盾構洞內超前環形預注漿加固的數值模擬研究

宋友紅

摘 要：針對長沙地鐵某線路隧道在溶洞區段的開挖問題，本文提出了一種盾構洞內超前環形預注漿的加固方法來控制溶洞區段盾構隧道的地層沉降。首先根據相關的地質資料，建立了溶洞和隧道的三維數值模型、盾構開挖模型、及注漿加固模型，采用了FLAC 3D盾構洞內超前環形預注漿加固進行了數值模擬;從地表沉降、隧道的收縮變形兩個方面，對注漿控制效果進行分析，并與傳統的注漿填充加固方法做了對比。結果表明，該方法在控制溶洞區段盾構隧道的地層沉降方面效果很好，而傳統的注漿填充加固方法效果不理想。

關鍵詞：盾構;預注漿加固;數值模擬

0 前言

近幾年，我國發展迅速，城市規模不斷擴大，長沙地鐵隧道也發展迅速，而與此同時湘江地區廣泛分布的溶洞也給長沙的地鐵建設帶來了巨大的風險和挑戰。目前，已有很多學者就溶洞對隧道開挖的影響、風險、溶洞的處理措施等做了大量的工作，但是現在隧道施工方法不斷改進，盾構機的使用越來越多，在處理溶洞地區的盾構隧道問題時，需要我們進一步研究。目前，注漿已普遍應用于隧道的加固中，用注漿法解決溶洞地區的隧道問題的技術在工程上也應用較多。例如：黎新亮[1]以長沙地鐵3號線區間隧道為工程實際，詳細介紹了溶洞的處理方案，選擇在江面或地面對需要處理的溶洞進行注漿填充加固處理。錢莊等[2]人以廣州地鐵某區間盾構隧道施工為背景，詳細分析了砂土覆蓋型巖溶地層中盾構隧道施工地面注漿加固的實例。另外，也有一些盾構機與超前鉆探注漿應用方面的報導：王建波[3]發明了一種盾構機超前注漿設備并申請了專利，朱英會等[4]人對鉆注一體機在盾構超前注漿加固中的應用、處理流程進行了詳細介紹，同時對洞內溶洞鉆探、注漿加固施工的注意事項給出了建議。郭志峰[5]等以盾構下穿濕地自然保護區的巖溶地段工程為例，表明了地表注漿條件不允許的情況下，在盾構洞內對溶洞進行超前注漿填充加固的優越性。但由于盾構機本身的復雜性和不確定性，可供參考的地方還需要進一步探索。

以往的案例中，無論是從地表注漿還是結合超前鉆機的盾構超前預注漿，大都是對開挖影響區內的溶洞進行填充加固處理。以往的案例中，無論是從地表注漿還是結合超前鉆機的盾構超前預注漿，都是對開挖影響區內的溶洞進行填充加固處理[6]。而本文以長沙地鐵4號線為工程參考，提出了一種在盾構機外圍沿開挖路徑向前形成一個環狀保護層的預注漿模型來穿越溶洞地層，并利用有限差分軟件FLAC 3D，從盾構造成的地表沉降、隧道的收縮變形兩個方面，對該注漿方案進行了分析，并與傳統的地表注漿填充加固方案進行了對比，旨在進一步優化溶洞地層盾構隧道的處理對策，為類似的工程提供參考。

1 工程背景

以長沙地鐵某線路隧道為背景，該區段下伏石灰巖地層中，巖溶、破碎帶發育較多，是該項目的重難點控制工程之一。該區段穿越主城區，采用明挖法施工勢必嚴重影響地面交通秩序，且隧道埋深較大，因此采用了盾構法進行施工。

經現場觀察，該區段雖然地層巖性復雜，巖層軟硬交替頻繁，破碎帶較多，但場地內無影響線路穩定性的大型活動性斷裂、崩塌、滑坡和泥石流、顯著的地面沉降及地裂縫，巖溶作用是地質主要控制點之一。因此我們對該場地的地層進行大致歸類，可分為人工填土、泥粉質粘土、粉質粘土、細砂圓礫、強風化巖、中風化巖。

