土倉壓力及注漿壓力對深埋盾構施工影響分析

張家齊

(華北水利水電大學地球科學與工程學院，河南鄭州 450046)

盾構是暗挖法修建隧道的大型綜合性工具，有施工快速、安全、對周圍環境影響小等優點，同時也會因施工過程不當造成事故。影響施工時隧道穩定性的因素有很多，其中施工所采用的土倉壓力以及注漿壓力對工程的安全性有著重要影響。通過選取不同的土倉壓力及注漿壓力，對施工過程進行數值模擬，為超大直徑深埋隧道工程的土倉壓力及注漿壓力取值提供參考［1-8］。

1 工程概況

本節依托某盾構隧道。隧道外徑15.2 m，管片厚度0.65 m，隧道拱頂距離地表35 m。模型Y軸負方向為重力方向，Z軸負方向為隧道開挖方向。沿線地基土主要由粘質粉土，粉質粘土和輝長巖組成。處理深度內地基土層自上而下為:①粘質粉土，厚約20 m;②粉質粘土，可塑，厚約34 m;③輝長巖，厚約11.4 m。土層具體計算參數見表1，其中壓縮模量由室內實驗獲得。工況選取準則:通過普通盾構隧道的經驗，對注漿壓力及土倉壓力取值，不斷增大至數值模擬過程無法收斂。土倉壓力及注漿壓力取值如表2所示。

2 數值模擬

2.1 建立模型

模型采用D-P模型計算，考慮到模型邊界的影響，取左右邊界為盾構隧道外徑的3倍，下邊界為隧道外徑的1倍，即隧道水平方向計算范圍為106.4 m，下邊界為15.2 m，豎向總高度65.4 m，隧道模擬掘進方向長50 m。施加的邊界條件為:X方向左右兩側的約束，Z方向前后面方向的約束，Y方向下邊界的約束，Y方向上邊界為自由面。計算模型如圖1所示。

表1 不同壓力段下的土層參數

表2 土倉壓力及注漿壓力取值 MPa

圖1 隧道模型示意圖

2.2 結果處理

圖2 ～圖4分別為6個工況對應的云圖，圖5～圖7為結果對比圖。

圖2 工況1~工況6地層位移云圖

圖3 工況1~工況6地表位移云圖

如圖2所示，從隧道開挖到隧道貫通的過程中，工況1～工況6條件下拱頂所產生的最大下沉量分別為10.5 cm，7.2 cm，5.7 cm，10.8 cm，6.6 cm，4.4 cm，拱底最大上隆量分別為4.2 cm，2.6 cm，2.5 cm，4.1 cm，2.5 cm，2.5 cm。

如圖3所示，工況1～工況6條件下地表最大沉降量分別為4.0 cm，2.8 cm，2.2 cm，4.4 cm，3.2 cm，2.28 cm，最大上隆量分別為 0.02 cm，0.3 cm，0.54 cm，0.22 cm，0.49 cm，0.75 cm。

如圖4所示，工況1～工況6條件下管片襯砌最大等效應力分別為 23.2 MPa，19.9 MPa，17.1 MPa，23.2 MPa，19.1 MPa，19.1MPa，最小等效應力分別為 0.9 MPa，1.2 MPa，1.67 MPa，0.83 MPa，0.72 MPa，1.48 MPa。

3 結果分析

圖4 工況1~工況6管片Mises等效應力云圖

圖5 拱頂及拱底位移對比

圖6 地表位移對比

圖7 管片襯砌受力對比

通過云圖以及對比圖可以看出:1)注漿壓力的增大大幅度的影響了隧道拱頂和拱底的下沉以及上隆，相比之下，土倉壓力的增加影響程度相當的小;2)與隧道沉降相同，隨著盾構機的推進，注漿壓力的增加也大幅度的降低了開挖過程中地表產生的最大下沉，同時略微的增加了地表產生的最大上隆，而土倉壓力的增大，則使得地表產生的最大下沉和最大上隆值都有一定程度的增加;3)管片襯砌方面，注漿壓力的增大降低了管片所受最大應力，管片所受最小應力增加，土倉壓力的增大對于管片襯砌的受力影響程度很小，尤其是注漿壓力數值較小時，基本沒有變化，而隨著注漿壓力的增大，管片所受最小應力會有一定幅度的減小，所受最大應力會有一定幅度的增大。最終可以得出土倉壓力0.6 MPa，注漿壓力為0.9 MPa，是適合此工程的工況取值。

4 結語

對于超大直徑深埋盾構隧道，采用通常的土倉壓力及注漿壓力顯然是不可取的，應根據實際工程，通過監控量測適當增大土倉壓力和注漿壓力，避免出現重大事故。此外，管片襯砌也要根據應力變化選擇合適的材料，達到安全和成本的共贏。