盾殼環(huán)向間隙充填對穿越隧道變形規(guī)律的影響分析

吳全立，王夢恕，殷明倫

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044； 2.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100088；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

盾構(gòu)施工下穿既有線隧道時(shí)，對運(yùn)營線的影響主要是既有線隧道變形。國內(nèi)學(xué)者大多從地層損失、盾尾管片背后環(huán)向間隙同步注漿率[1-2]、跟蹤注漿[3]、沉降槽理論[4]、監(jiān)測控制[5]等方面研究盾構(gòu)施工對運(yùn)營線的影響，成果也比較成熟。盾構(gòu)隧道下穿既有運(yùn)營線時(shí)，既有線隧道的安全保護(hù)技術(shù)措施與對策是施工首先要考慮的問題[6]。盾構(gòu)施工對周圍土體及構(gòu)筑物的擾動影響機(jī)理，大多通過實(shí)測數(shù)據(jù)對盾構(gòu)近距離穿越擾動影響問題進(jìn)行定量分析，研究和分析運(yùn)營隧道對各盾構(gòu)施工參數(shù)的敏感性。盾構(gòu)穿越對已建地鐵隧道的擾動影響主要以隧道的豎向位移為主，盾尾通過后隧道段受盾構(gòu)穿越的影響顯著，但隆起峰值始終位于盾尾后方[7]。目前，多位學(xué)者根據(jù)大量的現(xiàn)場監(jiān)測資料，研究了盾構(gòu)掘進(jìn)對橫向和縱向地表沉降的影響過程，并探討了盾構(gòu)掘進(jìn)各個(gè)階段的沉降占總沉降量的百分比，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)對橫向地表沉降的影響范圍，以及各種施工因素對地表沉降的影響[8-10]。

由于盾構(gòu)機(jī)配備的同步漿液的注入點(diǎn)在盾尾后方，無法及時(shí)填充盾體與土體之間的間隙，無法抑制盾體周邊土體變形等。因此當(dāng)盾構(gòu)下穿既有線隧道時(shí)，盾殼環(huán)向間隙成為控制盾構(gòu)體上方的土體沉降亟待解決的技術(shù)問題，本文采用數(shù)值模擬方法分析其對既有線隧道變形規(guī)律的影響。

1 盾殼環(huán)向間隙

以刀盤直徑為6.28 m的盾構(gòu)機(jī)為研究對象，該盾構(gòu)機(jī)前盾直徑6.25 m，中盾直徑 6.24 m，盾尾直徑6.23 m。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，盾體與土體之間存在30～50 mm的間隙(因盾體自重，盾體下部與土體緊密接觸，上部間隙最大)，每掘進(jìn)1環(huán)(1.2 m)，理論上在前盾周圍會產(chǎn)生0.35 m3的空隙。在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中，盾尾以后管片背后環(huán)向間隙由同步注漿注入注漿材料充填，刀盤前端由土艙內(nèi)渣土進(jìn)行充填，而刀盤與盾尾之間將形成空隙，從而產(chǎn)生地層變形沉降。盾殼周邊形成的環(huán)向間隙如圖1所示。

圖1 盾殼周邊形成的環(huán)向間隙示意

通常工況下，盾殼環(huán)向間隙是不注入填充材料的，其填充的是泥土料、同步注漿料以及泥水甚至是空氣的混合物。由于受土艙泥土壓力與盾尾同步注漿壓力相互作用的影響，這些混合物會表現(xiàn)出不同的情況。也正是這種填充材料的不確定性，才會在盾尾未達(dá)到該區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生難以控制的沉降。

1.1 盾殼環(huán)向間隙對沉降的影響程度

通常根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)在推進(jìn)過程中所引起的地表沉降，按盾構(gòu)施工各階段對沉降的影響，地表沉降可大致分為5個(gè)階段[11-12]如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)施工過程中沉降發(fā)展規(guī)律和階段劃分

前2個(gè)階段的沉降，主要與地層參數(shù)、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)參數(shù)有關(guān)。最后2個(gè)階段是通過同步注漿、二次注漿以及跟蹤注漿來進(jìn)行限制和糾正。只有第3階段的沉降(約占總沉降量的15%～30%[13])是由于盾殼周圍環(huán)向間隙與土體之間無有效支承引起的。

1.2 盾殼環(huán)向間隙充填的意義

對盾構(gòu)殼體外周環(huán)向間隙注入一種填充材料，以達(dá)到完全填充這個(gè)空間，對隧道開挖土體形成一種有效支承作用，如圖3所示。

圖3 盾殼周邊環(huán)向間隙注入充填材料示意

當(dāng)盾構(gòu)施工穿越既有線時(shí)，這種充填更加必要。克泥效工法就是在該背景下引進(jìn)應(yīng)用的，在北京地鐵14號線阜通西站—望京站區(qū)間下穿運(yùn)營的15號線盾構(gòu)隧道工程中，運(yùn)營線隧道沉降控制在允許范圍內(nèi)[14]。本文以克泥效充填為研究對象，采用ABAQUS軟件建立盾構(gòu)施工二維數(shù)值計(jì)算模型，分析環(huán)向間隙充填對穿越既有線隧道變形規(guī)律的影響。

