地表沉降的影響分析

*吳賢國1姜 洲1,2方偉立1張立茂1陳躍慶1張 偉1

(1.華中科技大學土木工程與力學學院,430074,武漢 ;2.湖南省安全生產監督管理局,410007,長沙∥第一作者，教授)

以武漢某長江越江隧道盾構施工為工程背景,利用FLAC3D分軟件析了盾尾注漿參數對地表沉降的影響。研究結果表明:數值模擬結果與實際監測值結果吻合較好,驗證了模型的正確性和科學性;影響地表沉降的盾尾注漿參數主要是注漿壓力和注漿量,合理的控制盾尾注漿參數能有效地減小地表沉降;在一定范圍內,地表沉降會伴隨著盾尾注漿壓力的減小而減小,而注漿壓力過大會引起地表隆起,為避免地表沉降值或隆起值過大,建議注漿壓力控制在原土體應力50%左右較為合適;用等代層的厚度模擬盾尾注漿量的變化，在一定范圍內,等代層厚度線性增加會使地表沉降線性減小,而等代層過大使地表產生隆起,為使地表沉降或隆起值均較小,等代層厚度控制在30 cm左右較為合適。

盾構施工； 同步注漿; 地表沉降; 應力釋放; 等代層; 數值仿真

First-author′s address Huazhong University of Science and Technology,430074,Wuhan,China

地鐵建設具有質量要求高、施工難度大等特點。盾構法以其特有的施工技術和經濟優越性等優點被廣泛使用于地鐵建設。在盾構施工過程中,管片襯砌與土體之間形成了盾尾空隙,在實際工程中以一定的壓力向盾尾空隙注入漿體,使地表沉降控制在許可范圍之內。盾尾注漿效果主要由盾尾注漿參數決定。盾尾注漿參數的改變對地表沉降具有明顯效果,其主要有注漿量、注漿壓力及注漿速度3個參數。注漿速度對地表沉降影響相對較小；注漿量的大小是以盾尾空隙為基礎,保證達到充足密實的目的;而注漿壓力取決于所在地層的土壓力。注漿壓力太小,土體之間的壓力就不能有效地達到平衡,容易發生較大的土體變形；相反,如果注漿壓力太大,就會導致水泥漿沖入周邊土體,從而破壞周邊土體的結構,產生劈裂現象,尤其是軟黏土地質更為明顯。因此,合理控制盾尾注漿參數成為隧道盾構施工過程中亟待解決的問題。

盾構隧道施工過程中施工參數是影響地表沉降的主要因素[1]。文獻[2]認為較大的漿體壓力會增大漿體的最終變形量。文獻[3]通過分析盾構隧道壁后注漿的作用機理,并提出了合理確定壁后注漿壓力的方法。文獻[4]提出等代層的概念,并分析了等代層參數對地表沉降的影響。文獻[5]分析了等代層彈性模量與Peck地表沉降計算公式中最大沉降量和沉降槽寬度之間的關系。文獻[6]等研究表明，適當加大注漿壓力能有效地控制地表沉降。文獻[7]等利用數值模擬方法分析了注漿壓力對隧道盾構施工沉降的影響規律。文獻[8]認為盾尾應力釋放引起的收斂變形是控制地表沉降的關鍵因素,而在彈性變形范圍內,適當地增大注漿壓力可以有效地減少地表沉降。但以上研究只是定性說明控制注漿壓力和注漿量的重要性,本文主要從盾尾注漿參數角度來分析盾構參數對地表沉降的影響,并為實際工程提供具體的建議。

1 工程背景

武漢市某長江越江隧道為武漢市重點工程,是武漢市重要的過江通道,其地理位置如圖1所示。隧道左、右線均采用直徑為11.37 m的泥水盾構機施工,一次性長距離掘進3.1 km。該工程地下水豐富,主要為孔隙潛水,水位高且具有承壓特征,江底段盾構隧道施工水土壓力高達0.6 MPa。在這樣復雜的富水地質條件下,施工難度大,風險性高。

圖1 武漢某越江隧道平面布置圖

隧道頂部埋深為9.7 m,底部埋深為21 m,所在場地土層自上而下依次為雜填土、粉土、黏土、淤泥質土、粉質黏土、粉質黏土、粉土、粉砂互層、粉細砂。土的各類參數見表1。

