深厚軟土地區盾構管片上浮特性數值分析

郎瑞卿 李慶斌 趙 俊 陳霞飛 晏建偉 張京京 冀國棟

(1. 天津城建大學 天津 300384；2. 中鐵十八局集團有限公司 天津 300222；3.中鐵十八局集團市政工程有限公司 天津 300202)

1 引言

近年來，盾構隧道施工在我國地鐵建設中應用廣泛。 在盾構掘進的工程中，隧道管片上浮是較為普遍的問題。 若管片上浮量較大，不但會導致管片錯臺、局部破損等問題，還會影響軸線的整體位置。因此，針對性地開展深厚軟弱土層中盾構管片上浮研究具有重要的科學和實踐意義。

目前，已有較多學者對盾構管片上浮機理和特性進行了分析并取得了許多值得借鑒的成果：Thomas等[1]通過數值模擬的方法研究了注漿壓力對管片上浮量的影響，研究表明上浮量隨著注漿壓力的增大而增大；戴志仁[2]通過理論推導得到了管片總上浮力的計算方法；葉飛等[3]通過研究提出“動態上浮力”是影響管片上浮量的主要因素，并推導得到了動態上浮力的計算模型；陳仁朋等[4]利用大型商用軟件ABAQUS 建立了三維管片施工期上浮分析模型，模型中考慮螺栓、盾構機殼體、注漿體、水土壓力之間的相互作用，分析了管片上浮規律及上浮引起的管片之間差異變形等；季昌等[5]結合寧波地區某盾構工程，通過現場試驗研究了盾構掘進速度等參數對管片上浮量的影響；魏綱等[6]通過理論分析建立了施工階段管片的受力模型和相應的計算公式。 上述研究對于分析福州地區盾構管片上浮量具有借鑒意義。 但由于福州臨海地區地質條件的特殊性，針對性地開展相關研究具有重要價值。

本文結合福州某地鐵盾構工程，建立了考慮地層損失和軟土擾動的盾構過程中管片上浮的數值模擬方法，并利用實測數據對該模型進行驗證。 利用已驗證的數值模擬方法分析了同步等效注漿壓力、注漿量、漿液壓縮模量、土倉壓力和隧道埋深等對盾構參數對管片上浮量和上浮規律的影響，并建立了管片上浮量的經驗計算公式。 研究成果可為類似工程提供參考。

2 工程實例

福州某地鐵隧道工程某區間左線和右線均采用盾構法施工，某區段需穿越深厚軟弱淤泥土層，厚度達16.5 m，此處盾構埋深10.9 m。 隧道采用圓形襯砌，襯砌外徑為6.2 m，厚度為0.35 m，內徑為5.5 m，如圖1 所示。 該區段自地表向下分別分布有雜填土、淤泥和中細砂，土體參數如表1 所示。

盾構區間地下水與閩江水相互補給，平均地下水位埋深為1. 2 m。受到閩江潮汐水位影響，盾構區間水位呈周期性變化，周期為一天，變化最大幅值為1.5 m，如圖2 所示。

圖1 盾構剖面圖

表1 場地主要地基土層分布及工程性質

圖2 水位隨時間變化曲線

隧道全部處于深厚淤泥層中，此類土體受到卸荷、盾構擾動等影響容易產生弱化現象[7-8]。 同時，在地層損失等的影響下，若不能較好地控制盾構參數，將會引起管片產生較大的上浮，危害隧道安全和周邊環境安全。

3 有限元分析

3.1 模型的建立

采用數值模擬方法對此類深厚軟弱地層中盾構管片上浮機理和上浮量進行深入分析。 為了提高計算效率，忽略了盾構機刀片等的影響，數值模型中只包含土體、盾構機盾殼、襯砌管片等。 為了降低邊界效應對計算結果的影響，建立60 m(高) × 50 m(寬) ×42 m(長)的土體，其中長度方向為盾構掘進方向，共30環管片，如圖3 所示。

由于修正劍橋模型能夠較好地反映卸荷狀態下軟土的應力應變特性，因此采用修正劍橋模型對雜填土和淤泥進行模擬，參數選取見表2。 采用摩爾庫倫本構模擬中細砂，模擬中參數選取見表1。

圖3 有限元計算模型

表2 土體劍橋模型參數

在盾構機殼體外側設置土體剪切擾動區[9]，范圍為0.5 倍盾構半徑，對應的土體強度參數和變形參數均折減30%。

利用等代層模擬注漿體，盾構機、襯砌和等代層均采用彈性本構模型進行計算。 盾構機與土體、管片與土體之間的相互作用采用罰函數進行模擬，等代層與土體之間相互作用采用耦合作用模擬。 計算完成后，提取第15 環管片底部中點上浮量進行分析[10-12]。

3.2 模型驗證

該工程中右線隧道先于左線施工，故利用右線中相同地質條件下管片上浮量實測數據對數值模擬方法進行驗證。 右線工程中等效注漿壓力為40 kPa，土倉壓力為175 kPa，注漿量約為每環4.8 m3，注漿體壓縮模量為8 MPa。 管片上浮量實測值和數值模擬計算值對比如圖4 所示。