2 依托工程概況

2.1 區(qū)間概況

深圳地鐵9號線梅村至上梅林區(qū)間(簡稱梅上區(qū)間)采用2臺盾構(gòu)自上梅林站始發(fā)，下穿地鐵4號線盾構(gòu)區(qū)間隧道，最后到達(dá)梅村站接收。目前上跨段廣深港客運(yùn)專線尚未開通，地鐵4號線已運(yùn)營。

2.2 4號線(龍華線)隧道與線路關(guān)系

深圳地鐵4號線位于上梅林站西側(cè)，中康路下方，為直徑6 m的盾構(gòu)隧道。隧道拱頂覆土約8.5 m，軌面標(biāo)高9.048 m。

梅上區(qū)間隧道與4號線類似正交，4號線右線外緣距離9號線上梅林站基坑16.7 m，4號線右線外緣距離9號線上梅林站基坑19.1 m。9號線隧道頂部與4號線隧道底部凈距最小2.497 m，最大3.108 m。9號 線隧道圍巖主要為可塑砂礫質(zhì)黏性土、硬塑砂礫質(zhì)黏性土及全風(fēng)化混合巖。4號線與9號線交叉區(qū)域平面位置如圖4所示。

圖4 4號線與9號線交叉區(qū)域平面位置示意

3 本構(gòu)模型建立與參數(shù)選取

利用ABAQUS大型通用有限元軟件進(jìn)行分析，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，如圖5所示。分別定義了直線AB和BC的破壞包絡(luò)線

圖5 Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則

根據(jù)所依托工程的地質(zhì)詳勘報(bào)告，本次計(jì)算所采用的主要參數(shù)見表1。

4 二維數(shù)值分析模型及計(jì)算結(jié)果

4.1 二維數(shù)值模型建立

采用ABAQUS軟件建立盾構(gòu)施工二維數(shù)值計(jì)算模型。假定其他盾構(gòu)參數(shù)按最理想的狀態(tài)設(shè)置，即土壓力、推力以及同步注漿是最佳參數(shù)，不會因?yàn)槠渌麉?shù)而導(dǎo)致土體失穩(wěn)超挖。模型中，土體用二維平面應(yīng)變單元(CPE3，CPE4)模擬，x方向?yàn)樗淼篱_挖方向，y方向?yàn)樯疃确较颉ＤＰ统叽鐬?6 m(x方向)×50 m(y方向)，既有線直徑取6 m，開挖直徑取6.3 m，其中6.23 m為盾殼外徑，0.07 m為盾構(gòu)開挖間隙，用克泥效填充。克泥效由特殊膨潤土漿液(A液，膨潤土∶水=1∶2)和水玻璃液(B液，水玻璃∶水=1∶1)2部分組成。模擬中采用剛度遷移法模擬開挖，在開挖步中增大開挖區(qū)土體的彈性模量，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開挖前。在需要克泥效填充的地方進(jìn)行剛度衰減，以實(shí)現(xiàn)開挖模擬。

4.2 開挖步序的模擬

盾構(gòu)開挖是一個(gè)逐步推進(jìn)的過程，如圖6所示。根據(jù)盾構(gòu)施工推進(jìn)中刀盤與既有線的相對位置確定各斷面，選擇9個(gè)斷面研究既有線隧道的沉降情況。規(guī)定以既有線左右線的中心點(diǎn)為0點(diǎn)，盾構(gòu)推進(jìn)方向?yàn)閤正方向(下同)。斷面1位于既有右線隧道外輪廓最右側(cè)點(diǎn)45°延長線與開挖隧道輪廓上沿交點(diǎn)處，x=-15.57 m，刀盤進(jìn)入影響區(qū)；依次類推至斷面9(位于既有左線隧道外輪廓最左側(cè)點(diǎn)135°延長線與開挖隧道輪廓上沿交點(diǎn)向左10 m，x=25.57 m)，此時(shí)盾尾脫離影響區(qū)。

圖6 開挖步序9個(gè)斷面與既有線的位置關(guān)系

4.3 盾殼環(huán)向間隙填充材料模擬

盾殼環(huán)向間隙填充物參照現(xiàn)在常用的克泥效，為便于計(jì)算設(shè)定彈性模量E=10 000 kPa，泊松比ν=0.25，黏聚力c=10 kPa，其余參數(shù)與砂質(zhì)黏土相同。

4.4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.4.1 盾殼環(huán)向間隙注入率對既有線影響

保持ν,c不變，變換E，以不同E值代表環(huán)向間隙的注入率。原狀土彈性模量為40 000 kPa，其中E=500 kPa 時(shí)，表示無注入，其值遠(yuǎn)小于原狀土，即盾殼環(huán)向間隙中自然充填泥水渣土(圖1所示)；E=5,10,20,40 MPa時(shí)，表示環(huán)向間隙注入率(盾殼環(huán)向間隙注入的飽滿度)分別為12.5%,25%,50%,100%。

