地面深孔注漿范圍對盾構地鐵隧道開挖的影響研究

吳 冬，張 乾

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

在城市中修建地鐵時，出于方便乘客使用的目的，其線路多沿人口密集區進行敷設。而人口密集區一般高樓林立，地下管線密集，當地鐵盾構在地下穿行時，稍不注意，其引起的地面沉降就會對周邊建筑的安全造成威脅。為了降低地面沉降帶來的風險，常使用地面深孔注漿方式對土體進行加固。在這種情況下，如何在保證安全的前提下，提高經濟效益，即研究出合理的注漿加固范圍，就變得極為有意義。

在注漿加固范圍方面，國內已經有一些學者做了相關研究。李璋[1]等針對西安地鐵9號線某區段橫通道風井施工中的注漿問題，采用二維有限元分析，探討了注漿加固范圍對地表沉降和側向位移的影響。崔蓬勃[2]等針對膨脹圍巖的施工問題，以秀山隧道為背景，研究了不同膨脹情況下最大的注漿加固范圍，并對相應的支護力學特性進行了闡述。張明偉[3]等針對馬蹄形深埋引水隧洞，利用數值分析方法，分析了不同注漿加固厚度情況下的圍巖松動壓力和邊墻收斂值，得到了最佳的注漿加固厚度。王小林[4]針對西安地鐵某線穿越飽和軟黃土段，利用有限元數值模擬方式，研究了全斷面注漿下不同注漿半徑對圍巖豎向位移的影響，確定了合理的注漿范圍。許有俊[5]等以北京地鐵4號線某車站上穿既有地鐵隧道為背景，使用數值模擬方法，對既有隧道周圍土體的注漿加固范圍進行了研究，得到了合理的加固深度和高度。

已有的研究大多針對隧道開挖過程中的地面位移變化進行討論，且部分使用二維有限元進行計算。本文通過三維有限元對盾構地鐵隧道開挖過程中的土體及結構位移和支護力學特性變化進行分析，綜合得到更為全面的開挖變化規律。

1 淺埋隧道數值模擬

1.1 模型建立

利用FLAC3D有限差分軟件建立淺埋盾構地鐵隧道模型，其中隧道外徑為6 m，內徑為5.4 m，襯砌厚度為0.3 m。為盡量降低邊界對位移和應力求解的影響，設置隧道左右兩側土層寬度為兩倍隧道寬度，即各12 m。地表即模型頂部距離隧道頂部為6 m，底部距離隧道底端也為6 m。因研究對象不涉及縱向位移，為了方便計算，縱向設置為8 m，模型總體尺寸為30 m(長)×18 m(高)×8 m(寬)(圖1)。

圖1 有限元計算模型

因模型為淺埋隧道，所以初始應力場僅考慮自重應力場。邊界條件采用固定位移邊界，固定模型的左右、前后及下邊界位移，即x=-15m，x=15m，y=0m，y=8m，z=-9m五個面的位移。

1.2 計算參數及工況

計算時盾構隧道襯砌使用彈性本構，土層使用摩爾-庫倫本構。本文主要探討不同注漿深度下的開挖變化，因此不同工況的區別僅為地面深孔注漿層的厚度不同，各工況保證注漿寬度相同，注漿寬度范圍為模型的x坐標從-5～5 m。工況共分為5組，1組為不注漿開挖，2～5組為注漿開挖，注漿深度范圍為y=[4m,5m]，y=[4m,6m]，y=[4m,7m]，y=[4m,8m]。開挖工法為全斷面開挖，每次縱向開挖2 m，開挖后以Step命令控制應力釋放，然后安裝襯砌。土層，襯砌，注漿層的參數見表1。

1.3 監測點布置

為盡量避免開挖引起的邊界效應，選擇監測斷面位于模型縱向的中部，即y=4m處。在拱頂正上方地表處布置監測點，在此監測點左右兩側每2 m布置一個監測點，地表共計布

表1 計算參數

置11個監測點，監測地面沉降。同時在隧道的拱頂及拱底布置監測點監測拱頂下沉及仰拱抬升，在右拱腰處布置監測點監測收斂情況。

2 結果分析

2.1 深部土體沉降

五種工況下的土體最大沉降值分別為2.9 mm、1.39 mm、1.13 mm、1.09 mm、1.08 mm。對不同注漿深度下的土體沉降結果進行對比，可以發現隨著注漿深度的增加，土體的最大沉降值在不斷減小，從注漿深度為0 m時的2.9 mm下降到了注漿深度為4 m時的1.08 mm，下降比例超過50 %，說明注漿對降低土體沉降有著較為顯著的作用。但是將注漿的四組工況和無注漿工況進行對比，其沉降降低量分別為1.51 mm、1.77 mm、1.81 mm和1.82 mm，下降趨勢并不是特別顯著。特別是工況五與工況四相比，沉降僅降低了1 mm。這一點從圖2注漿深度為0 m、2 m、4 m時的土體沉降云圖也可以看出來。注漿深度為2 m時的土體沉降云圖相比無注漿時的云圖，有很大的變化。淺層土體的沉降相對較均勻，且同一位置沉降也得到了較好的控制。但注漿深度為4 m時的云圖和注漿深度為2 m時的云圖相比，呈現出大致相同的分布特征，說明注漿深度的增加對沉降控制的作用在逐漸降低。

圖2 注漿深度為0m、2m、4m時的土體沉降

2.2 監測點位移

將地表沉降、隧道位移變化情況繪制成圖，結果如圖3、圖4所示。

圖3 地表沉降分布

圖4 盾構隧道不同位置的位移變化

從注漿前后的地表沉降分布圖來看，注漿并未改變地表沉降的分布情況，地表沉降依舊服從越靠近隧道中線，其值越大的規律。但是從沉降分布曲線的分布規律來看，其呈現出和深部土體沉降分布情況相同的趨勢，即隨著注漿深度的增加，注漿對降低地表沉降的作用在逐漸降低。另外，隨著注漿深度的增加，可以看到，地表不均勻沉降的現象得到了顯著改善。

從隧道結構不同位置的位移變化情況來看，深孔注漿對抑制隧道拱頂沉降有較好的作用，但同樣表現出注漿深度越大，抑制作用越不明顯的趨勢。而對于邊墻和仰拱，地表注漿并未表現出較強的影響，由于拱頂沉降降低的影響，拱腰收斂略微加大。

2.3 支護結構受力

繪制不同工況下的支護結構最大主應力變化情況(圖5)。

圖5 支護結構最大主應力隨注漿深度變化情況

由支護結構的最大主應力變化情況可以看出，當注漿深度過大或者過小時，均不利于支護受力，存在一個合理的注漿深度，使得支護結構處于一個較好的受力狀態。

3 結論

通過對不同注漿深度下盾構隧道土體及結構位移和支護受力特性的分析，得到以下結論：

(1)地表深孔注漿對控制地表和拱頂沉降有較好的作用。

(2)當注漿深度過大時，注漿的作用開始變得不明顯，且支護受力開始變得不利。