2 盾構區間注漿參數數值模型

本文以地表沉降為監測指標,建立注漿參數數值模型。計算時其他參數不變,僅改變注漿壓力和注漿量的大小。計算模型長63.0 m、寬35.9 m、高20.0 m,開挖模型上邊界至地面,隧道距下邊界和左右邊界的距離均為隧道半徑的6倍。模型中設置的參數均參考越江區段的實際地質參數。計算模型見圖2。在進行數值模擬時對該模型進行了簡化處理,并未考慮地下水的作用,且初始應力僅考慮了自重應力,結構土體采取實體單元,隧道襯砌采用殼單元。

表1 土層物理力學參數表

圖2 計算模型

盾尾注漿過程中,注漿壓力與應力釋放率成反比例線性關系。當注漿壓力為允許注漿壓力的100%時,應力釋放率為0%。在研究注漿壓力試驗時,保證其他參數不變,分析注漿壓力為允許注漿壓力的0%、50%、75%和100%時的地表沉降變化規律。在盾尾注漿過程中,漿液與土體之間相互滲透,并在空隙內形成一層復雜的過渡圈層。前人將過渡圈層概化為等代層的概念。本文以等代層的厚度來衡量注漿過程中注漿量的大小,在保證其他參數不變時,分析等代層厚度為10 cm、20 cm、30 cm及40 cm時地表沉降的變化規律。

3 模擬與實測數據對比

模型采用越江段隧道實際工程地質參數,建立盾構開挖模型(地質參數、尺寸、地質條件等與前文所建模型相同),以實際盾構工程中設置的注漿壓應力的50%和等代層厚度35 mm進行數值模擬。觀測地表橫向和縱向沉降,將數值模擬得到的數據與實際工程監測數據對比,從而驗證該方法的科學性與準確性。

模擬段隧道為左右雙線,長度為20 m,每步開挖1.5 m,先開挖左線10環,再開挖右線10環,利用FLAC3D軟件后處理功能,分別提取左、右線的第1環、第5環和第10環這6個關鍵截面開挖時的地表沉降數據(如圖3和圖4所示)。圖中所對應的計算值分別為選取開挖10環之后,兩拱頂中間截面的縱向地表沉降值和中挖面Y=7.5 m處橫向地表沉降值;監測值為對應的地表監測片段中DK14+792處的數據。

圖3 模擬段地表縱向沉降曲線監測值與計算值

圖4 模擬段地表橫向沉降曲線監測值與計算值

從圖3可以看出,監測值與模擬值的沉降趨勢基本相同,均為一端較大,逐漸向另外一端遞減。最大沉降監測值為56.1 mm，與最大沉降計算值53 mm較為接近。同時,最小沉降監測值為29 mm,也與最小沉降計算值21 mm差距較小。從圖4來看,整個曲線符合正態分布,隧道正上方的地表沉降最大。此處最大沉降監測值43 mm與最大沉降計算值46 mm比較吻合。縱向沉降和橫向沉降曲線的監測結果均與計算結果比較吻合。

4 注漿參數數值分析

4.1 注漿壓力對地表沉降影響分析

4.1.1 應力釋放率數值模擬

盾構開挖時,從力學角度看等效于除去了開挖部分的土體應力,破壞了原來整個土體的應力結構。往襯砌后面注入一定壓力的漿液之后,相當于恢復了土體一部分應力。而原有土體應力與注漿應力之間差值就是土體的應力釋放。本研究分析了盾尾注漿應力釋放率為0%、50%、75%和100%時的地表沉降變化規律。相應的應力釋放沉降云圖如圖5～圖8所示。

圖5 應力釋放0%沉降云圖

圖6 應力釋放50%沉降云圖

圖7 應力釋放75%沉降云圖

圖8 應力釋放100%沉降云圖

觀察云圖顏色可直觀分析隧道開挖所引起的地表沉降規律,并且能準確判斷出土體發生最大沉降的位置,以及整個土體沉降分布情況。

分析4上述種應力釋放工況下的沉降云圖可以看出：①盾構開挖會引起隧道上部土體沉降,且越靠近隧道部分沉降越大,在拱頂處達到最大。②在隧道下部的土體會發生一定的隆起,且在隧道底部隆起值最大,并向兩邊擴散；注漿壓力的改變對地表隆起值基本無明顯影響；最大隆起值基本穩定在12 mm左右。③相對上部土體沉降而言,應力釋放率在0%到75%緩慢增加時,地表最大沉降值在60 mm到70 mm之間且緩慢增加,應力釋放繼續增大到100%時,地表沉降迅速增大至130 mm左右。在實際工程中應避免注漿壓力過小的情況發生。

