趙 欣

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 長(zhǎng)沙 410132)

盾構(gòu)隧道注漿抬升施工對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響

趙 欣

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 長(zhǎng)沙 410132)

基于盾構(gòu)隧道注漿抬升工程，建立盾構(gòu)隧道注漿抬升對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)影響計(jì)算模型，通過對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性；在此基礎(chǔ)上探討分析不同注漿位置、不同注漿順序?qū)芷r砌結(jié)構(gòu)的影響，為盾構(gòu)隧道注漿抬升施工提供參考依據(jù)。

盾構(gòu)隧道注漿抬升；計(jì)算模型；不同注漿位置；不同注漿順序；管片；襯砌結(jié)構(gòu)

1 盾構(gòu)隧道注漿抬升技術(shù)研究現(xiàn)狀

本文根據(jù)上海市某工程盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)注漿抬升工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證隧道結(jié)構(gòu)注漿抬升計(jì)算模型的正確性；在此基礎(chǔ)上探討不同注漿位置、不同注漿順序?qū)σr砌管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，為盾構(gòu)隧道注漿抬升的施工提供參考依據(jù)。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 模型建立及參數(shù)取值

上海市某工程盾構(gòu)隧道管片外徑為6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，混凝土強(qiáng)度為C50，采用螺栓強(qiáng)度等級(jí)為5.8級(jí)的彎螺栓拼接而成；隧道頂覆土11.48 m，地下水位埋深0.6～2.2 m。在注漿過程中為了提高隧道的整體性，減少隧道變形，要在隧道注漿各環(huán)內(nèi)架設(shè)支撐。

采用有限元軟件Plaxis2D建立計(jì)算模型，其中隧道左右兩側(cè)邊緣距離隧道中心50 m，大于3倍隧道直徑，以便忽略邊界影響。土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，具體土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示，模型中土層分布如圖1(a)所示。隧道結(jié)構(gòu)假定為均質(zhì)圓環(huán)，采用板殼單元模擬，剛度折減系數(shù)取為0.75，根據(jù)實(shí)際支撐布置情況在隧道內(nèi)增加支撐，隧道中部支撐用桿單元模擬，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。對(duì)襯砌管片K8、K10兩注漿孔下方土體進(jìn)行注漿，如圖1(b)所示，圖中隧道下方紅色單元為注漿單元。鄧指軍等研究了盾構(gòu)隧道微擾動(dòng)注漿過程中的注漿參數(shù)[12]，通過對(duì)比計(jì)算地層和上海試驗(yàn)地層的土體性質(zhì)、注漿深度、漿液配比等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)注漿加固后土體剛度及強(qiáng)度參數(shù)對(duì)注漿抬升過程和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響不大，土體膨脹法模擬隧道注漿抬升，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力主要與下方注漿單元體應(yīng)變有關(guān)。因此，根據(jù)上海地區(qū)試驗(yàn)選取的注漿后土體剛度及強(qiáng)度參數(shù)較為合理。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)名稱單元類型EI/(kN·m2/m)EA/(kN/m)泊松比v隧道管片板殼單元9.24×1041.21×1070.15豎向支撐桿單元—8.65×1050.30橫向支撐桿單元—2.95×1050.30

2.2 數(shù)值計(jì)算步驟

1) 建立幾何計(jì)算模型；

2) 劃分網(wǎng)格，隧道附近細(xì)化網(wǎng)格并設(shè)置各材料的模型參數(shù);

3) 施加初始條件并約束左、右兩邊及底部對(duì)應(yīng)方向的位移：施加重力場(chǎng)，計(jì)算初始有效應(yīng)力，并將各方向位移歸零；

4) 關(guān)閉襯砌內(nèi)的土體對(duì)應(yīng)單元，激活鋼支撐對(duì)應(yīng)單元，同時(shí)激活襯砌單元生成土體與襯砌的接觸作用；

5) 根據(jù)隧道注漿抬升不同工況進(jìn)行計(jì)算，輸出變形和應(yīng)力云圖以及特征節(jié)點(diǎn)的計(jì)算數(shù)據(jù)。

模擬隧道注漿抬升時(shí)，通過對(duì)注漿單元(即代表注漿土體的單元)施加體應(yīng)變使單元體積膨脹來模擬抬升過程，包括2個(gè)步驟：增加注漿區(qū)域的土體剛度和強(qiáng)度；施加各向大小相同的體應(yīng)變。在數(shù)值模擬過程中，通過判斷隧道抬升量是否達(dá)到實(shí)際隧道抬升量來控制模擬注漿過程，具體流程如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬流程

2.3 數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地表隆沉計(jì)算結(jié)果、隧道內(nèi)支撐軸力及水平直徑收斂變形對(duì)比如表3所示。

