盾構同步注漿量對地層變形的影響

林杰明，林世達

（中鐵東方國際集團馬來西亞公司,馬來西亞吉隆坡 58100）

0 引言

地鐵建設中廣泛采用的盾構法，因盾尾間隙的存在，易引起地層的進一步沉降。為控制變形，一般采用同步注漿，對盾構管片外側空間進行補強。

注漿量是影響注漿效果最重要的因素之一。以長沙市地鐵4號線碧沙湖-黃土嶺區間隧道為例，應用有限元分析軟件ABAQUS，研究注漿量與地表沉降的關系。基于張云等提出的等代層[1]概念，將注漿區域理想化為等厚的等代層（包括盾尾間隙與漿液進入地層的部分），整圓周注漿，通過控制等代層厚度及其相關參數，模擬盾構施工過程中注漿前后地層的變化。

1 工程概況

長沙市地鐵4號線碧沙湖-黃土嶺區間內設計采用盾構法施工，管片外徑6 m、厚0.3 m，使用C50混凝土。一般深埋區段的地層卸載拱效應明顯，地表沉降較小，而較淺埋深區段有更大的地表沉降風險。以區間右線的最淺埋深橫斷面（圖1）為例進行分析。

2 模型建立

在有限元分析軟件ABAQUS中建立區間右線最小埋深處橫斷面二維模型，以等代層厚度作為自變量，分別為0 cm（不注漿），10 cm，20 cm，30 cm，40 cm，50 cm和 60 cm。將模型的地層范圍由隧道水平端點向兩側延伸15 m，由隧道底部向下延伸15 m，模型平面尺寸為（36×30.55）m。

圖1 區間右線最淺埋深斷面地層

地層采用摩爾庫侖模型，按表1賦予相關參數，表1中粘聚力的2個數值，分別對應場1、場3的參數；內摩擦角的2個數值，分別對應場1、場3的參數；變形模量的2個數，分別對應場2、場1的數據。土體飽和密度按天然密度計，考慮為平面應變單元。

表1 區間右線最小埋深處巖土參數

地層模型分為周圍土體、待開挖土體與等代層。對待開挖土體設置場1，2，等代層為場1，3。場1中，土體參數與周圍土體一致；場2將土體變形模量削減30%，模擬刀盤對掌子面的削弱；場3模擬注漿后等代層粘聚力、內摩擦角、變形模量值的改變。

襯砌采用彈性模型，根據規范[2]取密度2500 kg/m3，彈性模量3.45×104MPa，泊松比0.2，考慮為梁單元。

參照張友葩[3]的推導，在不考慮漿液水化與水解的影響時，注漿體的粘聚力c及內摩擦角Φ滿足公式（1）。

式（1）中，Φag為注漿體內摩擦角,Φg為漿液內摩擦角，根據工程經驗取30°；Φs為原土體內摩擦角，η為漿液注入率，一般取 130%～180%[4]，這里取 150%；cag為注漿體粘聚力；cg為漿液粘聚力，根據工程經驗取100 kPa；cs為原土體粘聚力。注漿后，變形模量E0按提高40%計；等代層的場3參數取表1分號后的值。

定義a～e為5個分析步模擬盾構施工過程：a.實現地應力平衡；b.實現待開挖土體場1到場2的轉化；c.激活襯砌單元，模擬管片安裝；d.實現等代層場1到場3的轉化；e.凍結待開挖土體單元，模擬地層開挖。同時約束模型兩側的水平位移與底部的豎向位移，對模型整體施加重力荷載，其中襯砌荷載在c步激活。

3 結果分析

由ABAQUS計算結果得施工流程結束時的地層變形云圖如圖2所示。由軟件結果可知在不注漿情況下，地層最大沉降發生于拱頂，為5.72 cm；最大隆起發生在拱底，為1.26 cm；地表中心點沉降為4.41 cm，超出規范[5]限制的3 cm；地表最大隆起為0.21 cm，未超限。

圖2 不同等代層厚度的地層變形

在等代層厚度為（10～60）cm時，隨著等代層厚度增加，地層沉降區域縮小；地層隆起區域擴大，并有在地表延伸趨勢。

根據圖3，隨等代層厚度增加，地表中心點沉降與拱頂沉降減小。當等代層厚20 cm時，地表中心沉降為2.95 cm，低于規范[5]限值；地表隆起逐漸增大，當等代層厚60 cm時，地表隆起值接近拱底隆起值，拱底隆起值全程變化不大。這可能是由于拱底位于中風化泥質粉砂巖地層，地層本身變形模量較大，當漿液填滿盾尾間隙后，已基本形成穩定結構，能抵抗較大變形，并將應力傳遞到鄰近地層區域。

圖3 不同等代層厚度下的地層變形值變化曲線

圖4 橫坐標單位長度以均分模型地表線確定，對應實際的1.1 m。無論注漿多少，地表最大沉降均發生于中心點,距中心點約10個單位長度距離，地表變形值接近0，形成“穩定線”，其兩側地層變形方向相反。

4 結論

（1）同步注漿在控制地層沉降上具有明顯效果。隨著注漿量增加，地層沉降區域縮小，沉降值減小；但當注漿量超過一定范圍之后，其值增加反而會導致地層隆起區域的擴大和隆起值增大。

（2）本案例適用的地質條件，當注漿厚度達到20 cm時，已能將地表沉降控制在規范[5]允許的范圍內。從經濟及安全角度考慮，建議將此種情況下注漿厚度設置為（20～30）cm。

圖4 不同等代層厚度下的地表沉降曲線

（3）本案例適用的地質條件，隧道結構下部地層地質較好，注漿厚度達10 cm后拱底隆起基本不變。故對此類地層，在填充盾尾間隙的基礎上，少量注漿穩定即可。當注漿量過大時，可能給地層帶來較大應力，并傳導到地表。從安全角度考慮，不宜過多注漿。實踐中，應緊密結合監控量測數據，反饋模型修正及指導現場施工。