注漿壓力對盾構隧道管片變形及受力特性的影響研究

馮宏朝　高　鋒　王少鵬

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州　450001)

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注漿壓力對盾構隧道管片變形及受力特性的影響研究

馮宏朝高鋒王少鵬

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州450001)

以深圳地鐵7號線為工程背景，通過建立數值計算模型，探究了管片襯砌在非均勻注漿壓力作用下的變形及受力情況，結果表明：在非均勻注漿壓力的作用下，盾構隧道管片襯砌結構產生明顯的上浮現象，管片上浮值較大，管片應力值在可控范圍內。

盾構隧道，管片，注漿壓力，上浮力

隨著我國城市化進程的不斷加快，地鐵成為了緩解城市內部交通擁堵問題的有效措施。盾構法憑借其施工速度快、對環境及周圍建筑的擾動小等優點，在地下鐵道的建設過程應用更加廣泛。但是，當盾構隧道穿越各類復雜地層時，其面臨諸多問題與挑戰。當盾構隧道埋深較淺時，上覆土壓力等不足以抵抗注漿壓力等效應所形成的上浮力對管片襯砌的作用時，管片會出現上浮現象，從而導致管片出現一定程度的破損，削弱了隧道結構的承載能力及耐久性。本文以深圳地鐵7號線為工程依托，探究盾構隧道穿越淺覆土地段時，在施工階段非均勻分布的注漿壓力對管片襯砌結構變形及受力特征的影響規律，對現場施工提供指導。

1　工程概況

深圳地鐵7號線全長30.41 km，其中西麗湖站—西麗站區間位于深圳市南山區，本文以隧道埋深較淺的DK0+882.836～DK0+942.836長度為60 m的區段進行研究。該段隧道覆土平均厚度6.4 m，從地面向下各地層分別為素填土、礫質粘性土、全風化花崗巖及微風化花崗巖等地層。

2　建立數值計算模型

2.1計算基本假設

為了方便建立數值計算模型，同時使計算結果與實際情況更加接近，做出以下假定：1)不考慮管片襯砌之間的相互作用，將管片襯砌環按照一個整體考慮，對剛度進行折減；2)不考慮地下水對計算結果的影響；3)將地層進行適當的簡化，物理力學參數取該范圍內地層的平均值。

2.2選取計算參數

盾構隧道施工過程中，在管片脫離盾構機后，管片環失去了盾構機的壓重作用，同時由于漿液還沒有凝結，受到注漿壓力的作用，此時的管片上浮量最大，施工過程控制難度最大，本文即采用ANSYS軟件選擇管片脫離盾構機后在最淺覆土斷面上浮這一過程進行模擬，利用三維有限元模型對施工期盾構隧道的上浮特性進行了數值模擬。根據地質勘查報告選取地層參數，各地層的物理力學參數見表1。

表1　地層及結構參數表

2.3建立計算模型

根據區間內所選區段的地質分布情況建立數值計算模型，其中模型長60 m(隧道軸線方向)，寬58 m，高30.4 m，取隧道埋深為6.4 m，均能滿足開挖土體影響范圍3倍～5倍洞徑的要求，單元類型為六面體8節點Solid45實體單元，每個節點都具有X，Y，Z三個方向的自由度，具有塑性、大變形和大應變的能力。管片外徑為6.0 m，內徑為5.4 m，管片厚30 cm，注漿層厚度為20 cm。有限元計算模型如圖1所示。

2.4模擬開挖及施加注漿壓力

模擬隧道開挖時，采用軟件程序提供的“生”與“死”及材料參數變換功能進行模擬，通過分次殺死和激活單元、變換不同位置的材料參數來模擬盾構隧道的掘進、管片拼裝及同步注漿的過程。為減少計算工作量，模型取2環襯砌作為一個計算開挖步，即每個開挖步長3 m，共40個開挖步。當管片脫離盾尾之后，管片失去了盾尾的約束作用，管片上方和兩側的土體在盾構掘進擾動及重力作用下坍落到管片上，導致注漿漿液聚集在管片下半部。因此，管片在非均勻分布的注漿壓力作用下會出現上浮現象，計算中在管片下半部分的外側施加徑向的上浮力。

3　計算結果分析

考慮到邊界效應對計算結果的影響，本文選取15 m～51 m范圍內的管片進行分析，對管片襯砌結構的位移及受力狀態進行分析，對隧道結構的安全狀態進行評價。

3.1管片位移

考慮注漿壓力對管片結構的作用，左線和右線管片豎向位移云圖分別見圖2，圖3。從圖2，圖3可以看出，管片在上浮力作用下，在管片發生上浮的區段，底部位移比頂部位移要大，整個管片呈“橫鴨蛋”型。考慮到邊界效應的影響，左線管片的最大上浮值為3.91 cm，右線管片的最大上浮值為 3.56 cm(管片頂部的上浮量)。管片在距離掘進面較遠的區段，基本不再上浮，其原因是周圍土體及漿液變形趨于穩定，管片變形也趨于穩定。

管片襯砌發生整體上浮現象的位移圖如圖4所示。可以看出盾構管片發生了明顯的上浮現象。從圖4可知管片在上浮力作用下整體向上移動；管片在距離掘進面6 m的區域內上浮量較大，其主要原因是注漿漿液還未凝結，受到的約束較小，在上浮力的作用下管片急劇上浮。

3.2管片受力狀態

當左線、右線隧道貫通后，管片襯砌結構的豎向應力云圖分別見圖5，圖6。從圖5，圖6中可以看出，管片在上浮力的作用下，拱腰附近的區域內受到的應力較大(負值為壓)，從提取的數據來看，管片受到的最大壓應力為6.60 MPa，最大拉應力為2.98 MPa。最大壓應力滿足混凝土的抗壓強度，實際工程中管片布置了受力鋼筋，最大拉應力不足以對管片結構安全構成威脅。

4　結語

本文借助數值計算對盾構穿越淺覆土地段時的管片襯砌結構在非均勻的注漿壓力作用下的位移及受力狀態進行了分析，對施工具有一定的指導借鑒意義。1)在非均勻的注漿壓力作用下，脫離盾尾的管片襯砌結構會產生明顯的上浮問題，這對隧道結構的承載及防災能力是不利的；2)管片襯砌在上浮之后，最大應力值均在可控范圍內，對襯砌結構的應力影響較小。

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Study on the impact of deformation and stress characteristics of grouting pressure upon shield tunnel duct piece

Feng HongchaoGao FengWang Shaopeng

(China Hydropower 11th Engineering Bureau Co., Ltd, Zhengzhou 450001, China)

Taking Shenzhen subway line No.7 as the engineering background, through establishing numerical calculation model, the paper explores the deformation and stress conditions of duct piece lining under uneven grouting pressure. Results show that: the shield tunnel duct piece lining structure will occur obvious floating phenomenon under uneven grouting pressure action, the duct piece floating value will be bigger, duct piece stress value is within controllable range.

shield tunnel, duct piece, grouting pressure, floating force

1009-6825(2016)25-0162-02

2016-06-27

馮宏朝(1963- ),男,工程師

U455.43

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