4.1.2 應力釋放率數值模擬數據綜合分析

為了能更科學地分析注漿應力對地表沉降變化規律,本文對地表橫向和縱向沉降值的變化進行分析。整個模擬均是左右線開挖10環,左線開挖完成后再開挖右線,每步開挖1.5 m。在分析地表橫向沉降變化時,選取第1環的中間截面(Y=0.75 m)為開挖端和第10環的中間截面(Y=14.25 m)為終挖端,提取兩個截面在不同注漿壓力下的地表沉降值(如圖9和圖10所示)，并在分析縱向沉降時提取整個盾構過程中的地表沉降值(如圖11所示)。

圖9 不同應力釋放率的開挖端(Y=0.75 m)地表橫向沉降曲線圖

圖10 不同應力釋放率的終挖端(Y=14.25 m)地表橫向沉降曲線圖

圖11 不同應力釋放的地表縱向沉降曲線圖

分析圖9和10可以看出,4條曲線基本符合沉降槽的正態分布規律。在圖9中,應力釋放率100%時地表的最大沉降值達到130 mm左右。這可能是由于應力釋放率增大,盾構對周邊土體的擾動就相應的增大,從而引起地表較大沉降。而從圖10可以看出,同樣是在應力釋放率100%時，在隧道的中間位置沉降達到最大,但此時沉降值與開挖端相比變化不大,僅為125 mm左右。

從圖11分析可以看出,應力釋放率控制在75%以內時,隨著應力釋放率的增加,地表沉降值均勻增加；而當應力完全釋放時,整個盾構施工過程中地表沉降急劇增加,其最大沉降值達到125 mm左右。同時,隨著盾機向前開挖,盾機后方的地表沉降區域在逐漸增大,最后逐漸趨于穩定。而在盾機的前方出現了相對較小的沉降，這主要是因為盾構向前開挖過程中會對前方的土體造成擾動而引起的。

綜合分析不同注漿壓力下的地表橫向和縱向沉降變化曲線，可以得出下面結論：①注漿壓力大小與地表沉降有直接關系。在一定范圍內,盾尾注漿壓力越大,盾構機開挖過程中對周圍土體帶來的擾動就越小,從而相應的減小了地表沉降。②應力釋放率控制在75%以內時,隨著應力釋放率逐漸增大,地表沉降均勻增加；但應力完全釋放時,會導致沉降急劇增加,工程中應避免這種情況。

因此,為保證地表沉降值和地表隆起值都在較低的范圍,在實際工程中,建議注漿壓力控制在50%左右比較合適。

4.2 注漿量對地表沉降影響分析

4.2.1 等代層數值模擬

盾構施工過程中,土體將向盾構空隙移動,為避免周圍土層發生過大移動,需向盾尾空隙內注漿。由于注漿時漿體和周邊土體之間存在一個相互滲透的過程,漿體在空隙內形成一層復雜的過渡圈層,所以衡量注漿厚度也就是衡量漿液和土體的混合層厚度。前人研究中將過渡圈層稱為等代層,本文用等代層厚度的變化來模擬注漿量的變化。FALC3D軟件數值模擬時所需考慮的等代層參數主要包括等代層厚度、等代層彈性模量和泊松比。由于彈性模量和泊松比的變化很小，因此,僅需單獨對等代層的厚度進行模擬。為分析注漿量的變化對地表橫向沉降和縱向沉降的影響,本研究模擬了等代層厚度分別為10 cm、20 cm、30 cm及40 cm四種情況下的盾構施工過程,相應的地表沉降云圖如圖12—圖15所示。

圖12 等代層厚度為10 cm時地表豎向沉降云圖

圖13 等代層厚度為20 cm時地表豎向沉降云圖

圖14 等代層厚度為30 cm時地表豎向沉降云圖

圖15 等代層厚度為40 cm時地表豎向沉降云圖

觀察云圖顏色可以直觀分析隧道開挖所引起的地表沉降規律,并能準確判斷出土體發生最大沉降的位置及整個土體沉降分布情況。從圖12—圖15可以看出,盾構開挖會引起隧道上部土體沉降。沉降值在隧道頂部達到最大,之后逐步減小,且沉降值隨等代層厚度的增加而減小。而隧道下部土體有一定的隆起,隆起值在隧道的底部達到最大值,然后向四周呈現出減小趨勢。從橫向看,兩隧道沉降量自中間向兩邊逐漸減小,到一定距離后,基本無明顯沉降；從縱向看,未開挖段與開挖段相比,其沉降值明顯較小。

4.2.2 等代層數值模擬數據綜合分析

為了更科學地分析不同注漿量下地表變化規律,本文從橫向沉降和縱向沉降二個方面進行分析。在分析地表橫向沉降時,每隔4.5 m提取從開挖端(Y=0.75 m)到終挖端(Y=14.25 m)共計4個關鍵截面處的地表沉降值,如圖16—圖19所示。

