基于盾構(gòu)隧道施工力學(xué)特性的注漿加固方案比較分析

張社榮 郭紫薇 曹克磊 郭麗娜 高 朗 陳 嬌

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，300072，天津； 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，300072，天津；3.云南工商學(xué)院建筑工程學(xué)院，651701，昆明； 4.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，650051，昆明 ∥ 第一作者，教授)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，區(qū)間隧道經(jīng)常要下穿城市內(nèi)河和道橋。盾構(gòu)法施工與一般區(qū)間隧道施工相比，施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)增加[1]。盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中易造成地層擾動(dòng)，從而引發(fā)地表沉降，管片脫出盾尾后管片極易發(fā)生上浮[2]。這些都是盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題。

近年來(lái)，盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表沉降或管片應(yīng)力變形的影響研究已取得了一定的成果，并指導(dǎo)了相關(guān)工程的順利實(shí)施[3-8]。但在軟弱地層，盾構(gòu)隧道下穿河流時(shí)，盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降、管片內(nèi)力及變形的影響規(guī)律有待深入研究。控制隧道變形的一種有效措施即在隧道周?chē)捎蒙羁鬃{對(duì)地層進(jìn)行加固，因此，研究注漿加固對(duì)隧道變形的控制作用具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)注漿加固原理的研究較多[9-11]，但針對(duì)具體工程的注漿加固優(yōu)化卻鮮有研究。為此，本文以昆明軌道交通5號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿河流段工程為例，采用有限元法對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行模擬分析，研究隧道注漿加固對(duì)盾構(gòu)施工力學(xué)特性的影響，并對(duì)注漿加固方案進(jìn)行比較，歸納總結(jié)較為經(jīng)濟(jì)安全的施工方案。

1 注漿加固優(yōu)化計(jì)算模型建立

1.1 隧道注漿加固數(shù)學(xué)模型分析

隧道在注漿加固后，洞室周邊會(huì)產(chǎn)生阻礙圍巖發(fā)生變形的力，圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)隨之改變。阻力的大小和方向影響著圍巖的應(yīng)力狀態(tài)[12]。為了便于分析，將隧道圍巖的受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為圓環(huán)或厚壁圓筒的模型，假定：圍巖內(nèi)半徑為a，外半徑為b，內(nèi)部受到的均布?jí)毫閜a，外部受到的均布?jí)毫閜b，如圖1。

圖1 注漿加固后隧道圍巖受力圖

根據(jù)彈性理論，在內(nèi)外壓力pa和pb的作用下，當(dāng)b?a時(shí)，pa=σ0時(shí)圍巖應(yīng)力值為：

(1)

(2)

σ0=γHc

式中：

σ0——圍巖初始應(yīng)力；

γ——圍巖容重；

r——圍巖到隧洞中心的距離；

Hc——地表到隧洞中心的距離；

σr——徑向應(yīng)力；

σθ——切向應(yīng)力。

由式(1)、式(2)可知，隧道注漿加固后，其圍巖重分布應(yīng)力σr和σθ由開(kāi)挖以后圍巖的重分布應(yīng)力和注漿壓力引起的附加應(yīng)力組成，前項(xiàng)即為開(kāi)挖以后圍巖的重分布應(yīng)力，后項(xiàng)即為注漿壓力引起的附加應(yīng)力值，即:

(3)

(4)

由式(3)、式(4)可知，注漿壓力使圍巖產(chǎn)生負(fù)的環(huán)向應(yīng)力，即拉應(yīng)力。由此可見(jiàn)，在一定程度上的注漿壓力會(huì)使周邊的徑向應(yīng)力增大，而使切向應(yīng)力減小，實(shí)質(zhì)上是使圍巖受力狀態(tài)由單向變?yōu)殡p向，進(jìn)而提高圍巖的承載能力及隧道穩(wěn)定性。但注漿壓力太大會(huì)使切向應(yīng)力超過(guò)圍巖的抗拉強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)可能造成隧道失穩(wěn)[12]。因此，合理地確定注漿壓力及注漿范圍對(duì)盾構(gòu)隧道注漿加固安全施工非常重要。

