壁后注漿對(duì)盾構(gòu)管片及地表變形的影響分析

沈 晨，席培勝，方 潔

（安徽建筑大學(xué) 安徽省城市建設(shè)和地下空間工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230601）

隨著地鐵建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，城市地下空間的開(kāi)發(fā)和利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，地下空間的利用也有效解決了城市人口密度不斷增長(zhǎng)帶來(lái)的地面空間緊張問(wèn)題，同時(shí)也是促進(jìn)城市發(fā)展、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的有效措施[1].其中盾構(gòu)隧道施工已成為城市地下工程施工的主要方法，發(fā)揮的作用也越來(lái)越重要.但盾構(gòu)施工過(guò)程在一定程度上控制著地表沉降大小及其分布[2].國(guó)內(nèi)外大量研究學(xué)者針對(duì)施工對(duì)土體擾動(dòng)產(chǎn)生變形這一問(wèn)題進(jìn)行了一系列研究[3-6]，但無(wú)論盾構(gòu)技術(shù)如何發(fā)展改進(jìn)，都不可避免地存在著由于盾構(gòu)施工而產(chǎn)生的沉降變形等一系列問(wèn)題[7-8].而且地表沉降過(guò)大還會(huì)危及周?chē)ㄖ锇踩?，引發(fā)一些巖土工程問(wèn)題[9].且施工過(guò)程中因?yàn)橐恍┦┕ぜ夹g(shù)問(wèn)題對(duì)管片的變形也會(huì)產(chǎn)生影響，變形過(guò)大時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的承載有一定的不利影響[10].因此，研究盾構(gòu)施工對(duì)管片及地表變形很有必要.

以合肥地鐵2號(hào)線長(zhǎng)江西路段區(qū)間盾構(gòu)施工為工程背景，運(yùn)用有限元軟件MIDAS(GTS)進(jìn)行模擬盾構(gòu)開(kāi)挖全過(guò)程，模擬過(guò)程中注意控制同步注漿，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)由施工產(chǎn)生的管片和地表變形進(jìn)行了分析.

1 工程概況

合肥地鐵2號(hào)線長(zhǎng)江西路段區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道直徑6.28m，拱頂埋深約11.1～28.6m.本文以2號(hào)線長(zhǎng)江西路段隧道左線60m長(zhǎng)度某一區(qū)段進(jìn)行研究.該區(qū)段的土層按土體巖性特性由上至下依次為人工填土、黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，本段隧道通過(guò)的是中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖.地下水主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水.人工填土中主要富含的是第四系孔隙水，以上層滯水為主，黏土層在區(qū)間分布較廣泛，總的厚度較大，埋深較淺，成層性較好，含水量較小，黏性土透水性和富水性均較弱.巖石強(qiáng)、中等風(fēng)化帶中富含的主要是基巖裂隙水.基巖的含水性、透水性受巖體的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、裂隙發(fā)育程度等的控制，由于巖體的各向異性，加之局部巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，導(dǎo)致巖體富水程度與滲透性也不相同.巖體的節(jié)理、裂隙發(fā)育地帶，地下水相對(duì)富集，透水性也相對(duì)較好.段內(nèi)主要為泥質(zhì)砂巖，富水性及透水性均較弱，基巖裂隙水總體貧乏，段內(nèi)地下水總體不發(fā)育.合肥地區(qū)地質(zhì)土層因其區(qū)域性特征的特點(diǎn)，施工難度也由此增加.

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

建立計(jì)算模型時(shí)不考慮已有隧道對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，因此只模擬隧道左線施工.模型中圍巖采用各向同性模型，服從彈塑性本構(gòu)關(guān)系，采用修正Mohr-Coulomb準(zhǔn)則.計(jì)算模型巖土體橫向尺寸取45m，豎向厚度取為35m，隧道軸線方向即盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向尺寸為60m.模型網(wǎng)格共劃分為24895個(gè)單元，131154個(gè)節(jié)點(diǎn)，總體見(jiàn)圖1.盾構(gòu)隧道內(nèi)開(kāi)挖土體直徑與管片內(nèi)徑相等為5.4m，管片外徑為6m，厚度300mm，注漿體厚度140mm，具體見(jiàn)圖2.管片和注漿體均為各向同性彈性體.邊界條件：上邊界是地表，為自由邊；兩側(cè)面為了限制水平移動(dòng)施加一定的水平約束；底面為了限制其垂直和水平移動(dòng)施加一定的垂直約束.

圖1 計(jì)算模型

圖2 管片襯砌及注漿體單元

2.2 參數(shù)的選定

根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)勘測(cè)的地層從上至下的分布情況，將土層歸并分為力學(xué)性質(zhì)不同的5層巖土體，盾構(gòu)管片襯砌按C50混凝土的材料參數(shù)來(lái)選取.C50混凝土的彈性模量為35.5GPa，具體參數(shù)見(jiàn)表1.

