三面圍合盾構隧道底板注漿對地下通道結構的影響

傳琦

（四川大學錦城學院，成都 611731；中國市政工程西南設計研究總院有限公司，成都 610081）

0 引言

城市化發展進程的加速使得人們更加重視城市地下空間的開發與利用，推動盾構隧道施工項目的數量大幅增加。盾構隧道底板注漿對地下通道底板結構的影響規律具有極高的現實價值。

1 隧道項目的選擇

在本次研究中，主要選擇了某地區地鐵線路中兩站地之間的盾構隧道工程進行分析。該地區為典型的軟黏土地質區域，具體的土層參數有：黏聚力達到16kPa；壓縮模量為3.14MPa；內摩擦角為14.5°；靜止土壓力系數為0.6。在進行施工變形計算時，使用的參數有：掌子面附加推力穩定在30kPa；盾尾注漿壓力控制在278kPa。

在該盾構隧道的施工中，使用的混凝土型號為C35（地下道路結構施工，彈性模量為3.15e4MPa）、C50（隧道管片結構施工，彈性模量為3.45e4MPa）；注漿的彈性模量控制在1e3MPa。施工中，在地下道路的縱向方向以每間隔3米設定兩個注漿孔的頻率完成注漿孔位置與數量控制，且均設于中隔墻兩側。在本次研究中，主要目標在于計算底板注漿對道路結構變形所產生的影響，選擇的分析整體結構為掌子面后方30 米范圍內的地下道路。

2 注漿壓力的計算

結合項目施工現場中實際測得的數據可以得出，在土體損失率穩定在千分之一與千分之十的范圍內時，地下道路底板脫空寬度不高于1.5 米，且底板彎矩的增加量也相對較小。總體來說，在這樣的情況下，底板脫空現象的發生不會對地下道路結構產生較大的影響，所以底板注漿的作用并未得到明顯的體現。而在土體損失率增大（千分之十五）的條件下，底板注漿對地下道路結構產生的影響更大，研究也更有意義[1]。

對于底板注漿來說，其主要目的在于實現底板與下方脫空區域的填充，保證底板能夠承受更多的負荷。但是，若是注漿的壓力過大，則會引發盾構隧道結構以及底板產生新的變形。所以，必須要提前實現底板注漿壓力上限值的確定[2]。有關行業規定要求，必須將地下鋼筋混凝土結構的最大裂縫寬度控制在0.2 毫米以下，其與結構的最大裂縫寬度需控制在0.3 毫米以下。結合地下道路的配筋情況以及底板的截面尺寸，可以獲取底板的極限承受力彎矩、混凝土開裂彎矩、裂縫寬度發展至0.2 毫米/0.3 毫米時的彎矩。在本次研究中，得到的結果如下：在底板注漿壓力穩定在216kPa 時（1.2 倍底板深處土體的自重應力），底板的最大彎矩正好低于裂縫寬度發展至0.2 毫米時的控制彎矩，且地下道路的頂板彎矩的也未超過裂縫寬度發展至0.2 毫米時的控制彎矩。同時，出于富余量的考量，在本次施工中將底板下注漿壓力穩定在180kPa 以下（1 倍底板深處土體的自重應力）。

結合上文的分析可得，地下道路底板脫空度在0.8-1.5 米的范圍內。在本次研究中，取0.5 米、1 米以及1.5 米三個地下道路底板脫空度數據，以180kPa為注漿壓力，對注漿后的底板漿液壓力（底板下注漿壓力）進行計算。此時，其他所需參數的控制如下：底板下方土體空隙率穩定在0.2；漿液擴散厚度范圍內土體中的滲透系數取值為5×10-4m/s；漿液黏度與水的黏度比值為4；漿液注入率穩定在1.5。計算結果顯示，在注漿時間為30 分鐘、地下道路底板脫空度增大的情況下（注漿孔與中隔墻之間的距離越大），底板下注漿壓力的數值就越小，且漿液的擴散范圍更廣，整體顯示出更為均勻的注漿壓力分布。在地下道路底板脫空度取值為1.5 米時，漿液對底板產生的壓力分布更為均勻，且壓力值平均為180kPa。延長注漿時間至60 分鐘的條件下，底板下注漿壓力的均勻性變差，在中隔墻附近能夠觀察到明顯的壓力劇增情況。