表3 數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表3可知，數(shù)值計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差。在實(shí)際注漿過程中，168、169環(huán)隧道的兩側(cè)支撐軸力相差較大，且隧道發(fā)生了較大的橫向收斂變形，這是由于隧道支撐特別是右側(cè)支撐在架設(shè)時(shí)未和隧道管片結(jié)構(gòu)緊密貼合，造成隧道的變形較大。通過數(shù)值計(jì)算方法研究注漿抬升對(duì)隧道管片的影響是可行的。

3 不同注漿抬升工況對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響

3.1 隧道內(nèi)部支撐對(duì)注漿抬升時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的影響研究單環(huán)管片內(nèi)部支撐體系對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。注漿后土體參數(shù)及其他假設(shè)與2.1相同，分別模擬隧道在有、無支撐情況下注漿抬升10、20、30、40、50 mm的情形。

結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示：在隧道抬升量10～50 mm時(shí)，無支撐情況管片的最大彎矩、最大彎矩處軸力均大于有支撐情況管片的對(duì)應(yīng)值，當(dāng)抬升量為50 mm時(shí)，無支撐情況管片的最大彎矩比有支撐的情況大132.9%；無支撐情況管片的水平收斂變形量約是有支撐情況的4～10倍；根據(jù)對(duì)最大彎矩處截面進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，在有支撐情況下的截面裂縫寬度發(fā)展緩慢，無支撐情況下截面裂縫寬度發(fā)展較迅速，當(dāng)抬升量為50 mm時(shí)，無支撐情況的裂縫寬度已接近有支撐情況的5.4倍。

圖3 隧道內(nèi)部有無支撐注漿抬升對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

注漿抬升施工后待支撐軸力及隧道變形收斂值保持穩(wěn)定后，需進(jìn)行拆撐(拆除支撐)。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)支撐拆除后支撐軸力、變形收斂基本保持平穩(wěn)，說明注漿起到了預(yù)期的效果，能夠有效增強(qiáng)側(cè)向土體強(qiáng)度以及土體抗力，從而控制隧道在拆除支撐后應(yīng)力釋放過程中的變形；同時(shí)部分支撐在隧道抬升期間發(fā)生了塑性變形，從而在一定程度上保證了隧道的過量收斂變形。

3.2 不同注漿位置及順序?qū)σr砌結(jié)構(gòu)的影響

3.2.1 不同注漿位置對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)比兩邊注漿(K8、K10兩孔)與中間注漿(K9單孔)，研究單環(huán)管片注漿位置對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。假定兩邊注漿時(shí)左右兩側(cè)注漿量相同，注漿深度為1.50 m，注漿后土體參數(shù)及其他假設(shè)與2.1相同。分別模擬單環(huán)管片在隧底不同范圍注漿抬升10、20、30、40、50 mm的情況。

隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。隧道注漿抬升相同高度時(shí)，采用中間注漿比兩邊注漿的隧道內(nèi)支撐軸力大，二者差值隨著隧道注漿抬升量的增大而增大，其中隧道抬升50 mm時(shí)，采用中間注漿比兩邊注漿的隧道內(nèi)支撐軸力大36.5%；采用中間注漿比兩邊注漿的隧道管片最大彎矩大，二者差值隨著隧道注漿抬升量的增大而逐漸增大，當(dāng)隧道抬升50 mm時(shí)，中間注漿比兩邊注漿的管片最大彎矩大137.3%；采用中間注漿管片的最大彎矩處的裂縫寬度遠(yuǎn)大于兩邊注漿的情況，當(dāng)隧道抬升50 mm時(shí)，采用中間注漿管片最大彎矩處的裂縫寬度是兩邊注漿的6倍。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用兩邊(K8、K10注漿孔)注漿相比中間(K9注漿孔)注漿，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響更小。

圖4 不同注漿位置對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響

3.2.2 深度方向不同注漿順序?qū)σr砌結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)比K8、K10兩注漿孔采用自上而下與自下而上兩種注漿順序，研究單環(huán)管片深度方向不同注漿順序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，注漿順序如圖5所示。注漿深度為1.50 m，分10層(每層0.15 m)逐層等量注漿。

圖5 深度方向不同的注漿順序

隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。隧道注漿抬升相同高度時(shí)，采用自下而上注漿比自上而下注漿的隧道內(nèi)支撐軸力大，二者差值隨著隧道注漿抬升量的增大而增大，當(dāng)隧道抬升50 mm時(shí)，自下而上注漿比自上而下注漿的隧道內(nèi)支撐軸力大14.5%；采用自下而上注漿比自上而下注漿的隧道管片結(jié)構(gòu)最大彎矩大，當(dāng)隧道抬升50 mm時(shí)，自下而上注漿比自上而下注漿的隧道最大彎矩大8.5%；采用自下而上注漿與自上而下注漿相比，管片的最大彎矩處裂縫寬度差別不大。

圖6 深度方向不同注漿順序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響

將不同注漿順序等抬升量模擬改為不同注漿順序等注漿量(體應(yīng)變)模擬，分別模擬深度及方向不同的注漿順序，注漿單元體應(yīng)變?yōu)?.5%、10.0%、11.5%時(shí)的隧道抬升情況，模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 隧道抬升量隨注漿深度變化

