盾構(gòu)隧道同步注漿充填率對(duì)地表沉降影響分析

林志宇, 路開道, 王先明, 蹇蘊(yùn)奇, 魯茜茜

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031；2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250014)

為了保證隧道工程的安全掘進(jìn)與控制地表建構(gòu)筑物的沉降，往往采取同步注漿的方式對(duì)盾構(gòu)開挖所形成的盾尾間隙進(jìn)行填充，同步注漿所形成的注漿圈包裹住隧道管片結(jié)構(gòu)，這對(duì)于保證隧道工程的安全性、耐久性、控制地表沉降等尤為重要。但是往往受地層條件、注漿方式、檢測(cè)手段等方面的限制，同步注漿完成后所形成的注漿圈往往沒有完全填充盾尾間隙，所以地表沉降受注漿充填率的影響尤為突出。

目前，針對(duì)不同工況采用的不同數(shù)值模擬計(jì)算已有研究。杜軍[1]利用有限元軟件模擬注漿施工，研究注漿工藝對(duì)地層變形的影響。韓日美等[2]利用數(shù)值計(jì)算軟件模擬盾尾間隙的注漿效果對(duì)地表沉降的影響，提出降低地表變形的理論方法。王暉等[3]結(jié)合相應(yīng)工程施工經(jīng)歷，對(duì)盾構(gòu)隧道注漿工藝和施工過程進(jìn)行理論研究，提出盾構(gòu)隧道的地層變形控制措施。徐方京等[4]對(duì)隧道盾尾間隙引起地表變形的原因進(jìn)行理論研究，得出減小地層移動(dòng)的方法。陳亮等[5]基于隨機(jī)介質(zhì)理論，在壁后間隙注漿等因素條件下，提出盾構(gòu)隧道的沉降公式。葉飛[6]等盾構(gòu)隧道壁后注漿的漿液分布以及注漿壓力進(jìn)行分析推導(dǎo)，得出增大漿液的壓力以及注漿時(shí)間將增大漿液擴(kuò)散范圍以及管片壓力。劉軍等[7]利用有限元的方法，分析盾尾間隙大小對(duì)地表沉降的影響，提出盾尾間隙大小與地表沉降呈線性變化關(guān)系。林明杰等[8]利用有限元軟件ABAQUS建立盾構(gòu)隧道施工模型，分析不同注漿量對(duì)地層的影響，得出地層的位移曲線圖。尤玉云[9]通過有限元軟件，通過對(duì)盾構(gòu)隧道同步注漿施工進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出地表的隆起值隨注漿充填率以及開挖的半徑的增大而增大。朱才輝[10]在實(shí)際工程背景下，采用有限元軟件ANSYS，在盾構(gòu)注漿工藝、地層條件以及地表荷載等因素條件下研究地表變形以及地表上修建物的變形規(guī)律。

以往的研究側(cè)重點(diǎn)各有不同，但主要針對(duì)隧道掘進(jìn)過程對(duì)地表沉降和隧道管片受力進(jìn)行分析，對(duì)壁后注漿充填率的研究相對(duì)較少。鑒于此，本文依托常德市沅江過江隧道工程，利用有限元數(shù)值模擬的方法，建立盾構(gòu)隧道的地層及隧道模型，對(duì)比不同注漿充填率對(duì)地表變形的影響，以期為近似工程提供參考。

1 工程概況

常德市沅江過江隧道外徑為11.3m，內(nèi)徑為10.3m，管片結(jié)構(gòu)厚為0.5m，該工況地處于沅江過江隧道中段。

地層從上往下依次為粉細(xì)砂、圓礫、粉土以及圓礫，隧道地下埋深18.2m,下穿段位于圓礫地層，地上水位線高度為5.2m。計(jì)算斷面選取以及斷面地層分別如圖1和圖2所示。

圖1 沅江過江隧道縱斷面

圖2 計(jì)算斷面地層示意

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型的建立與參數(shù)選取

模擬整體如圖3所示。該工況計(jì)算尺寸為：99.8m(寬)×3m(長(zhǎng))×74.7m(高)。計(jì)算時(shí)假定：(1)地層分布為水平層狀；(2)盾構(gòu)掘進(jìn)施工影響范圍為隧道外徑的4倍，即為45.2m；(4)上部水層用等效水壓力0.52MPa代替；(5)壁后注漿過程中將漿體與土層混合物簡(jiǎn)化為均質(zhì)等厚的注漿層；(6)注漿材料取28d固化后的彈性模量E0；(7) 查閱文獻(xiàn)[10]可知：當(dāng)注漿充填率為100 %時(shí)，δ=(D-d)/2，式中δ為理論盾尾間隙厚度值；D為盾構(gòu)外徑；d為管片外徑，本文取注漿層厚度為15cm[10]；當(dāng)注漿充填率降低1 %時(shí)，注漿層的彈性模量為96 %E0，同理當(dāng)注漿充填率降低n%時(shí)，注漿層的彈性模量為0.96%nE0；當(dāng)注漿充填率超過100 %時(shí)，認(rèn)為是超注漿，多余漿液會(huì)進(jìn)入土體的空隙中，當(dāng)注漿充填率增加n%時(shí)有：S=n%×15/e,S為漿液侵入的土體的面積；e為土體的空隙率。此時(shí)含有漿液的土體圈的彈性模量取混合彈性模量。