總體來說，控制注漿時間為30 分鐘、將地下道路底板脫空度穩定在1.5米，能夠保證底板注漿對地下通道結構產生壓力的均勻分布；此時的注漿壓力分布在底板橫向±5 米的范圍內，所以幾乎不會對側墻產生壓力。要求在施工過程中，全面控制各項注漿參數，尤其是對于注漿時間、地下道路底板的脫空度方面，專業性的施工過程，必要時要持續性檢查該設施的各類施工參數，以提高整個系統的施工質量，另外也要監測注漿壓力的分布情況，當發現超出了壓力限制范圍時，需要及時調整該設備的運行方案。

3 結果分析

3.1 土體損失率為15‰時的結果分析

在土體損失率為千分之十五時，確定不同底板注漿壓力條件下的底板與地下道路頂板變形情況，結果表明：底板脫空問題的發生促使地下道路頂板在中隔墻附近所產生的變形降低，且在跨中附近可以觀察到更大的下沉變形，并使得底板變形下降；與之相反的是，受到底板注漿的影響，地下道路頂板在中隔墻附近所產生的變形增加，且在跨中附近可以觀察到較小的下沉變形，并使得底板變形升高，換言之，利用底板注漿，可以得到與底板脫空方向相反的板件附加變形。具體有：在注漿壓力為0 時，頂板的附加變形比例為-43.08%、底板的附加變形比例為-40.81%；在注漿壓力為0.25 倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為-19.55%、底板的附加變形比例為-18.51%；在注漿壓力為0.5 倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為7.3%、底板的附加變形比例為6.98%；在注漿壓力為0.75 倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為30.04%、底板的附加變形比例為28.44%；在注漿壓力為1 倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為55.44%、底板的附加變形比例為52.49%。

此時，在注漿壓力值為0.5 倍的底板深處土體的自重應力的情況下，由于注漿操作所產生的附加變形與因底板脫空引發的附加變形可以基本抵消，促使板件的變性值基本回歸初始狀態。在注漿壓力值高于0.5 倍的底板深處土體的自重應力的情況下，由于注漿操作所產生的附加變形與因底板脫空引發的附加變形相互抵消，同時會促使板件在相反的方向產生新的附加變形[3]。

3.2 土體損失率為20‰時的結果分析

在土體損失率為千分之二十時，確定不同底板注漿壓力條件下的底板與地下道路頂板變形情況，結果表明：由底板脫空所引發的板件變形情況更加嚴重，需要注入更多的漿液，所以底板注漿對結構（板件變形）的影響也有所增加。具體有：在注漿壓力為0 時，頂板的附加變形比例為-100.86%、底板的附加變形比例為-95.38%；在注漿壓力為0.25倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為-42.5%、底板的附加變形比例為-40.22%；在注漿壓力為0.5 倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為13.42%、底板的附加變形比例為12.67%；在注漿壓力為0.75倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為67.5%、底板的附加變形比例為63.83%；在注漿壓力為1 倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為125.48%、底板的附加變形比例為118.64%。

總體來看，在土體損失率升至20‰時，底板注漿與底板脫空對板件的影響基本相同，且影響效應有所增大；此時，底板注漿與底板脫空不僅影響了中隔板附近的板件，對其他位置的板件也產生一定影響；在施工過程中，通過對整個工程系統土體損失率、底板注漿工作要求、其他各類板件的調整，降低注漿壓力對底板造成的影響。

4 總結

綜上所述，處于對安全性與隧道整體質量的考量，需控制底板注漿壓力分布低于1 倍底板深處土體的自重應力；底板注漿會產生與底板脫空方向相反的附加變形，在注漿壓力值為0.5 倍的底板深處土體的自重應力的情況下，兩種附加變形基本抵消；在土體損失率增高時，底板注漿對地下結構的影響更大。