巖溶地層運營期地下水上漲引起管片上浮規律研究

李文,楊凡,吳圣智,劉越

(1.中鐵十四局集團有限公司,濟南 250000;2.山東建筑大學工程鑒定加固研究院有限公司,濟南 250013;3.山東建筑大學土木工程學院,濟南 250101;4.山東建筑大學建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室,濟南 250101)

盾構法施工是城市地鐵隧道建設過程中的重要施工方式,已被應用于各類地層[1-2]。巖溶地層巖石溶隙發育嚴重,地下水流通性強,受季節性降水明顯,地下水位變化較大。巖溶地層盾構施工過程中,漿液易流失,管片壁后存在空洞,管片缺乏有效的約束與支撐,一旦地下水位上漲,管片極易出現上浮、滲漏等災害,嚴重影響隧道使用[3]。

管片上浮一直是盾構隧道常見的病害之一,引起了廣大學者的關注與討論。黃旭民等[4]基與彈性地基梁矩陣傳遞法理論,通過現場實測和模型計算,提出了一種施工期盾構隧道管片上浮預測方法。舒瑤等[5]對區間施工期管片上浮按地層進行分段,得到了同步注漿壓力、漿配比等不同因素對管片上浮的影響。葉俊能等[6]通過有限元軟件建立管片施工期上浮分析模型,確定了不同管片結構形式施工期容許上浮量不同。季昌等[7]通過現場試驗分析不同單一因素對施工期管片上浮的影響。Geng等[8]針對泥漿盾構隧道施工期會出現管片上浮問題,通過理論計算,得到管片上浮計算表達式,并提出了針對性的抗浮措施。魏綱等[9]通過建立襯砌環受力模型和計算公式,得到隧道上浮對管片的受力不利。肖明清等[10]應用有限元法對影響管片上浮的各種因素進行了分析,提出了控制管片上浮的措施。葉飛等[11]用彈性地基梁方法分析了盾構隧道的縱向上浮,提出了控制盾構隧道管片上浮的最小上覆土厚度及最大注漿壓力計算公式。鄧日朗等[12]通過建立三維有限元模型分析分析了下臥地鐵隧道隨豎井開挖過程的變形規律。趙維等[13]通過兩階段分析法,研究基坑開挖對隧道的影響,并通過Euler-Bernoulli梁模型和Winkler地基模型,更加精確的得出了隧道的隆起變形。綜上可見,中外學者對管片上浮影響研究多集中在隧道施工階段,對隧道運營過程中關注較少。巖溶地層盾構同步注漿漿液易流失,注漿層出現空洞,管片缺乏有效約束,雨季地下水位上漲時管片會出現上浮,目前國內外學者在運營期管片上浮研究中未考慮注漿層填充質量及地下水位變化。

為探明巖溶地層盾構隧道運營期間,因注漿流失及地下水位變化導致的管片上浮規律,研究通過現場實測與數值模擬分析了隧道運營期間不同漿液流失條件下管片的上浮機制,以期為巖溶地層盾構隧道注漿質量控制提供指導。

1 工程概況

盾構隧道位于該地區東南部,隧道呈南北走向,隧道南部為山地,北部較為平坦,地勢南高北低。隧道為標準單洞單線圓形斷面,盾構法施工,長度約966 m,由直線段、2個半徑分別為R=1 000 m、R=800 m的圓曲線段及緩和曲線段組成,線間距13～17 m,覆土厚度13.5～18 m。盾構隧道地層自上而下主要為素填土、雜填土、全風化泥灰巖、強風化泥灰巖、中風化石灰巖。隧道區域內存在發育溶孔、溶洞等溶蝕現象,主要表現為溶孔、溶隙及小型溶洞,屬淺覆蓋型巖溶,微發育,鉆孔見洞率為27.3%,線巖溶率為7.0%,充填物以粘性土及碎石為主。隧道穿越區間主要中風化灰巖為主,單軸飽和抗壓強度平均90 MPa,圍巖等級為IV,如圖1所示。該區域地下水埋深較深,雨季時地下水沿溶隙由南至北流動,該地區年平均降水量672.1 mm,其中夏季降水量平均在460 mm,占全年降水量的65%以上。