E=500 kPa時(shí)，相當(dāng)于盾殼環(huán)向間隙無填充時(shí)，既有雙線隧道最大累計(jì)沉降約4.5 cm。以注入率自12.5%至100%時(shí)對既有線右線的影響為例進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖7。可知，注入率對既有線隧道沉降影響明顯。盾殼外環(huán)向間隙注漿充填可大大降低該階段的沉降，注入率越大，既有線隧道沉降越小，反之沉降越大。

圖7 不同注入率時(shí)既有線右線隧道沉降曲線

4.4.2 填充材料泊松比對既有線沉降的影響

保持E,c不變，變換ν。泊松比ν分別取0.20，0.25，0.30，模擬計(jì)算其對右線的影響，結(jié)果見圖8。

圖8 不同泊松比時(shí)既有線右線隧道沉降曲線

由圖8可知，填充材料的泊松比對沉降的影響較大，泊松比越大，沉降越小。泊松比反映了材料限制橫向變形的能力，因此要求材料注入后快速發(fā)揮作用。這說明需要選擇在動壓力下具有一定的流動性與可注入性以及在靜壓力下具有較好抗壓縮性能的材料，即限制橫向變形能力強(qiáng)、泊松比大的材料。

4.4.3 填充材料黏聚力對既有線沉降的影響

保持E,ν不變，c變換。黏聚力c分別取5，10，20 kPa，模擬計(jì)算其對右線的影響，結(jié)果見圖9。

圖9 不同黏聚力時(shí)既有線右線隧道沉降曲線

由圖9可知，填充材料的黏聚力在5～20 kPa時(shí)，對既有線沉降的影響基本可以忽略不計(jì)，說明環(huán)向間隙填充材料的黏聚力不是主要影響參數(shù)。

5 應(yīng)用驗(yàn)證與分析

盾構(gòu)施工下穿4號線時(shí)，利用盾構(gòu)機(jī)前盾的超前注漿孔向盾構(gòu)機(jī)外殼注入克泥效，達(dá)到填充防止沉降與止水的目的。克泥效可與同步注漿同時(shí)注入，以保證盾殼外殼周邊環(huán)向間隙填充的及時(shí)性及有效性。采用2臺可調(diào)節(jié)流量的泵在前盾向外注入，在注入過程中，通過Y型注漿頭混入A，B 2種漿液，B液的注入率約為5%～6%。漿液混合后在40 s內(nèi)達(dá)到初凝，形成黏性較高且難以稀釋的膏狀物。克泥效注入效果如圖10所示。

圖10 克泥效注入效果示意

以既有線右線盾構(gòu)施工為例，自11月14日23時(shí)開始推進(jìn)第9環(huán)(此時(shí)刀盤進(jìn)入4號線影響區(qū))至1月18日8時(shí)推進(jìn)至第31環(huán)(此時(shí)盾尾脫出4號線西線)，右線盾構(gòu)穿越4號線用時(shí)約3 d，共計(jì)注入克泥效14.5 m3。根據(jù)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)[15]，過程中既有線最大累計(jì)沉降量為6.53 mm，地表最大累計(jì)沉降量為7.88 mm。說明克泥效注漿有效地控制了第3階段即盾殼通過階段的地層沉降。

6 結(jié)論

通過分析盾構(gòu)下穿既有線盾殼環(huán)向間隙引起沉降的原因，采用ABAQUS二維有限元數(shù)值模擬方法分析了盾構(gòu)開挖所形成的盾殼環(huán)向間隙填充效應(yīng)對既有線沉降的影響，揭示了環(huán)向間隙注入飽滿度、注入材料性能對沉降的影響規(guī)律，主要取得以下結(jié)論：

1)盾殼環(huán)向間隙注漿對于控制地表沉降特別是既有線隧道的變形具有重要的作用。

2)盾殼環(huán)向注漿注入率或者飽滿度與第3階段發(fā)生的沉降有著直接關(guān)系，即注入率越高或者飽滿度越好，該階段產(chǎn)生的沉降就越小，反之越大。

3)注入材料泊松比對沉降的影響較大，泊松比越大，沉降越小。這就要求注入材料要有即凝性(注入后快速發(fā)揮作用)，須選擇在動壓力下具有一定的流動性與可注入性、在靜壓力下具有較好抗壓縮性能的材料，即限制橫向變形能力強(qiáng)、泊松比大的材料。

4)注入材料的黏聚力對于沉降的影響不大，在注入材料選擇上可不予考慮。

5)本文計(jì)算數(shù)值以依托工程為依據(jù)，工程數(shù)據(jù)選擇與材料參數(shù)選擇均受到較大的限制，因此后續(xù)可以在彈性模量、泊松比、黏聚力的選取上進(jìn)行更多數(shù)據(jù)交叉對比模擬分析，以取得更深層次的規(guī)律。