壁后注漿對盾構(gòu)隧道管片及地表變形的影響分析

秦 榛

（合肥市軌道交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，安徽合肥230001）

0 引 言

隨著地鐵建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，城市地下建設(shè)規(guī)模越來越大，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(shí)也是促進(jìn)城市發(fā)展、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的有效措施［1］。其中盾構(gòu)隧道施工已成為城市地下工程施工的主要方法，發(fā)揮的作用也越來越重要。但盾構(gòu)施工過程在一定程度上影響著地表沉降大小及其分布［2］。國內(nèi)外大量研究學(xué)者就施工對土體擾動產(chǎn)生變形這一問題進(jìn)行了一系列研究［3-6］，但無論盾構(gòu)技術(shù)如何發(fā)展改進(jìn)，都不可避免地存在著由于盾構(gòu)施工而產(chǎn)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(fā)一些巖土工程問題［9］。且施工過程中一些施工技術(shù)問題對管片的變形也會產(chǎn)生影響，變形過大時(shí)對隧道結(jié)構(gòu)的承載有一定的不利影響［10］。因此，研究盾構(gòu)施工對管片及地表變形很有必要。

本文以合肥地鐵2號線長江西路段區(qū)間盾構(gòu)施工為工程背景，運(yùn)用有限元軟件MIDAS（GTS）進(jìn)行模擬盾構(gòu)開挖全過程，模擬過程中注意控制同步注漿，根據(jù)地表沉降和管片變形調(diào)整注漿壓力。

1 工程概況

合肥地鐵2號線長江西路段區(qū)間隧道直徑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(qū)段進(jìn)行研究。該區(qū)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(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，本段隧道通過的是中等風(fēng)化泥質(zhì)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(qū)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。全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖中富含基巖裂隙水。泥質(zhì)砂巖透水性與基巖裂隙發(fā)育程度等因素成正相關(guān)關(guān)系，巖體愈破碎、裂隙愈發(fā)育基巖的富水性與滲透性也愈強(qiáng)。隧道施工區(qū)域內(nèi)基巖較完整，其富水性較弱、透水性較差，地下水總體不發(fā)育。合肥地區(qū)地質(zhì)土層因其區(qū)域性特征的特點(diǎn)，施工難度也由此增加。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

建立計(jì)算模型時(shí)不考慮已有隧道對計(jì)算結(jié)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(gòu)關(guān)系，采用修正Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。計(jì)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(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向尺寸為60m。模型網(wǎng)格共劃分為24895個(gè)單元，131154個(gè)節(jié)點(diǎn)，總體如圖1所示。盾構(gòu)隧道內(nèi)開挖土體直徑與管片內(nèi)徑相等為5.4m，管片外徑為6m，厚度300mm，注漿壓力0.25MPa，注漿體厚度140mm（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(cè)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(jì)算模型圖

圖2 管片襯砌及注漿體單元

2.2 參數(shù)的選定

根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)勘測的地層從上至下的分布情況，將土層歸并分為力學(xué)性質(zhì)不同的5層巖土體，盾構(gòu)管片襯砌按C50混凝土的材料參數(shù)來選取。C50混凝土的彈性模量為35.5GPa，具體參數(shù)如表1所示。

表1 材料基本物理力學(xué)參數(shù)

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(shí)通過分次激活和鈍化單元體來控制盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的過程、管片拼裝過程以及同步注漿。為簡化整個(gè)計(jì)算結(jié)果，模擬開挖時(shí)，模型取一步開挖兩環(huán)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(zhì)的漿體注入盾尾間隙，同時(shí)給管片施加0.25MPa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(jì)算管片和地表的變形。

3 成果分析

3.1 管片位移

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(diǎn)豎向位移曲線

在考慮了注漿壓力作用的條件下，對管片位移進(jìn)行分析。管片的豎向位移云圖如圖3所示，變形圖如圖4所示。隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，第一環(huán)管片拱頂和拱底某一固定點(diǎn)處管片的豎向位移曲線圖如圖5所示。

由圖3可以看出，管片在施工開始階段產(chǎn)生了較大的豎向位移，發(fā)生在拱頂位置。隨著盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)，管片豎向位移逐漸減小，最小值約為2.2mm左右，發(fā)生在管片底部。管片位移從開挖起始到開挖結(jié)束逐漸減小，其原因是由于周圍土體變形逐漸穩(wěn)定而且注漿體的變形也逐步開始穩(wěn)定，對管片變形的影響減小。通過管片襯砌的變形圖圖4可以看到掘進(jìn)至5～15m區(qū)段內(nèi)，管片出現(xiàn)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圖5可知，隨著開挖的進(jìn)行，拱頂和拱底處的位移先開始增大，隨后趨于穩(wěn)定，說明開挖距離選取點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，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(jìn)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(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)而引起的地層損失。此次模擬的地表沉降結(jié)果如圖6至圖9及表2所示。圖6至圖9為位移云圖，統(tǒng)一取Y=0斷面。

表2 隧道開挖引起的地表沉隆變形

圖6 掘進(jìn) 15 m 時(shí)的位移云圖

圖7 掘進(jìn) 30 m 時(shí)的位移云圖

圖8 掘進(jìn) 45 m 時(shí)的位移云圖

圖9 掘進(jìn) 57 m 時(shí)的位移云圖

由圖 6 至圖 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(wěn)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(wěn)定，最大隆起值約 9 mm，拱頂處的最大下沉變形逐漸增加而后趨于穩(wěn)定，最大下沉值約 21 mm。且在開挖一定深度內(nèi)沉降較大。豎向地表位移呈現(xiàn)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(fā)生沉隆變形。此次模擬結(jié)果符合工程實(shí)際，因此可以提供一些參考。

4 結(jié) 論

由此次模擬計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

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

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

3）地表產(chǎn)生沉隆變形的主要原因是盾構(gòu)前進(jìn)過程中應(yīng)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。

4）0.25 MPa 的注漿壓力，對周邊環(huán)境和管片變形影響均控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，可作為施工初始控制注漿壓力。