圖1 工程地質示意圖Fig.1 Schematic diagram of engineering geology

隧道采用單層混凝土圓形襯砌,管片外徑6 400 mm、內徑5 800 mm、管片厚度300 mm、環寬為1.2 m,錯縫拼裝,管片防水材料采用氯丁橡膠及三元乙丙彈性橡膠或遇水膨脹橡膠,如圖2所示。該區間采用復合式土壓平衡盾構機,開挖直徑為6 680 mm,隧道開挖后中風化石灰巖變形較小,管片壁后間隙為12～14 cm,采用漿液填充。

圖2 管片示意圖Fig.2 Segment diagram

2 運營期管片上浮原因分析

盾構隧道右線道床上浮區域位于XK4+759～XK4+814里程,該段平面基本位于半徑800 m的曲線段,隧道所處地層主要為中風化石灰巖。管片上浮發生在盾構隧道右線705環-751環范圍之間,上浮管片數量為46環,如圖3所示,XK4+787位置最大上浮量約為110 mm,10月份上浮情況如圖4所示,管片上浮導致管片環之間出現明顯的錯臺,如圖5所示。

圖3 隧道上浮區域示意圖Fig.3 Schematic diagram of the floating area of the tunnel

圖4 盾構隧道727環管片變化曲線Fig.4 Shield tunnel 727 ring segment change curve

圖5 隧道上浮Fig.5 Tunnel floating

由圖3～圖5可知,由于10月14—20日發生強降雨,地下水位出現明顯上漲,導致管片發生大幅度上浮,接近管片壁后間隙厚度,該地區10月份降水后地下水位上漲至管片頂部約7 m,現場檢測顯示管片頂部與底部基本脫空,管片上浮量達100 mm。針對管片上浮問題,10月20日采用泄水等措施來釋放管片壁后積水,隨著水位下降管片逐步回落。通過分析初步得出管片上浮主要原因有,地下水位上漲、隧頂空洞和隧底填充不密實[14],如圖6所示。統計資料顯示,該時間段內該地區平均降水量為219.2 mm,是常年同期的3.6倍,為1950年以來降水量最大的一年,強降水量導致地下水位大幅增加,同時隧道所處地勢南高北低,南部為山地,北部為平原,隧道所處地層存在巖隙和溶隙,地下水會順著巖隙自南向北流,而且山前存在黏土層,地下水會在隧道北端匯集,造成隧道北端地下水位進一步上漲。該區域為巖溶發育密集地段,存在較多溶洞和溶隙等,連通性好,如圖7所示,施工過程中極易發生漿液流失造成管片壁后空洞,一旦隧頂存在空洞將缺乏對管片上浮的約束。隧底注漿填充不密實,管片與注漿層粘結力喪失,不能有效抑制管片上浮[15]。

圖6 地下水位上漲管片上浮原因Fig.6 Reason for the rise in the water table and the rise of the segment

圖7 灰巖巖溶Fig.7 Limestone karst

3 管片上浮機制數值分析

3.1 計算模型及參數

管片出現上浮嚴重影響隧道質量,為了進一步分析管片上浮及其上浮因素,建立有限元數值模型,隧道模型尺寸如圖8所示,模型尺寸為25 m×25 m。模型頂部為自由面,其余各面施加法向約束。數值模型中地層、注漿層和管片均采用實體單元進行模擬,地層的本構模型采用摩爾-庫倫模型,管片和注漿層均采用彈性模型,空洞部分通過實體單元鈍化來模擬。其中管片外徑為6.4 m,內徑為5.8 m,注漿層厚度為14 cm,開挖洞徑為6.68 m,管片外側與地層之間為注漿層。考慮到存在接縫,管片彈性模量的取值考慮了強度折減[16],地層、注漿層和管片力學參數如表1所示。

表1 計算參數Table 1 Design conditions

圖8 數值模型Fig.8 Numerical model

盾構隧道在施工時造成管片壁后空洞,當地下水位上漲時,會造成管片上浮。隧頂空洞、隧底填充不密實和地下水位上漲是造成管片上浮的3種因素,以此重點考慮3個因素對管片上浮的影響,探究管片的上浮規律。