1.2 數(shù)值模型

昆明軌道交通5號(hào)線迎海路站—滇池學(xué)院站區(qū)段全長(zhǎng)680.6 m。隧道的內(nèi)徑為5.5 m，外徑為6.2 m，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)直徑為6.4 m，隧道洞室的襯砌為350 mm，隧道左線與右線圓心間距14 m。左線先始發(fā)，右線后開(kāi)挖。該區(qū)段工程地質(zhì)條件較差，隧道上方的采蓮河對(duì)本工程施工有較大影響，因此有效控制地面沉降及管片應(yīng)力變形對(duì)安全施工尤為重要。

首先建立隧道盾構(gòu)施工三維有限元模型，如圖2所示。計(jì)算模型中，土體、管片、盾殼、注漿體等均采用三維實(shí)體單元；數(shù)值模型寬度為80 m，縱向長(zhǎng)度94 m，高度為35.7 m；模型中地表為自由面；模型四周施加水平向約束，底部施加全約束。

圖2 昆明軌道交通5號(hào)線迎海路站—滇池學(xué)院站區(qū)段三維整體計(jì)算模型

1.3 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)勘察單位提供的地質(zhì)報(bào)告，地層、管片襯砌及注漿材料等結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 昆明軌道交通5號(hào)線迎海路站—滇池學(xué)院站區(qū)段地層土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 計(jì)算方法

2.1 施工過(guò)程模擬方法

本文采用有限元軟件Abaqus作為計(jì)算工具，應(yīng)用生死單元法來(lái)模擬盾構(gòu)開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程。首先施加土體自重及邊界約束條件，移除襯砌、注漿等支護(hù)單元，得到隧洞開(kāi)挖前的初始應(yīng)力；然后通過(guò)殺死土體單元來(lái)模擬開(kāi)挖過(guò)程，激活襯砌單元及注漿單元模擬支護(hù)過(guò)程。

2.2 判別標(biāo)準(zhǔn)

以地表沉降值、管片應(yīng)力及管片上浮量為指標(biāo)，研究注漿加固范圍及注漿壓力等參數(shù)對(duì)隧道地表及管片的變形作用。隧道地表沉降控制值及結(jié)構(gòu)管片豎向位移應(yīng)滿足GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[13]的要求，管片應(yīng)力應(yīng)滿足C50混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3 計(jì)算工況

模擬未注漿加固情況(基本工況)，將得到橫斷面地表沉降位移、管片應(yīng)力及內(nèi)側(cè)上浮量作為隧道變形的基準(zhǔn)值，比較加固前后隧道各工況的變形特性，揭示注漿加固的作用效果。為研究注漿加固范圍及注漿壓力對(duì)地表沉降及管片應(yīng)力變形的影響，選取4種施工建議范圍，并對(duì)同一注漿范圍下不同注漿壓力作用效果進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算工況如表2所示。

表2 隧道盾構(gòu)施工注漿加固計(jì)算工況

3 注漿圈加固范圍優(yōu)化分析

為便于分析盾構(gòu)隧道掘進(jìn)下穿采蓮河過(guò)程中地表沉降規(guī)律，分別選取橫向及縱向斷面作為觀測(cè)面。橫向斷面為縱向56.0 m處，即開(kāi)挖第12環(huán)處；縱向斷面為河道邊緣右側(cè)1.45 m處。

3.1 注漿范圍

《迎海路站—滇池學(xué)院站區(qū)間洞內(nèi)加固范圍表》顯示，研究區(qū)段左、右線隧道0～360°全斷面注漿，而在其他區(qū)段則非全斷面注漿。注漿加固范圍不僅控制著地層加固范圍，而且直接與工程造價(jià)有關(guān)。

為研究注漿加固范圍的影響，選取表2中的工況1—工況4進(jìn)行分析，各工況沿隧道徑向長(zhǎng)度均為3 m。

圖3為不同注漿范圍下雙線貫通地表橫斷面沉降曲線。由圖3可知，左、右線全部開(kāi)挖完后，不同工況下橫斷面各點(diǎn)地表沉降值有明顯差異，同一位置位移差異可達(dá)23 mm左右。工況一、工況二、工況三及工況四下地表沉降最大值分別為26.37 mm、17.59 mm、15.69 mm、23.97 mm，分別較基本工況時(shí)減小了31.47%、54.3%、59.2%、37.7%。