圖4 實測數據與模擬值對比

由圖4 可知，在脫離盾尾初期，實測上浮量略大于數值模擬值，但兩者差異較小，后期數值模擬得到的上浮量與實測值較為接近。 說明本文建立數值模擬方法能夠較好地反映深厚軟土地層中由于土體卸荷引起管片的上浮特性。

4 因素研究

為了研究不同工況下管片上浮量，利用上述數值模擬方法對不同等效注漿壓力、土倉壓力、注漿量、隧道埋深條件下的盾構管片上浮情況進行研究。

4.1 同步等效注漿壓力影響

不同同步注漿壓力p下，第15 環管片底部變形隨脫離盾構環數變化如圖5 所示。

圖5 管片位移隨管片環號變化曲線

由圖5 可知，管片脫離盾構機后，距離盾尾0 ～2.4 m 范圍內管片急劇上浮，上浮量占總上浮量的60%，主要原因為此時管片剛脫離盾構機的約束，且注漿漿液也處于凝結過程中，模量較小，在較大的應力水平差之下，管片發生較大的上浮；盾構機遠離管片2.4 ～8.4 m 范圍內，管片上浮增量降低且比較均勻平緩，主要原因為管片距離開挖面較遠，地層應力釋放對其影響較小，此時漿液凝結時間已經較長，模量較大，同時，受到管片之間相互的作用力的約束，上浮量有一定的降低；盾構機遠離管片8.4～14.4 m 范圍內，管片上浮量基本穩定，主要原因為此時管片受到開挖影響進一步降低，漿液模量進一步增大，同時土體固結也基本完成。 綜上可將管片上浮分為三個階段：0 ～2 環為上浮激增區，3 ～7環為上浮平緩區，8 ～12 環為上浮穩定區。

4.2 注漿量影響

不同注漿量V下，第15 環管片底部變形隨脫離盾構環數變化如圖6 所示。

圖6 管片位移隨管片環號變化曲線

由圖6 可知，隨著注漿量的增大，管片底部上浮量不斷增大。 管片底部受到周圍土體卸荷回彈的影響，有上浮的趨勢，大量漿液的填充增大了這種趨勢。

4.3 土倉壓力影響

不同土倉壓力P下，第15 環管片底部變形隨脫離盾構環數變化如圖7 所示。

圖7 管片位移隨管片環號變化曲線

由圖7 可知，隨著土倉壓力的增大，管片底部上浮量不斷增大。 土倉壓力過大或者過小都會對盾構前方土體產生一定擾動，使其承載能力和抵抗變形能力降低，從而使管片上浮量增大。

4.4 隧道埋深影響

不同隧道埋深H下，第15 環管片底部變形隨脫離盾構環數變化如圖8 所示。

圖8 管片位移隨管片環號變化曲線

由圖8 可知，隨著隧道埋深的增大，管片底部上浮量不斷降低。 隧道埋深較小時，土體卸載后對管片產生向上的作用力，此時由于埋深較小沒有較大的荷載壓著管片，管片會產生較大的上浮，反之，由于作用在管片上的荷載較大，因此，隨著隧道埋深的增大，上浮量降低。

4.5 漿液壓縮模量影響

不同漿液壓縮模量Es下，第15 環管片底部變形隨脫離盾構環數變化如圖9 所示。

圖9 管片位移隨管片環號變化曲線

由圖9 可知，隨著壓縮模量的增大，管片底部的上浮量不斷增大。 管片底部受到周圍土體卸荷回彈的影響，有上浮的趨勢，漿液模量增大了這種趨勢。

5 管片上浮量經驗公式

將注漿壓力、漿液模量、土倉壓力、土體參數、水位條件等參數歸一化后與隧道管片變形量建立關系，則可得到經驗公式如式(1)和(2)所示：

式中，γi為土體飽和容重(kN/m3)；Hi為土層厚度(m)；隧道埋深H＝H1＋H2＋…＋Hn(m)；P為土倉壓力(kPa)；Es為漿液模量(kPa)；p為注漿壓力(kPa)；h為等代層厚度(m)；D為盾構機外徑(m)；d為管片外徑(m)。

擬合效果如圖10 所示。

圖10 管片上浮量擬合效果

由圖10 可知，擬合曲線置信度為97%，擬合曲線能夠較好地反映盾構埋深、注漿壓力、注漿量、注漿模量、土倉壓力等與管片上浮量的關系。

6 結論

本文結合福州某地鐵盾構工程，建立了考慮地層損失和軟土擾動的盾構過程中管片上浮的數值模擬方法，并利用實測數據對該模型進行驗證。 利用已驗證的數值模擬方法分析了同步等效注漿壓力、注漿量、漿液壓縮模量、土倉壓力和隧道埋深等盾構參數對管片上浮量和上浮規律的影響，并建立了管片上浮量的經驗計算公式。 主要結論如下：

(1)數值模擬結果與實測值吻合度較高，數值模擬能夠較真實反映盾構管片的上浮特性。

(2)隨著注漿壓力、土倉壓力、注漿量、漿液模量的增大，管片上浮量增大；隨著埋深的增加，管片上浮量降低；管片上浮可分為三個階段，0 ～2 環為上浮激增區，3 ～7 環為上浮平緩區，8 ～12 環為上浮穩定區。

(3)歸一化得到了包含盾構埋深、注漿壓力、注漿量、注漿模量、土倉壓力等參數的管片上浮量經驗計算公式，可為類似工程提供參考。