盾構(gòu)掘進(jìn)速度與建筑物基礎(chǔ)注漿加固對(duì)地表沉降與孔壓變化影響的研究

周東偉，張遠(yuǎn)榮

(1.成都鐵路局，四川成都 610081;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東深圳 518034)

1 工程情況

深圳地鐵2號(hào)線模擬計(jì)算段場(chǎng)地原屬于海漫灘地貌，后填海形成陸地，計(jì)算區(qū)間砂層深厚，地下水豐富，場(chǎng)地內(nèi)地下水主要有松散土層孔隙潛水及基巖裂隙水。

建立如圖1所示盾構(gòu)過富水砂層流—固耦合計(jì)算模型，模型寬×長(zhǎng)×高為100 m×90 m×32 m。

本文模擬計(jì)算時(shí)各土層力學(xué)參數(shù)取值見表1。

2 流—固耦合相互作用計(jì)算流程

土體流—固耦合計(jì)算包括土體力學(xué)計(jì)算與滲流固結(jié)計(jì)算兩部分，土體力學(xué)計(jì)算運(yùn)用了有效應(yīng)力的土體平衡方程和土體本構(gòu)關(guān)系，滲流固結(jié)計(jì)算運(yùn)用了孔隙水的滲流固結(jié)協(xié)調(diào)方程和孔隙水滲流連續(xù)方程。土體流—固耦合數(shù)值模擬計(jì)算模型和流程見圖1和圖2。

圖1 盾構(gòu)過富水砂層流—固耦合計(jì)算模型

圖2 土體流—固耦合數(shù)值模擬計(jì)算流程示意

3 盾構(gòu)掘進(jìn)速度及建筑物基礎(chǔ)注漿加固對(duì)地表沉降與孔壓變化影響的模擬研究

3.1 概述

為了描述隧道掘進(jìn)過程中和開挖后場(chǎng)地變形和孔壓變化特征，在流—固耦合數(shù)值模擬計(jì)算模型上設(shè)定沉降和孔壓記錄觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)的位置和編號(hào)如圖3。

3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)速度對(duì)建筑物基礎(chǔ)沉降與孔壓變化的影響分析

為了研究盾構(gòu)機(jī)在富水砂層中掘進(jìn)速度對(duì)地表建筑物基礎(chǔ)沉降與孔壓變化的規(guī)律，本文以深圳地鐵2號(hào)線2205標(biāo)盾構(gòu)在富水砂層中的實(shí)際施工速度作為正常掘進(jìn)速度(以下簡(jiǎn)稱常速掘進(jìn))，人為地設(shè)置比正常掘進(jìn)速度慢一半的掘進(jìn)速度(以下簡(jiǎn)稱慢速掘進(jìn))及比正常掘進(jìn)速度快一倍的掘進(jìn)速度(以下簡(jiǎn)稱快速掘進(jìn))兩種情況，通過流—固耦合數(shù)值模擬計(jì)算，分析了在富水砂層中盾構(gòu)掘進(jìn)速度對(duì)地表建筑物基礎(chǔ)沉降與孔壓變化的影響，為在富水砂層中進(jìn)行盾構(gòu)施工選用何種掘進(jìn)速度提供參考。

表1 模擬計(jì)算時(shí)各土層力學(xué)參數(shù)

圖3 計(jì)算模型沉降與孔壓觀測(cè)點(diǎn)分布示意(單位:m)

快速掘進(jìn)、正常掘進(jìn)和慢速掘進(jìn)隧道開挖后Y=45 m處橫剖面豎向位移等值線圖分別如圖4、圖5和圖6所示。從以上圖形中看出，開挖速度越快，基礎(chǔ)下方土體沉降越小，基礎(chǔ)橫向兩側(cè)地表隆起值也越小。

圖4 快速掘進(jìn)后豎向位移三維等值線

圖5 常速掘進(jìn)后豎向位移三維等值線

如圖7所示，橫向上在離隧道中心一倍埋深位置以外地表豎向位移值幾乎為零，即橫向上在離隧道中心一倍埋深位置以外盾構(gòu)掘進(jìn)速度對(duì)地表建筑物基礎(chǔ)豎向位移影響很少。

如圖8所示，從隧道中軸線的縱剖面來看，三種掘進(jìn)速度造成基礎(chǔ)縱向沉降規(guī)律相似，其中慢速掘進(jìn)產(chǎn)生的沉降值最大，快速掘進(jìn)最小，常速掘進(jìn)居于兩者之間。基礎(chǔ)沉降值越大其兩側(cè)土體隆起值越大，由于基礎(chǔ)縱向兩側(cè)土體在隧道正上方，受隧道開挖擾動(dòng)影響產(chǎn)生的沉降值大于因基礎(chǔ)沉降引起的隆起值。