圖3 不同注漿范圍下雙線貫通地表橫斷面沉降

圖4為不同注漿范圍下管片最大主應(yīng)力變化曲線(取右線每3環(huán)管片中的最大主應(yīng)力值繪制曲線，如圖中橫坐標(biāo)23.6 m處的應(yīng)力值為縱向20.0～23.6 m內(nèi)3環(huán)管片的最大主應(yīng)力值，下同)。由圖4可知：工況三下的管片應(yīng)力明顯大于其他工況的；研究區(qū)間最大主應(yīng)力值為3.89 MPa，超過(guò)C50混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；工況一及工況二的相差較小，工況四的最小。

圖4 不同注漿范圍下雙線貫通管片最大主應(yīng)力變化曲線

圖5為不同注漿范圍下雙線貫通管片內(nèi)側(cè)上浮變化曲線。工況一、工況二、工況三及工況四的底部?jī)?nèi)側(cè)最大上浮量依次分別為12.66 mm、13.83 mm、18.53 mm、15.17 mm，其值均大于基本工況。綜上可知，工況三可有效降低地表沉降，但其管片應(yīng)力及內(nèi)側(cè)上浮量均較大。綜合考慮注漿范圍對(duì)地表沉降及管片變形的作用，選擇上、下半斷面分別局部注漿時(shí)效果最好。

圖5 不同注漿范圍下雙線貫通管片內(nèi)測(cè)上浮變化曲線

3.2 注漿壓力

在眾多注漿參數(shù)中，合理選擇注漿壓力是確保盾構(gòu)隧道注漿效果良好的重要因素。如果注漿壓力過(guò)大，會(huì)發(fā)生地面隆起和管片變形，還易漏漿；如果注漿壓力過(guò)小，可能引起地表沉降超出限值等[14]。通常，注漿壓力可以取值為1.1～1.2倍靜水壓力且不超過(guò)0.3～0.4 MPa[15]。本文選取注漿壓力分別為0.1 MPa、0.2 MPa及0.3 MPa時(shí)對(duì)注漿圈加固范圍優(yōu)化后的結(jié)果(上下斷面分別局部注漿)進(jìn)行敏感性分析。

圖6為不同注漿壓力下雙線貫通地表橫斷面沉降曲線。如圖6可知：隨著注漿壓力增大，地表沉降值逐漸減小；注漿壓力為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa時(shí)，地表沉降最大值分別為17.59 mm、12.73 mm、8.32 mm，分別較未注漿時(shí)減小54.3%、66.9%、78.4%。

圖6 不同注漿壓力下雙線貫通地表沉降變化曲線

圖7為不同注漿壓力下管片最大主應(yīng)力變化曲線。由圖7可知：隨著注漿壓力增大，管片主應(yīng)力逐漸減小；注漿壓力為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa時(shí)，管片主應(yīng)力最大值分別為2.08 MPa、1.80 MPa、1.51 MPa，均滿足C50混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值要求。

圖7 不同注漿壓力下雙線貫通管片最大主應(yīng)力變化曲線

圖8為不同注漿壓力下雙線貫通管片內(nèi)側(cè)上浮變化曲線。工況二、工況五及工況六底部?jī)?nèi)側(cè)最大上浮量依次分別為13.83 mm、15.28 mm、16.80 mm。綜上可知，注漿壓力增大，在一定程度上降低地表沉降及管片應(yīng)力的同時(shí)，管片內(nèi)側(cè)上浮量會(huì)相應(yīng)增大。綜合考慮注漿壓力對(duì)地表及管片變形的作用，可控制注漿壓力在0.1～0.2 MPa范圍內(nèi)。

圖8 不同注漿壓力下雙線貫通管片內(nèi)側(cè)上浮變化曲線

4 注漿圈彈性模量敏感性分析

目前，多數(shù)試驗(yàn)研究成果表明：注漿能有效提高土體變形模量，且加固體的彈性模量體現(xiàn)了注漿加固效果，注漿加固效果好，則加固體的彈性模量大；反之則小。

