水下砂卵石地層盾構(gòu)隧道越江段注漿壓力研究

路開道

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇南京 211899）

1 引言

近年來(lái)，隨著全國(guó)隧道大規(guī)模建設(shè)，隧道施工周邊環(huán)境和地質(zhì)越來(lái)越復(fù)雜，盾構(gòu)法以其對(duì)周圍建（構(gòu)）筑物擾動(dòng)小、適應(yīng)性好和安全性高等優(yōu)勢(shì)成為隧道建設(shè)的主要施工方法［1］。同步注漿是盾構(gòu)法施工過程中的重要步驟，能夠及時(shí)填充盾尾后的空隙，減小對(duì)周圍土體的擾動(dòng)。經(jīng)過學(xué)者研究和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，同步注漿質(zhì)量直接影響施工引起的地表沉降大小［2］。注漿壓力過小，會(huì)引起地表沉降過大；注漿壓力較大時(shí)，會(huì)引起漿液滲進(jìn)盾構(gòu)內(nèi)部即盾尾漏漿，且超出地層所能承受的最大壓力最終導(dǎo)致不可恢復(fù)的變形［3］，尤其是受力不穩(wěn)定的砂卵石地層，施工過程極易破壞初始平衡狀態(tài)，使臨空面失去支撐而產(chǎn)生大變形，給工程施工、設(shè)計(jì)帶來(lái)極大困難［4］。

趙天石［5］等和韋良文［6］等依托上海市西藏南路越江隧道等工程對(duì)泥水盾構(gòu)同步注漿材料配比、漿液性能及施工土體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研制出適合工程的同步注漿漿液。梁小英［7］對(duì)滲透系數(shù)大的富水地層盾構(gòu)隧道同步注漿材料性能及配比進(jìn)行了研究。張亞彬［8］結(jié)合實(shí)際工程對(duì)富水砂層盾構(gòu)隧道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，研究表明同步注漿量、注漿壓力、注漿時(shí)機(jī)等因素為盾構(gòu)施工中引起地表沉降的主要影響因素，并提出嚴(yán)格控制同步注漿壓力、保障同步注漿量、減小施工擾動(dòng)的建議。張海濤［9］等針對(duì)上海西藏南路越江隧道進(jìn)行漿液配比試驗(yàn)，并根據(jù)翔殷路隧道上浮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)隧道上浮機(jī)理和控制對(duì)策做了詳細(xì)研究。王成［10］等通過分析管片上浮的主要原因，提出改進(jìn)同步注漿設(shè)備方案，在盾尾處采用常規(guī)同步漿液與雙液漿相混合注入管片與開挖面之間的空隙，并通過實(shí)驗(yàn)證明該新型注漿材料的有效性。張金龍［11］等通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)盾構(gòu)隧道壁后注漿漿液擴(kuò)散機(jī)理與管片受力特征進(jìn)行了研究。馮士杰和來(lái)永玲［12］等基于漿液的流動(dòng)方程和連續(xù)方程推導(dǎo)出漿液壓力梯度與上浮力的關(guān)系，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析其合理性。

上述研究在一定程度上可對(duì)水下砂卵石地層盾構(gòu)隧道注漿壓力提供參考，但由于各工程地形地貌、氣候條件以及水文條件之間的差異，既有研究成果尚不能對(duì)相關(guān)盾構(gòu)隧道同步注漿工作提供定量指導(dǎo)。因此，本文依托常德沅江過江隧道工程，采用有限元軟件FLAC3D，探討了盾構(gòu)施工擾動(dòng)下地層孔隙水壓力的空間分布特性，并結(jié)合盾構(gòu)隧道拱頂、拱腰及拱底等不同位置的孔隙水壓數(shù)據(jù)，對(duì)管片外側(cè)孔隙水壓力場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行研究，為確定滲流作用下拱頂、拱腰及拱底等位置的注漿壓力合理值提供依據(jù)。

2 工程概況

該水下隧道位于常德市城區(qū)，大體呈南北走向，南起鼎城陽(yáng)明路，北接皂果北路。進(jìn)口段主要位于皂果北路，出口段位于陽(yáng)明路，工程路線全長(zhǎng)2 240 m，其中過江隧道段長(zhǎng)度1 680 m。過江段采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)內(nèi)徑為10.3 m，外徑為11.3 m。管片采用C50鋼筋混凝土平板型管片，采用砂漿進(jìn)行注漿，注漿層厚0.2 m。兩岸地面高程為30.0～34.0 m，沅江大堤高程為42.5 m，河床高程為14.0～26.0 m。常德沅江過江隧道縱斷面如圖1所示。