圖16 不同厚度等代層在Y=0.75 m處地表橫向沉降曲線圖

在分析縱向地表沉降時,主要提取不同等代層下,隧道中心正上方的地表沉降曲線(如圖20所示)。

圖17 不同厚度等代層在Y=5.25 m處地表橫向沉降曲線圖

圖18 不同厚度等代層在Y=9.75 m處地橫向表沉降曲線圖

圖19 不同厚度的等代層在Y=14.25 m處地表橫向沉降曲線圖

圖20 不同等代層厚度下隧道縱向地表橫向沉降曲線圖

通過4條曲線對比可以看出,每條曲線均符合中間大兩邊小的正態分布。在同一厚度的等代層下,距離盾構機越遠,地表沉降越大。隨著等代層增加,其盾構過程中縱向沉降值越趨平穩。在相同位置處,地表沉降值隨著等代層厚度的增加而減小。

由圖20可以看出,在同一厚度等代層下,隨著盾構機不斷向前開挖,會出現后方沉降增大的現象。經過一段時間后,沉降值逐漸趨于平穩,而在盾機前方有相對較小的沉降。這主要由于隧道開挖會對前方土體有擾動。

結合圖16—圖20,可以得出如下結論:注漿量的大小能直接影響地表沉降；在一定的范圍內,注漿量越大,地表沉降越小；但注漿量也不能過大,以免加大周圍土體的擾動,使土體產生劈裂。隨著注漿量均勻增加,地表沉降也相應均勻減小;為避免地表沉降值或隆起值都過大,建議在實際工程中將等代層的厚度控制在30 cm左右較為合適。

5 結論

本文以武漢某長江越江隧道盾構施工為工程背景,利用FLAC3D軟件建立地鐵區間盾尾注漿數值模擬,并且將數值模擬結果與實際工程監測數據作對比,分析盾尾注漿過程中注漿壓力與注漿量對地表沉降的影響。針對土質疏松、富水充足的地質條件,可得出以下結論:

(1) 盾尾注漿過程中,影響地表沉降的盾尾注漿參數主要是注漿壓力和注漿量。合理地控制盾尾注漿參數能夠有效地減小地表沉降。

(2) 針對本工程土質疏松的地質條件,盾尾注漿壓力的大小直接影響地表沉降。當注漿壓力控制在原土體壓力的25%～100%時,地表沉降值隨注漿壓力減小而增大;當注漿壓力在原土體壓力的25%以內時,減小注漿壓力將急劇增大地表沉降。因此,為同時保證控制地表的沉降值和隆起值都在一個合適的范圍,建議將注漿壓力控制在50%左右較為合適。

(3) 增大注漿量可減小地表沉降。盾構施工過程中,注漿量越多,盾尾間隙越容易被填充,對應的地表沉降就越小。地表橫向和縱向沉降值隨等代層厚度的均勻增加而均勻減小,超過一定范圍后,繼續增大等代層厚度,容易引起土體產生較大隆起。因此,在實際工程中,為避免地表的沉降值或隆起值過大,建議將等代層厚度控制在30 cm左右較為合適。

(方偉立為本文通訊作者)

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Impact of Shield Synchronous Grouting over Rail Transit Ground Subsidence

WU Xianguo, JIANG Zhou, FANG Weili, ZHANG Limao, CHEN Yueqing, ZHANG Wei

Based on the shield tunnlling on Wuhan rail transit Line 2 which crosses under the Yangtze River, the ground subsidence influenced by the parametors of shield tail grouting is analyzed by using FLAC3D. The result shows that the numerical simulation data is in agreement with the practicaly monitored data, which verifies the correctness of the simulation. The result also demonstrates that the grouting pressure and grouting volume could influence the parameters of shield tail grouting, therefore, reasonable control of shield tail grouting parameters could effectively reduce the ground subsidence. Within a certain scope, the ground subsidence will decrease linearly with shield tail grouting pressure decreasing, and higher growing grouting pressure will cause the surface uplift. So in order to reduce the value of surface subsidence and uplift simultaneously, the grouting pressure should be controlled by 50% of the ground stress. To reduce the ground subsidence and uplift simultaneously, the equivalent layer thickness should be control within 30 cm.

shield construction; synchronous grouting; ground subsidence; stresss release; equivalent layer; numerical simulation

*國家自然科學基金項目(51378235);湖北省自然科學基金項目(2014CFA117)

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.06.021

2015-05-04)