圖9為不同注漿圈彈性模量下雙線貫通地表橫斷面沉降曲線。由圖9可知：彈性模量越大，地表沉降值越小；當(dāng)彈性模量為100 MPa時(shí)，橫斷面最大沉降值為14.99 mm，地表沉降相對(duì)基本工況的減小了61.34%，相對(duì)工況二的減小了14.78%。

圖9 不同注漿圈彈性模量下雙線貫通地表沉降變化曲線

圖10～11分別為不同注漿圈彈性模量下管片最大主應(yīng)力曲線及管片內(nèi)側(cè)上浮變化曲線。由圖10～11可知：注漿圈彈性模量由80 MPa(工況二)增至100 MPa時(shí)，管片最大主應(yīng)力的最大值逐漸減小，管片底部上浮量逐漸增大；但同一位置不同工況管片最大主應(yīng)力相差幅度不超過(guò)0.4 MPa，底部上浮增加量集中在1.5 mm左右，差值很小。與土體相比，管片對(duì)注漿圈彈性模量的變化不太敏感。

圖10 不同注漿圈彈性模量雙線貫通管片最大主應(yīng)力變化曲線

圖11 不同注漿圈彈性模量雙線貫通管片內(nèi)測(cè)上浮變化曲線

綜上可知，注漿加固效果對(duì)地表沉降影響較為顯著。故施工過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格保證注漿質(zhì)量，控制注漿加固范圍、注漿壓力等條件在要求范圍內(nèi)，使土體維持較好的水平。

5 加固效果實(shí)測(cè)分析

為了研究隧道盾構(gòu)施工過(guò)程中地表及管片的變形規(guī)律，在特定位置設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)采用如上加固方案后的地表沉降、管片拱頂沉降等指標(biāo)進(jìn)行量測(cè)和觀察。本文選取位于DK16+430斷面左線隧道正上方的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC5-5及位于DK16+440斷面左線隧道正上方的拱頂沉降點(diǎn)GXC2-5為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖12所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線如圖13所示。

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC5-5、GXC2-5布置示意圖

由圖13可知，隨著左線開(kāi)始施工，地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC5-5及拱頂測(cè)點(diǎn)GXC2-5持續(xù)沉降。當(dāng)施工步序還未到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處已經(jīng)出現(xiàn)一定程度的沉降；當(dāng)施工通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，地表沉降發(fā)生較大突變；隨著施工持續(xù)進(jìn)行，地表沉降的速率有所降低，拱頂沉降出現(xiàn)一定回彈。以最終階段來(lái)看，監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC5-5沉降值穩(wěn)定在8.0 mm附近，GXC2-5沉降值穩(wěn)定在10.5 mm附近，遠(yuǎn)小于沉降控制值。這說(shuō)明地表及拱頂?shù)某两抵刀际翘幱诎踩秶鷥?nèi)的。

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC5-5、GXC2-5沉降歷時(shí)曲線

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)昆明軌道交通5號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿采蓮河工程，對(duì)隧道施工全過(guò)程力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)改變注漿加固范圍及注漿壓力，得到了控制地表沉降及管片應(yīng)力變形的最優(yōu)注漿加固方案。結(jié)論如下：

1) 上半斷面注漿時(shí)可有效降低地表沉降，但對(duì)管片較為不利，管片應(yīng)力及內(nèi)側(cè)上浮量均較大。考慮注漿范圍對(duì)地層及管片的雙重影響，施工過(guò)程選擇上、下半斷面分別局部注漿時(shí)效果最好。

2) 地表沉降值及管片應(yīng)力隨注漿壓力的增大而減小，而管片內(nèi)側(cè)上浮量相應(yīng)增大。考慮注漿壓力對(duì)地層及管片的雙重影響，可將注漿壓力控制在0.1～0.2 MPa。綜合以上控制措施，可使地表沉降減小54.3%～66.9%。

3) 注漿加固效果對(duì)地層沉降有直接影響，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制注漿質(zhì)量，保證注漿加固范圍及注漿壓力在要求范圍內(nèi)，進(jìn)而提高施工安全性能。

4) 結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，建議的注漿方案能有效控制地表及管片沉降變形，研究結(jié)果可靠。