3.2 空洞范圍影響

以隧頂無空洞地下水位在管片底部時,隧頂無空洞地下水位在管片中部時,隧頂空洞60°地下水位在管片中部時,隧頂空洞120°地下水位在管片中部時,隧頂空洞180°地下水位在管片中部時5種工況,管片的位移如圖9所示。

圖9 管片位移計算結果Fig.9 Segment displacement calculation results

由圖9可知,注漿層無空洞,地下水位在管底以下時,管片基本不受浮力,管片隧頂表現為沉降,隧底表現為隆起,該規律為隧道開挖引起的。當地下水位上漲至管片中部時,管片受到水的浮力增大,管片最大上浮量為1.8 mm,上浮量較小,可見隧頂無空洞時能夠對管片上浮提供足夠的約束,抑制管片上浮。當隧頂存在180°空洞時,管片最大上浮量為55 mm,是無空洞時管片上浮量的36倍,可見隧頂存在空洞,隧頂會喪失對管片上浮的約束,是導致管片上浮的關鍵因素。對此,研究給出了地下水位位于管片中部時,管片上浮量與隧頂空洞范圍的對應關系,如圖10所示。

圖10 隧頂空洞管片上浮規律Fig.10 Float law of tunnel roof cavity segment

由圖10可知,隨著隧頂空洞范圍的不斷擴大,隧頂對管片上浮的約束越來越小,管片的上浮逐漸增大。當隧頂的空洞范圍大于120°時管片的上浮量出現明顯增加,對此提升注漿質量,降低空洞范圍對控制運營期管片上浮具有重要意義。研究進一步提取注漿層的受力情況,如圖11所示。

圖11 注漿層受力計算結果Fig.11 Result of calculating the force of the grouting layer

由圖11可知,注漿層無空洞,地下水位在管片底部時,在重力場的作用下,注漿層隧頂和隧底均受拉。當地下水位上漲至管片中部時,管片受到水的浮力上升,此時注漿層隧頂所受拉力減少,隧底所受拉力增加,這表明管片上浮后,隧底管片會拉拽注漿層,導致隧底注漿層的應力增加。當隧頂存在180°空洞時,隧底所受拉力為540 kN/m2,是不存在空洞時所受拉力的2倍,說明管片上浮量越大,管片對注漿層的拉力越強。由于注漿層與管片之間的黏結力有限,管片對注漿層的拉力一旦超過黏結力的極限,管片與注漿層之間不密實的范圍將擴大,導致管片出現進一步上浮。研究進一步分析了空洞范圍與注漿層受力的關系,如圖12所示。

圖12 注漿層所受拉應力最大值變化規律Fig.12 The law of change of the maximum tensile stress of the grouting layer

由圖12可知,隨著隧頂空洞范圍的不斷增大,注漿層隧底所受拉力在不斷增大,且在隧頂空洞范圍達到120°時,注漿層所受拉力增大明顯,這與管片上浮量的規律一致。

3.3 隧底填充不密實的影響

隧道底部注漿極易出現注漿不密實的情況,管片與注漿層黏結力退化,導致管片上浮增加。對此,進一步分析了管片底部填充不密實對管片上浮的影響,如圖13、圖14所示。

圖13 隧頂180°空洞時底部填充不密實管片位移Fig.13 The bottom of the 180° cavity at the top of the tunnel is filled with undense segment displacement

圖14 管片底部填充不密實的上浮規律Fig.14 The bottom of the segment is filled with undense floating rules

由圖13、圖14可知,地下水位上升至管片中部,隧頂存在空洞180°時,隧底不密實范圍120°時管片的上浮量是60°的2倍,隧底不密實導致管片與注漿層之間黏結力喪失,注漿層底部對管片的拉力降低,管片上浮量增加。研究進一步給出了隧底不密實時注漿層與管片上浮的關系,如圖15、圖16所示。

圖15 底部不密實范圍擴大注漿層受力Fig.15 The bottom is not compact,and the range expands the force on the grouting layer

圖16 注漿層所受拉應力最大值變化規律Fig.16 Law of change of the maximum tensile stress of the grouting layer

