壁后注漿對盾構管片及地表變形的影響分析

沈 晨，席培勝，方 潔

（安徽建筑大學 安徽省城市建設和地下空間工程技術研究中心，安徽 合肥 230601）

隨著地鐵建設的持續發展，城市地下空間的開發和利用規模不斷擴大，地下空間的利用也有效解決了城市人口密度不斷增長帶來的地面空間緊張問題，同時也是促進城市發展、加強環境保護的有效措施[1].其中盾構隧道施工已成為城市地下工程施工的主要方法，發揮的作用也越來越重要.但盾構施工過程在一定程度上控制著地表沉降大小及其分布[2].國內外大量研究學者針對施工對土體擾動產生變形這一問題進行了一系列研究[3-6]，但無論盾構技術如何發展改進，都不可避免地存在著由于盾構施工而產生的沉降變形等一系列問題[7-8].而且地表沉降過大還會危及周圍建筑物安全，引發一些巖土工程問題[9].且施工過程中因為一些施工技術問題對管片的變形也會產生影響，變形過大時對隧道結構的承載有一定的不利影響[10].因此，研究盾構施工對管片及地表變形很有必要.

以合肥地鐵2號線長江西路段區間盾構施工為工程背景，運用有限元軟件MIDAS(GTS)進行模擬盾構開挖全過程，模擬過程中注意控制同步注漿，根據模擬結果對由施工產生的管片和地表變形進行了分析.

1 工程概況

合肥地鐵2號線長江西路段區間隧道采用盾構法施工，隧道直徑6.28m，拱頂埋深約11.1～28.6m.本文以2號線長江西路段隧道左線60m長度某一區段進行研究.該區段的土層按土體巖性特性由上至下依次為人工填土、黏土、全風化泥質砂巖、強風化泥質砂巖、中等風化泥質砂巖，本段隧道通過的是中等風化泥質砂巖.地下水主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水.人工填土中主要富含的是第四系孔隙水，以上層滯水為主，黏土層在區間分布較廣泛，總的厚度較大，埋深較淺，成層性較好，含水量較小，黏性土透水性和富水性均較弱.巖石強、中等風化帶中富含的主要是基巖裂隙水.基巖的含水性、透水性受巖體的結構、構造、裂隙發育程度等的控制，由于巖體的各向異性，加之局部巖體破碎、節理裂隙發育，導致巖體富水程度與滲透性也不相同.巖體的節理、裂隙發育地帶，地下水相對富集，透水性也相對較好.段內主要為泥質砂巖，富水性及透水性均較弱，基巖裂隙水總體貧乏，段內地下水總體不發育.合肥地區地質土層因其區域性特征的特點，施工難度也由此增加.

2 數值模擬

2.1 模型建立

建立計算模型時不考慮已有隧道對計算結果的影響，因此只模擬隧道左線施工.模型中圍巖采用各向同性模型，服從彈塑性本構關系，采用修正Mohr-Coulomb準則.計算模型巖土體橫向尺寸取45m，豎向厚度取為35m，隧道軸線方向即盾構機掘進方向尺寸為60m.模型網格共劃分為24895個單元，131154個節點，總體見圖1.盾構隧道內開挖土體直徑與管片內徑相等為5.4m，管片外徑為6m，厚度300mm，注漿體厚度140mm，具體見圖2.管片和注漿體均為各向同性彈性體.邊界條件：上邊界是地表，為自由邊；兩側面為了限制水平移動施加一定的水平約束；底面為了限制其垂直和水平移動施加一定的垂直約束.

圖1 計算模型

圖2 管片襯砌及注漿體單元

2.2 參數的選定

根據實際工程地質勘測的地層從上至下的分布情況，將土層歸并分為力學性質不同的5層巖土體，盾構管片襯砌按C50混凝土的材料參數來選取.C50混凝土的彈性模量為35.5GPa，具體參數見表1.

2.3 模擬開挖過程

采用有限元MIDAS軟件模擬隧道開挖施工過程，定義施工階段組時通過分次激活和鈍化單元體來控制盾構隧道掘進的過程，管片拼裝過程以及同步注漿.為簡化整個計算結果，模擬開挖時，模型取一步開挖兩環管片襯砌的長度，即每步開挖3m，一共開挖40步.施工中，把具有流動性質的漿體注入盾尾間隙，同時給管片施加一定的注漿壓力，模擬過程中直接給管片施加均勻分布的注漿壓力.以此來計算管片和地表的變形.

表1 材料基本物理力學參數

3 成果分析

3.1 管片位移

在考慮了注漿壓力作用的條件下，對管片位移進行分析.管片的豎向位移云圖見圖3，變形圖見圖4.隨著盾構掘進，第一環管片拱頂和拱底某一固定點處管片的豎向位移曲線圖見圖5.

圖3 管片豎向位移云圖

圖4 管片豎向位移變形圖

圖5 管片拱頂、拱底固定點豎向位移曲線

由圖3可以看出，管片在施工開始階段產生了較大的豎向位移，發生在拱頂位置.隨著盾構隧道的掘進，管片豎向位移逐漸減小，最小值約為2.2mm左右，發生在管片底部.管片位移從開挖起始到開挖結束逐漸減小，其原因是周圍土體變形逐漸穩定而且注漿體的變形也逐步開始穩定，對管片變形的影響減小.管片襯砌的變形圖為圖4，通過此圖可以看到掘進至5～15m區段內，管片出現較大的上浮，主要由于漿體的流動性使管片所受約束較小，變形增大.通過管片位移曲線圖可知，隨著開挖的進行，拱頂和拱底處的位移先開始增大，隨后趨于穩定，說明開挖距離選取點較遠時，對管片變形的影響逐漸減小.

3.2 地表位移

隨著隧道開挖的進行，地面沉降大小和分布在一定程度上都會受到影響.地表沉降的原因有多種，基本的為施工期間盾構機向前掘進而引起的地層損失.此次模擬的地表沉降結果見圖6-圖9及表2.圖6至圖9為位移云圖，統一取Y=0斷面.

圖6 掘進15m時的位移云圖

圖7 掘進30m時的位移云圖

圖8 掘進45m時的位移云圖

圖9 掘進57m時的位移云圖

表2 隧道開挖引起的地表沉隆變形

由圖6-圖9可知，隨著開挖深度越深，地表的位移越來越大，然后逐漸穩定.由表2可知拱底處的最大隆起變形先增大再逐漸減小而后趨于穩定，最大隆起值在9mm左右，拱頂處的最大下沉變形逐漸增加而后趨于穩定，最大下沉值在21mm左右.且在開挖一定深度內沉降較大.豎向地表位移呈現此變化是由于土體開挖卸載之后上部土體對拱頂，下部土體對拱底的土壓力作用，使地表發生沉隆變形.此次模擬結果符合工程實際，因此可以提供一些參考.

4 結語

由此次模擬計算結果可以得出以下結論：

（1）注漿技術對管片變形有一定的影響，注漿時的壓力不定會使管片出現上浮現象，因此施工時要控制同步注漿來降低管片的變形量.

（2）盾構施工對地表豎向位移的影響有隆起和下沉，一般隆起發生在拱底，下沉發生在拱頂，本次模擬結果表明，隆起最大變形為9.44mm，下沉最大變形為-21.72mm，即拱頂下沉變形值比隆起值要大，且最大變形發生在上部土體.

（3）地表產生沉隆變形的主要原因是盾構前進過程中應力的釋放和失土以及對土體施加的頂推力的作用.因此，可以從工程措施方面考慮來降低地表變形.