圖3 三維有限元數(shù)值模型

模型前后兩側(cè)施加z方向約束，左右兩側(cè)施加x方向約束，底面施加y方向約束，頂面為自由面。在數(shù)值模擬過程中，土體采用Druker-Prager屈服準(zhǔn)則，注漿層、隧道管片等視作彈性體，管片結(jié)構(gòu)及地層均以實(shí)體單元[11]予以模擬。

管片結(jié)構(gòu)采用C50鋼筋混凝土，彈性模量為32.5GPa，針對(duì)管片對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，將結(jié)構(gòu)剛度折減為85 %[12]，地層以及結(jié)構(gòu)物參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告確定(表1)。

表1 地層及結(jié)構(gòu)物參數(shù)

數(shù)值模擬過程中，采用“單元生死控制法”實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道施工過程中土體開挖的模擬，并通過修改參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)管片和注漿層的施作。

為實(shí)現(xiàn)注漿層不同的充填程度，本文采用充填率來代表其充填程度，通過等效彈性模量的方法對(duì)填率為60 %，80 %，100 %及120 %的注漿層彈性模量進(jìn)行等效改變[13]，達(dá)到注漿層充填程度的改變。

2.2 工況的設(shè)置

分別取注漿充填率為60 %，80 %，100 %及120 %的模型進(jìn)行計(jì)算，分析在不同注漿充填率條件下盾構(gòu)隧道壁后注漿對(duì)地表沉降的影響。

3 結(jié)果分析

考慮到模型尺寸的限制，選取四種工況模型的中間斷面(z=1.5m)來進(jìn)行變形分析，得到不同充填率下產(chǎn)生的地層豎向位移計(jì)算結(jié)果(圖4)。分別提取四種工況盾構(gòu)隧道在不同注漿充填率條件下的地表沉降曲線(圖5)。

(a)注漿充填率為60%

(b)注漿充填率為80%

(c)注漿充填率為100%

(d)注漿充填率為120%

圖5 不同注漿充填率時(shí)地面上各點(diǎn)沉降曲線

由圖4及圖5可知，當(dāng)漿液的注漿充填率為60 %時(shí)，隧道上方的最大地表沉降為18.1mm；當(dāng)注漿充填率為80 %時(shí)，隧道上面的最大地表沉降為13.3mm；當(dāng)漿注漿充填率為100 %時(shí)，隧道上面的最大地表沉降為4.98mm；當(dāng)注漿充填率為120 %時(shí)，隧道上面的最大地表沉降為3.79mm，最低注漿充填率與最高注漿充填率的最大地表沉降差值為14.31mm。由此可知：注漿充填率的大小對(duì)地表沉降有十分重要的意義，是決定地表變形的重要原因之一；地表沉降隨注漿充填率的增大而迅速減小，所以控制地表的沉降變形，應(yīng)增大壁后注漿充填率，工程上注漿充填率一般為120 %至140 %。分析原因可知在漿液未完全填充盾尾空隙時(shí)，即注漿充填率未達(dá)到100 %時(shí)，隧道上方土體會(huì)填充注漿圈空洞，導(dǎo)致地表沉降；而漿液完全填充盾尾空隙后，注漿體的壓縮變形是地表的主要變形之一，所以當(dāng)注漿充填率達(dá)到100 %后，地表沉降的變化較小。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS有限元軟件對(duì)盾構(gòu)隧道施工掘進(jìn)過程中不同同步注漿充填率下的地層及地表沉降進(jìn)行了計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

(1)隧道壁后漿液充填率是控制地表變形的重要影響因素，地表沉降隨注漿充填率的增大而減小，注漿充填率為60 %，80 %，100 %以及120 %時(shí)，最大地表沉降分別為18.1mm、13.3mm、4.98mm以及3.79mm。

(2)當(dāng)注漿充填率由100 %增加至120 %，地表最大沉降值僅減小1.19mm，而當(dāng)注漿充填率由100 %減少至80 %時(shí)，地表最大沉降則增加8.32mm，由此可見，注漿充填率不足100 %時(shí)，地表沉降將會(huì)明顯增大。

(3)實(shí)際工程中理論注漿充填率一般均超過100 %，但是由于地層滲透性及地下水賦存的差異性，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際注漿充填率偏低，工程中應(yīng)結(jié)合注漿壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)地表沉降的綜合控制。