由圖15、圖16可知,管片底部填充不密實,會導致不密實處注漿層和管片之間的黏結力喪失,不密實處管片上浮對注漿層的拉拽力消失,并向不密實處兩端轉移,不密實處兩端出現拉應力集中。底部不密實60°時,不密實處兩端注漿層最大拉應力為564 kN/m2,隧底不密實120°時,不密實處兩端注漿層最大拉應力為1 100 kN/m2,約為隧底不密實60°時的2倍。管片和注漿層之間存在黏結力,當管片上浮量過大時,引起的管片與注漿層之間的拉應力超過黏結力,管片與注漿層之間不密實的范圍將擴大,導致管片出現進一步的上浮,隧底不密實范圍也將進一步增加,甚至造成底部整體脫空,極不利于控制管片的上浮。

3.4 地下水位影響

地下水位上漲是管片上浮的重要因素,地下水位上漲對管片上浮和注漿層受力的影響如圖17～圖19所示。

圖17 隧頂180°空洞隧底120°不密實時地下水位的影響Fig.17 Influence of 180° hollow tunnel bottom 120° undense real-time groundwater level

由圖17可見,隨著地下水位的上漲,管片所受的浮力增大,管片的上浮量也在不斷增大。該地區10月份降水后地下水位上漲至管片頂部約7 m,現場檢測顯示管片頂部與底部基本脫空,管片上浮量達100 mm,與計算結果接近。地下水位對注漿層應力影響如圖18、圖19所示。

圖18 隨地下水位上漲注漿層受力Fig.18 Stress of grouting layer as groundwater level rise

圖19 注漿層所受拉應力最大值變化規律Fig.19 Law of change of the maximum tensile stress of the grouting layer

由圖18、圖19可知,地下水位上漲導致管片上浮,管片對注漿層拉拽力增加,注漿層的拉應力增加,地下水位上漲是管片上浮的重要影響因素。

4 管片上浮防控措施

數值模擬得出了隧頂空洞、隧底填充不密實和地下水位上漲對管片上浮的影響規律,研究綜合以上3種因素,建立了管片上浮與隧頂空洞、隧底填充不密實和地下水位上漲的對應關系,以指導巖溶地層盾構隧道注漿施工,如圖20所示。

圖20 管片上浮規律Fig.20 Law of segment upward moving

由圖20可知,造成管片上浮的3個原因為隧頂空洞、隧底填充不密實和地下水位上漲,其中隧頂空洞對管片上浮造成的影響最大,其次是地下水位上漲,隧底填充不密實對管片上浮造成的影響相對較小,可見盾構隧道施工過程中注漿質量對管片上浮具有重要意義。

盾構隧道施工和驗收規范規定管片上浮量不超過10 mm,對此當管片上浮量小于6 mm時(圖20綠色區域),可不采取措施;當管片上浮量處于6～10 mm時(圖20黃色區域),應加強觀測隨時注意地下水位變化,一旦管片出現上浮應采取壁后注漿等措施;當管片上浮量超過10 mm時(圖20紅色區域),此時管片上浮不可接受,應進行二次注漿。盾構施工中可以此為基準,通過多重手段對管片壁后注漿質量進行監控,指導盾構同步注漿施工。

5 結論

針對巖溶地層盾構隧道在運營期因地下水位變化造成的管片上浮問題,研究通過數值模擬和現場監測,分析盾構隧道在運營期因地下水位上漲引起管片上浮的規律,得出以下結論。

(1)注漿層隧頂空洞、隧底填充不密實和地下水位上漲是影響巖溶地層盾構隧道運營期間管片上浮的主要因素,其中隧頂空洞會喪失對管片上浮的約束,對管片上浮影響最大。

(2)管片隧頂注漿流失越嚴重,上部注漿層對管片的約束越小,地下水位上漲造成的管片上浮越明顯,當隧頂的空洞范圍大于120°時管片的上浮量明顯增加,提升注漿質量,降低空洞范圍對控制運營期管片上浮具有重要意義。

(3)隧底填充不密實導致管片與注漿層之間粘結力降低,管片上浮量增加,同時不密實處管片上浮對注漿層的拉拽力消失,導致不密實處兩端拉應力集中,將進一步增大隧底不密實范圍。

(4)地下水位上升越大,管片上浮量越大,研究給出了巖溶地層盾構隧道管片上浮量與隧頂空洞、隧底不密實范圍和地下水位的對應關系,可為盾構同步注漿質量控制提供支撐。