2.3 模擬開(kāi)挖過(guò)程

采用有限元MIDAS軟件模擬隧道開(kāi)挖施工過(guò)程，定義施工階段組時(shí)通過(guò)分次激活和鈍化單元體來(lái)控制盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的過(guò)程，管片拼裝過(guò)程以及同步注漿.為簡(jiǎn)化整個(gè)計(jì)算結(jié)果，模擬開(kāi)挖時(shí)，模型取一步開(kāi)挖兩環(huán)管片襯砌的長(zhǎng)度，即每步開(kāi)挖3m，一共開(kāi)挖40步.施工中，把具有流動(dòng)性質(zhì)的漿體注入盾尾間隙，同時(shí)給管片施加一定的注漿壓力，模擬過(guò)程中直接給管片施加均勻分布的注漿壓力.以此來(lái)計(jì)算管片和地表的變形.

表1 材料基本物理力學(xué)參數(shù)

3 成果分析

3.1 管片位移

在考慮了注漿壓力作用的條件下，對(duì)管片位移進(jìn)行分析.管片的豎向位移云圖見(jiàn)圖3，變形圖見(jiàn)圖4.隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，第一環(huán)管片拱頂和拱底某一固定點(diǎn)處管片的豎向位移曲線圖見(jiàn)圖5.

圖3 管片豎向位移云圖

圖4 管片豎向位移變形圖

圖5 管片拱頂、拱底固定點(diǎn)豎向位移曲線

由圖3可以看出，管片在施工開(kāi)始階段產(chǎn)生了較大的豎向位移，發(fā)生在拱頂位置.隨著盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)，管片豎向位移逐漸減小，最小值約為2.2mm左右，發(fā)生在管片底部.管片位移從開(kāi)挖起始到開(kāi)挖結(jié)束逐漸減小，其原因是周?chē)馏w變形逐漸穩(wěn)定而且注漿體的變形也逐步開(kāi)始穩(wěn)定，對(duì)管片變形的影響減小.管片襯砌的變形圖為圖4，通過(guò)此圖可以看到掘進(jìn)至5～15m區(qū)段內(nèi)，管片出現(xiàn)較大的上浮，主要由于漿體的流動(dòng)性使管片所受約束較小，變形增大.通過(guò)管片位移曲線圖可知，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，拱頂和拱底處的位移先開(kāi)始增大，隨后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明開(kāi)挖距離選取點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，對(duì)管片變形的影響逐漸減小.

3.2 地表位移

隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行，地面沉降大小和分布在一定程度上都會(huì)受到影響.地表沉降的原因有多種，基本的為施工期間盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)而引起的地層損失.此次模擬的地表沉降結(jié)果見(jiàn)圖6-圖9及表2.圖6至圖9為位移云圖，統(tǒng)一取Y=0斷面.

圖6 掘進(jìn)15m時(shí)的位移云圖

圖7 掘進(jìn)30m時(shí)的位移云圖

圖8 掘進(jìn)45m時(shí)的位移云圖

圖9 掘進(jìn)57m時(shí)的位移云圖

表2 隧道開(kāi)挖引起的地表沉隆變形

由圖6-圖9可知，隨著開(kāi)挖深度越深，地表的位移越來(lái)越大，然后逐漸穩(wěn)定.由表2可知拱底處的最大隆起變形先增大再逐漸減小而后趨于穩(wěn)定，最大隆起值在9mm左右，拱頂處的最大下沉變形逐漸增加而后趨于穩(wěn)定，最大下沉值在21mm左右.且在開(kāi)挖一定深度內(nèi)沉降較大.豎向地表位移呈現(xiàn)此變化是由于土體開(kāi)挖卸載之后上部土體對(duì)拱頂，下部土體對(duì)拱底的土壓力作用，使地表發(fā)生沉隆變形.此次模擬結(jié)果符合工程實(shí)際，因此可以提供一些參考.

4 結(jié)語(yǔ)

由此次模擬計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）注漿技術(shù)對(duì)管片變形有一定的影響，注漿時(shí)的壓力不定會(huì)使管片出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，因此施工時(shí)要控制同步注漿來(lái)降低管片的變形量.

（2）盾構(gòu)施工對(duì)地表豎向位移的影響有隆起和下沉，一般隆起發(fā)生在拱底，下沉發(fā)生在拱頂，本次模擬結(jié)果表明，隆起最大變形為9.44mm，下沉最大變形為-21.72mm，即拱頂下沉變形值比隆起值要大，且最大變形發(fā)生在上部土體.

（3）地表產(chǎn)生沉隆變形的主要原因是盾構(gòu)前進(jìn)過(guò)程中應(yīng)力的釋放和失土以及對(duì)土體施加的頂推力的作用.因此，可以從工程措施方面考慮來(lái)降低地表變形.