該區段溶洞發育程度、大小、分布均十分復雜，溶洞的填充類型主要分為無填充、部分填充和全填充，填充物多為散碎礫石和軟黏土，承載力很低，可能造成地面塌陷、盾構機陷落等工程事故。

2 模型的建立

2.1 溶洞與隧道的概化模型

根據工程實際，模擬中需要將實際問題進行簡化考慮，本文取溶洞位于隧道正側面、凈距小于1倍洞徑、直徑與隧道相同的情況來研究，并將溶洞簡化為規則的空心球體考慮。模型尺寸及溶洞與隧道的相對位置如圖1所示。

如圖1，結合相關工程，盾構隧道埋深取18 m，直徑取6 m，溶洞直徑也取6 m，兩者間凈距4 m。模擬的地質參數也進行簡化考慮，分為水平的4層，巖土體采用摩爾庫倫準則，不考慮流固耦合作用，溶洞設置為空模型。模擬所用參數如表1。另外，模型底面設置為固定約束，頂面為自由面，其他面僅約束該方向的位移。

2.2 盾構開挖的模型與實現

本文的模擬在保證精度和運算速度的前提下盡可能接近工程實際。盾構開挖模型如圖2所示。

建立盾構模型時與劃分的網格相契合。模型中將刀盤切削巖石、掌子面平衡的過程簡化為一個個艙，分別為刀盤倉、泥水或土壓平衡倉、設備艙及艙內安裝的管片，為了真實模擬盾構掘進的過程，本文做了如下考慮：

（1）刀盤和平衡倉設置為彈性體模型，刀盤前掌子面設置了沿重力梯度的支護壓力，刀盤切削時有擠入作用，刀盤正前方50 cm土體剛度降低20%。另外，在平衡倉與設備艙交界處利用f ix命令，來實現只在平衡倉內動態平衡。

（2）設備艙主要模擬盾構內部的設備自重。

（3）考慮盾構的超挖，本文中設置了盾構鋼殼，在鋼殼外設置了盾構對土體的摩擦力（如圖2），且下部摩擦力最大，上部其次，側部最小，分別用F1、F2、F3表示，忽略土體對盾構的摩擦。盾構對土體的切削摩擦也會擾動周圍的土體，取盾構機外側25 cm為擾動區，區內土體剛度降低10%。

（4）管片設置為線彈性模型，且忽略了各接頭處的影響，因此將其剛度折減20%來考慮。

（5）盾尾注漿時考慮漿液隨掘進硬化的過程，漿液設置初始注漿壓力，硬化過程中壓力降低，剛度提高。考慮漿液硬化過程中向擾動區的擴散，擾動區剛度提高5%，盾尾注漿體考慮為線彈性模型。

（6）不考慮其他因素的影響。

盾構開挖模型相關參數如表2所示。

2.3 注漿模型及假設

本文模擬了一種新型的盾構洞內超前注漿方法，該方法是盾構在開挖至溶洞區段之前，從設備艙開倉，沿盾構掘進方向，在盾構環向一周鉆孔并注漿，注漿過程中施加一定的壓力，邊退管邊注漿，最終要保證盾構周圍形成一個環形的注漿加固套。

此模型中有如下考慮：

（1）注漿管的漿液擴散假設為均勻的柱狀擴散，在注漿管周圍一定范圍內形成注漿體，且假設注漿加固有效半徑不小于0.7 m，加固環假設為線彈性模型，E=150 MPa，μ=0.3。

（2）盾構環向每隔一定的距離就設置一注漿孔，最終在盾體外圍形成連續的圓柱狀加固環，將其簡化為均勻的圓環。

（3）不考慮鉆孔擾動及其他因素的影響。

3 模擬結果及分析

為了驗證本文提出的盾構洞內超前環形預注漿加固在溶洞地區的應用，基于前面介紹的模型，我們利用FLAC 3D軟件進行了數值模擬分析，并從盾構造成的地表沉降、隧道的收縮變形兩個方面，與傳統的注漿填充加固方法進行了對比。