在0～2.0 m范圍內(nèi)注漿時(shí)，采用自下而上注漿，因?yàn)橄路?.8 m范圍內(nèi)凝固的漿液為上部注漿提供了更好的持力層，所以在注漿量相同的情況下，采用自下而上順序注漿比自上而下順序注漿，隧道的抬升量更大。采用自上而下的注漿順序，當(dāng)注漿深度超過1.6 m時(shí)，上部漿液凝固對(duì)下部注漿的阻隔作用逐漸增大，注漿對(duì)隧道抬升的影響逐漸減小，表現(xiàn)為曲線斜率逐漸降低，尤其當(dāng)注漿量不大時(shí)，在1.8～2.0 m范圍內(nèi)注漿對(duì)隧道抬升已基本無影響。因此，需根據(jù)隧道所需抬升量，結(jié)合具體地層情況選擇合適的注漿深度。

3.2.3 注漿不同先后順序?qū)σr砌結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)比先中間(K9)后兩邊注漿(K8、K10)與先兩邊(K8、K10)后中間注漿(K9)的兩種順序注漿，研究單環(huán)管片水平方向注漿順序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

注漿順序如圖8所示，注漿深度為1.50 m，假定3個(gè)注漿孔注漿量相等，注漿后土體參數(shù)及其他假設(shè)與2.1章節(jié)相同，分別模擬隧道以水平方向不同順序注漿抬升10、20、30、40、50 mm的情況。

圖8 不同注漿順序

隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖9所示。隧道注漿抬升相同高度時(shí)，采用先兩邊后中間注漿比先中間后兩邊注漿的隧道內(nèi)支撐軸力大，二者差值隨著隧道注漿抬升量的增大而增大，當(dāng)隧道抬升50 mm時(shí)，先兩邊后中間注漿比先中間后兩邊注漿比隧道內(nèi)支撐軸力大10.5%；采用先兩邊后中間注漿比先中間后兩邊注漿的隧道管片最大彎矩大，二者差值隨著隧道注漿抬升量的增大而增大，當(dāng)隧道抬升50 mm時(shí)，先兩邊后中間注漿比先中間后兩邊注漿的隧道最大彎矩大32.1%；先兩邊后中間注漿比先中間后兩邊注漿的管片裂縫寬度增長(zhǎng)更快，在隧道抬升50 mm時(shí)，先兩邊后中間注漿的管片最大彎矩處裂縫寬度是先中間后兩邊注漿的2倍。因此，需要對(duì)隧道底部3個(gè)注漿孔注漿時(shí)，采用先中間后兩邊的順序注漿，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響更小。

圖9 注漿不同先后順序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響

4 結(jié)論

對(duì)盾構(gòu)隧道注漿抬升不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算了不同注漿位置及順序時(shí)，使隧道抬升至相同高度時(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1) 在注漿過程中通過在隧道架設(shè)支撐可有效減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

2) 在抬升量相同的情況下，僅兩側(cè)注漿情況引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值明顯小于僅隧底注漿的情況。

3) 深度方向的注漿順序不同，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形也不同。

4) 采用自上而下注漿時(shí)，上部漿液凝固對(duì)下部注漿有一定的阻隔作用，當(dāng)注漿深度超過一定范圍后，繼續(xù)注漿對(duì)隧道抬升基本無影響。

5) 如注漿范圍一定而注漿順序不同時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力也不同。

6) 以隧道抬升量相同、結(jié)構(gòu)內(nèi)力最小為控制標(biāo)準(zhǔn)，建議采用“自上而下，先中間后兩邊，中間加固兩邊抬升”的注漿抬升方法，并盡量加大注漿范圍。

[4] 李軍.注漿加固技術(shù)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降處理中的應(yīng)用研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2013.

[10] 蔡軍.隧道穿越建筑物過程中注漿抬升技術(shù)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2009.

[11] 董葳.注漿抬升的數(shù)值模擬及抬升規(guī)律研究[D].北京:北京交通大學(xué),2014.

(編輯：郝京紅)

Influence on Lining Structure by Grouting Uplift of Shield Tunnel

Zhao Xin

(Hunan Communication Polytechnic, Changsha 410132)

Based on a grouting uplift project of shield tunnel, the influence calculation model of shield tunnel uplift grouting on segment lining structure is established. The calculation model is verified to be correct by comparing the measured on-site data and the numerical results, and the influence of different grouting positions, different grouting orders on the segment lining structure is discussed, which provides theoretical reference for shield tunnel grouting uplift projects.

grouting uplift of shield tunnel; calculation model; different grouting position; different grouting order; shield segment; lining structure

趙欣，男，碩士，講師，從事軌道交通安全及測(cè)繪測(cè)量的研究，zhlwtg@163.com

U456.3

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