圖1 常德沅江過江隧道縱斷面

3 合理計(jì)算流域界限的確定

3.1 計(jì)算流域界限的研究

本次數(shù)值模擬主要運(yùn)用FLAC3D中的滲流模塊，將巖土體視為多孔介質(zhì)，流體在孔隙介質(zhì)中流動(dòng)符合Darcy定理。在建立模型之前，通過FLAC3D建立四個(gè)同樣地層條件而縱向長(zhǎng)度不同的模型進(jìn)行盾構(gòu)開挖，為后文模型合理流域界限提供依據(jù)。分別建立長(zhǎng)度為60 m、80 m、100 m、120 m的模型，由于模型只是長(zhǎng)度不同，故以圖2（Y分別取60、80、100和120 m）進(jìn)行示例，取平均水深10 m進(jìn)行計(jì)算。

圖2 流域確定復(fù)合地層模型

3.2 計(jì)算流域界限的驗(yàn)證結(jié)果

由于模型沿開挖方向（Y向）從前側(cè)向后側(cè)開挖，所以前側(cè)和后側(cè)的有效計(jì)算邊界有所差別。為了能夠合理確定模型有效邊界，提取60 m、80 m、100 m和120 m模型計(jì)算出的孔隙水壓力，并繪制模型長(zhǎng)度為60 m、80 m和100 m的拱頂、左拱腰、拱底和右拱腰的水壓相對(duì)模型長(zhǎng)度為120 m的水壓誤差曲線，如圖3所示。

圖3 各模型拱周各處孔隙水壓誤差比較曲線

既有研究表明，模型有效水壓計(jì)算誤差小于0.5%處可定為合理邊界條件最低限界，通過對(duì)圖3各模型之間拱頂、左拱腰、拱底和右拱腰水壓相對(duì)誤差的分析，將合理邊界條件最低限界值進(jìn)行匯總，如表1所示。

表1 合理邊界限界 m

對(duì)表1和圖3進(jìn)行綜合分析，確定削減邊界為20 m，能夠精確合理設(shè)置計(jì)算長(zhǎng)度，削減邊界產(chǎn)生的誤差，故每個(gè)模型沿著開挖方向前后多建20 m的長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，取得計(jì)算結(jié)果后舍棄前后多取的20 m長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，從而得到有效計(jì)算結(jié)果。

4 盾構(gòu)隧道注漿壓力分布特性分析

4.1 數(shù)值計(jì)算模型

由于該段過江隧道縱斷面過長(zhǎng)（盾構(gòu)段長(zhǎng)1 680 m），且縱斷面方向地形十分復(fù)雜，一次性建模計(jì)算分析難度大，目前的計(jì)算能力難以滿足，故根據(jù)縱斷面不同地形將模型分為多段進(jìn)行建模計(jì)算。綜合考慮計(jì)算能力、各區(qū)段銜接部位及兩側(cè)縱向邊界范圍優(yōu)化，將模型分為6段（0～192 m、192～378 m、378～712 m、712～1 150 m、1 150～1 452 m、1 452～1 680 m）進(jìn)行建模計(jì)算，縱向邊界取在數(shù)據(jù)變化不明顯的位置，從而削減邊界產(chǎn)生的誤差，然后將分段模型的有效計(jì)算結(jié)果拼接在一起，得到整個(gè)斷面開挖擾動(dòng)下的孔隙水壓分布。圖4分別為6段模型。

圖4 各區(qū)段計(jì)算模型

4.2 計(jì)算參數(shù)分析

本依托工程主要穿越圓礫、卵石、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土等地層，在有限元分析過程中，采用Shell單元模擬管片，實(shí)體單元模擬地層，其中土體采用摩爾－庫(kù)倫模型，管片與注漿部分采用彈性模型。由于管片的滲透系數(shù)很小，可以將管片近似設(shè)為不透水層。各地層物理力學(xué)參數(shù)及滲透系數(shù)如表2所示。

表2 地層土體及結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)

4.3 荷載及邊界條件

實(shí)際工程和理論研究表明，隧道開挖擾動(dòng)在3倍隧道開挖跨度處的應(yīng)力變化一般在10%以下，在5倍開挖跨度處的應(yīng)力變化一般在3%以下，故模擬具體工程開挖時(shí)，可以認(rèn)為在3～5倍開挖跨度的邊界上因開挖引起的位移為零。因此，在模型建立過程中，模型的邊界取至隧道洞徑的3～5倍處。