3.1 地表沉降

在注漿填充加固和洞內超前環形預注漿加固的對比實驗中，我們均在盾構掘進至y=12.5 m時實施加固（溶洞段位于y=17 m～23 m，超前環形預注漿加固段與之相同），等待注漿達到強度后再開始掘進。為了觀察兩種方案最終的效果，我們取盾構掘進至y=47.5 m時來研究。

以下考慮（1）有溶洞未處理，（2）無溶洞，（3）注漿填充加固處理，（4）洞內超前環形預注漿加固4種情況，對比分析了沿隧道軸線上的地表沉降情況，如圖4所示。圖中1、2、3、4曲線分別對應上述4種情況。

盾構掘進至y=47.5 m時，4種情況溶洞區段（y=17 m～

23 m）的位移情況如圖4所示，有溶洞未處理的情況下地表沉降最大，沉降值超過了24 mm;對于溶洞進行注漿填充加固的情況，加固前地表沉降變化不大，填充加固后（y>16 m）的區段，地表沉降與沒有溶洞的情況基本一致;對于洞內超前環形預注漿加固的情況，在注漿區段能有效的減小地表沉降。

隧道開挖至其它環時的情況也都與此結果類似，不再一一列舉。

3.2 隧道的收縮變形

與之前相同，我們取盾構掘進至y=47.5 m時來研究。為了更明顯的觀察隧道的收縮變形，我們在y=20 m，即正過溶洞中心處切片。如圖5、圖6分別是有溶洞未處理、注漿填充加固處理、洞內超前環形預注漿加固三種情況時的盾構周圍土體總位移和水平位移的云圖。具體結果如表3所示。

由計算結果可以看出，由于溶洞位于隧道左側，注漿填充很好的減小了隧道左側土體的位移，但對上部、右側的變形控制效果不理想;而洞內超前環形預注漿加固可以更有效的控制隧道周圍土體各處的位移，效果十分顯著。

4 結論

溶洞在形成的過程中，承載力逐漸降低，可將其視作一個應力釋放的過程，因此溶洞上部土體的力會在應力重分配的過程中，逐漸傳遞到下部土層，溶洞承載力較低，則溶洞周圍巖土體受上部土體的自重應力，相比溶洞形成前會增加。當隧道預開挖線側部較近范圍內有已經形成的溶洞時，采用傳統的注漿方法填充加固溶洞時，雖然有一定的注漿壓力，但遠不能改變溶洞周圍范圍內隧道上部土體已增加的自重應力，因此，該方法在控制溶洞區段隧道的地層位移上效果較差;而采用洞內超前環形預注漿加固方法時，可以增強隧道周圍即將發生位移的土體的剛度，從而可以有效控制溶洞區段隧道周圍的地層位移，本文的模擬也給了很好的驗證。因此，本文所得結論如下：

（1）溶洞的形成是一個應力釋放的過程，周圍巖土體所受自重應力增加，會加劇地面沉降。

（2）傳統的對溶洞進行填充加固的注漿方法，遠遠不能抵消溶洞形成過程應力釋放造成的土層應力重分布，因此，該方法在保證溶洞的坍塌、突水、防止盾構機陷落等方面有一定的效果，但在控制溶洞區段隧道周圍地層的位移上效果不理想。

（3）盾構洞內超前環形預注漿方法，可以改善隧道周圍即將發生位移的土體的力學性質，可以有效控制溶洞區段隧道周圍的地層位移。

參考文獻：

[1]黎新亮.盾構隧道穿越湘江溶洞區工程風險分析及應對措施探討[J].鐵道標準設計，2014（2）：64-70.

[2]錢莊，許燁霜，沈水龍，等.砂土覆蓋型巖溶地層盾構隧道施工地面注漿加固實例分析[J].隧道建設，2016，36（4）：479-484.

[3]王建波.一種盾構機超前注漿設備，CN202250100U[P]. 2012.

[4]朱英會，孫善輝.鉆注一體機在盾構超前注漿加固中的應用[J].建筑機械化，2012，33（8）：65-67.

[5]郭志峰，鄭勇，郭縣華.洞內超前鉆探注漿在盾構過溶洞區的施工技術[J].鐵道建筑技術，2015（3）：20-24.

[6]王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術[M].人民交通出版社，2010.