三種掘進(jìn)速度工況下基礎(chǔ)下方的孔壓變化如圖9所示，慢速掘進(jìn)時(shí)土倉(cāng)排水總量較大，基礎(chǔ)下方土體屈服破壞程度較高，導(dǎo)致局部孔隙壓力上升較大。在橫向距隧道一倍埋深后孔壓的恢復(fù)趨向一致。

圖7 三種工況下Y=45 m處橫剖面上地表沉降分布

圖8 三種工況下X=0處縱剖面上地表沉降分布

3.3 建筑物基礎(chǔ)注漿加固對(duì)基礎(chǔ)沉降與孔壓變化的影響分析

計(jì)算模型建筑物地基加固注漿范圍如圖10所示。注漿范圍在隧道縱向長(zhǎng)18 m、橫向?qū)?2 m，深度8 m，模擬計(jì)算時(shí)對(duì)注漿加固后土體彈性模量采用7.5 GPa，泊松比為 0.25。

圖9 三種工況下Y=45 m處橫剖面地下4 m孔壓分布

地基注漿工況下隧道開挖后模型橫向、縱向和豎向位移三維等值線圖如圖11、圖12及圖13所示。

地基注漿與未注漿情況下，基礎(chǔ)中心地表橫剖面與縱剖面沉降如圖14和圖15所示。與未注漿情況相比，地基注漿后基礎(chǔ)最大沉降減小60%左右，注漿體地表各點(diǎn)沉降值相近。注漿體外側(cè)地表有小幅度的隆起，隆起值比地基未注漿加固時(shí)小，地基注漿加固對(duì)遠(yuǎn)處地表豎向沉降影響較小。

圖10 建筑物地基注漿加固示意

圖11 地基注漿工況下隧道開挖后模型橫向位移三維等值線

圖12 地基注漿工況下隧道開挖后模型縱向位移三維等值線

圖13 地基注漿工況下隧道開挖后模型豎向位移三維等值線

圖14 基礎(chǔ)中心橫剖面地表橫向沉降分布

圖15 基礎(chǔ)中心縱剖面地表縱向位移分布

在縱向上，地基注漿加固后，基礎(chǔ)沉降最大值＜10 mm。與地基未注漿加固前對(duì)比，基礎(chǔ)地表沉降值下降幅度較大。注漿后注漿體兩側(cè)土體地表的沉降值比注漿前大。

如圖16所示，地基注漿加固后，加固區(qū)土體孔壓滲透系數(shù)降低，盾構(gòu)開挖對(duì)加固區(qū)孔壓的影響減弱。

圖16 Y=45 m處橫剖面上地下4 m(Z=12 m)的孔壓分布

4 結(jié)論

本文以深圳地鐵2號(hào)線某段富水砂層為例，建立隧道盾構(gòu)掘進(jìn)三維仿真計(jì)算模型，考慮水土流—固耦合相互作用，采用有效應(yīng)力法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。研究了盾構(gòu)三種不同掘進(jìn)速度、建筑物基礎(chǔ)注漿加固與未注漿加固等不同施工條件與施工參數(shù)對(duì)環(huán)境影響的變化規(guī)律。取得了一些新的認(rèn)識(shí)和具有指導(dǎo)施工意義的結(jié)論如下:

1)富水砂層盾構(gòu)在快速掘進(jìn)、正常掘進(jìn)及慢速掘進(jìn)時(shí)，對(duì)地表建筑物基礎(chǔ)所產(chǎn)生的沉降與孔壓變化的影響研究表明:三種掘進(jìn)速度造成基礎(chǔ)縱向沉降規(guī)律相似，其中慢速掘進(jìn)產(chǎn)生的沉降值最大，快速掘進(jìn)最小，正常掘進(jìn)居于兩者之間;三種掘進(jìn)速度情況下基礎(chǔ)下方的孔壓變化趨勢(shì)相同。為減少盾構(gòu)開挖對(duì)建筑物基礎(chǔ)沉降的影響，盡量加快盾構(gòu)掘進(jìn)的施工速度。

2)在建筑物基礎(chǔ)注漿加固與未注漿加固時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表建筑物基礎(chǔ)所產(chǎn)生的沉降與孔壓變化的影響研究表明:建筑物基礎(chǔ)注漿加固對(duì)減少基礎(chǔ)沉降的作用明顯，與基礎(chǔ)未注漿加固相比，其沉降減小了55%左右。地基注漿加固前后，在注漿體范圍內(nèi)盾構(gòu)開挖引起的孔壓差異較大，地基注漿加固前孔壓下降較大，加固后孔壓下降較小。為減少盾構(gòu)開挖對(duì)建筑物基礎(chǔ)沉降的影響，盡可能在建筑物基礎(chǔ)下方進(jìn)行注漿加固處理。

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