模型建立后，在模型前后及左右邊界設(shè)置水平約束，在底面設(shè)置豎直位移邊界約束，地面為自由邊界條件，同時(shí)在模型四周和地面設(shè)置孔隙水壓邊界約束。根據(jù)常德越江隧道工程條件，盾構(gòu)隧道所承受的主要荷載為地層自重和滲透水壓。重力加速度按9.8 m/s2考慮，滲透壓力取該地區(qū)的平均水位29.69 m。

4.4 孔隙水壓力分布特性

去除前后邊界20 m無(wú)效值，提取剩余水壓計(jì)算結(jié)果，如表3所示，然后將6個(gè)部分計(jì)算的剩余水壓進(jìn)行整合并沿開挖方向繪制整個(gè)區(qū)間內(nèi)盾構(gòu)隧道開挖擾動(dòng)下的水壓力分布曲線，如圖5所示。

表3 整個(gè)斷面開挖擾動(dòng)下的水壓力

圖5 整個(gè)盾構(gòu)區(qū)間開挖擾動(dòng)下的孔隙水壓力分布曲線

從圖5中可知，隨著隧道開挖過程的進(jìn)行，拱頂、拱腰和拱底孔隙水變化規(guī)律幾乎一致，同一掘進(jìn)距離下，拱底的孔隙水壓力最大，其次是左右拱腰處，拱頂處的孔隙水壓力最小，比左右拱腰處孔隙水壓力小0.045～0.35 MPa，左右拱腰孔隙水壓力比拱底孔隙水壓力小0.04～0.02 MPa。當(dāng)盾構(gòu)開挖到約450 m和1 200 m時(shí)，拱周出現(xiàn)孔隙水壓力劇變，這是由于450 m和1 200 m處是江水與陸地的交界部位。

由于水下段水壓力比岸邊段的水壓力約大0.03 MPa，故可以分別按水下段（450～1 200 m）與岸邊段（0～450 m和1 200～1 680 m）分析其孔隙水壓力，結(jié)果如表4所示。

表4 整個(gè)斷面水下及岸上開挖擾動(dòng)下的水壓力

根據(jù)《盾構(gòu)施工技術(shù)規(guī)范》可知，注漿出口壓力應(yīng)稍大于注漿出口處的靜止土壓力，注漿壓力一般大于出口壓力0.1～0.2 MPa。由于該盾構(gòu)隧道處于砂卵石地層，地層滲透性較好，注漿壓力不應(yīng)過大，以免出現(xiàn)漿液溢出地面或造成地表隆起，也不應(yīng)過小而降低注漿作用，故取注漿壓力大于出口壓力0.1 MPa。若通過拱頂、拱腰以及拱底位置注漿，根據(jù)FLAC3D計(jì)算結(jié)果可給出對(duì)應(yīng)注漿壓力，如表5所示。

表5 整個(gè)斷面水下及岸上開挖擾動(dòng)下的注漿壓力

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以常德市沅江隧道為工程依托，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法對(duì)該段越江隧道分區(qū)段建模，對(duì)拱頂、左右拱腰以及拱底進(jìn)行動(dòng)水壓分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過FLAC3D對(duì)盾構(gòu)隧道的流域界限進(jìn)行研究，綜合考慮各種因素確定削減的邊界為20 m。流域界限的確定能夠使數(shù)值模擬結(jié)果更真實(shí)反映越江隧道圍巖各處的孔隙水壓力，所得出的結(jié)論也更為可靠。

（2）盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，拱頂、拱底和左右拱腰處的動(dòng)水壓隨掘進(jìn)距離的變化趨勢(shì)大致相同，在量值上，拱底動(dòng)水壓最大，其次是左右拱腰，拱頂最小。

（3）針對(duì)本工程平均水位29.69 m，給出建議注漿壓力：岸上區(qū)域1（0～450 m）拱頂、拱腰和拱底注漿壓力分別為0.12～0.125 MPa、0.15～0.16 MPa和0.175～0.2 MPa；水下區(qū)域（450～1 200 m）拱頂、拱腰和拱底注漿壓力分別為0.15～0.155 MPa、0.185～0.195 MPa和0.19～0.23 MPa；岸上區(qū)域2（1 200～1 680 m）拱頂、拱腰和拱底注漿壓力分別為0.12～0.145 MPa、0.15～0.18 MPa和0.18～0.22 MPa。