盾構同步注漿對地表和隧道周圍土體影響研究

董宏振

(山東交通學院,山東 濟南 250357)

0 引言

隨著近年來盾構法在隧道工程中的應用日益廣泛,國內外學者對盾構法施工的各施工工藝進行了廣泛的研究,其中就包括盾尾同步注漿,盾構工法施工中,對盾尾間隙的處理,即同步注漿是施工的關鍵工藝之一[1]。盾構法施工建造的隧道襯砌由管片組成,襯砌管片在盾殼內部拼裝需要一定的凈空進行拼裝操作[2-3],同時盾殼存在一定厚度,盾尾脫出在后盾殼和管片之間形成空隙。該間隙若不能及時有效填充,隧道周圍土體應力將會逐漸釋放,或者造成地下水、泥漿等液體在該間隙環中集聚。依據周圍土體本身地質條件的不同,會產生嚴重后果,如上覆土的下沉、隧道的局部或整體上浮,所以需要對同步注漿對周圍土體應力和位移的影響進行研究。

張云等[4]針對缺少對襯砌脫出盾尾產生的空隙的填充、注漿后漿體的分布和隧道壁面受擾動的模擬方法提出以等代層替換襯砌周圍土體及注漿漿體進行分析,有助于實現有限元分析軟件模擬同步注漿施工過程[5]。鄧宗偉等[6]使用FLAC3D2.0軟件模擬不同壓力下盾構壁后注漿對圍巖和支護結構的影響,探討了圍巖和支護結構因注漿而產生的受力和變形規律。周憲偉等[7]使用ANSYS軟件對盾構法單線隧道開挖過程進行模擬,由于注漿漿體為液態難以直接模擬,故采用等效均布力來模擬盾尾同步注漿。K Michael等[8]使用ABAQUS軟件對土壓平衡盾構的掘進過程進行模擬,其中盾尾同步注漿通過在襯砌脫出盾尾后激活環形注漿層實現。

本文使用FLAC3D6.0軟件對盾構掘進過程進行模擬,研究不同注漿壓力、盾構推進速度、地層條件下,盾尾同步注漿施工對周圍土體的位移和應力的影響,并總結地表沉降、隧道周圍土體位移和應力的變化規律,以期對工程實踐提供參考。

1 建立數值模型

本算例整體尺寸X×Y×Z=60 m×50 m×40 m,半模型尺寸如圖1所示,盾殼和管片的尺寸詳見表1。隧道中軸線Z坐標和X坐標為0,盾構沿Y方向從Y=0處掘進進入計算區域,每次開挖一環為1.0 m,共開挖21環。采用(Null)模型模擬土體開挖,土體采用(Mohr-Coulomb)本構模型,盾構盾殼和管片采用(Elastic)各向同性彈性模型,相關參數見表2,表3。

表1 構件尺寸 m

表2 構件物理參數

表3 土體物理參數

模型邊界條件設置如下:在Y=0 m和Y=0 m處對Y方向位移加以約束;在X=30 m和X=-30 m處對X方向位移加以約束;在Z=-20 m處對Z方向位移加以約束;模型Z=40邊界為地表,為自由邊界。

本算例模擬盾構從Y=0處邊界進入模型區域并沿Y方向掘進的過程,分為兩個階段:第1環至第10環為階段1,此階段逐環開挖隧道范圍內土體并激活盾殼對隧道周圍土體進行支護,盾尾未進入模型區域;第11環至第21環為階段2,隨著開挖的進行盾尾進入模型區域并向開挖方向移動,當一環開挖完成后盾尾所在位置的單元變更為注漿體,同時在注漿體單元內側生成一環管片。模擬過程中在開挖面施加均布力模擬盾構對開挖面的支護,在盾尾對盾尾周圍土體施加與注漿壓力相等的徑向壓力[9]模擬注漿壓力對周圍土體的作用。

注漿液的壓力隨著盾尾逐漸遠離、注漿液向土體中滲透以及注漿液的硬化而消散,其變化規律與注漿壓力大小、土體性質、注漿漿體性質和孔隙水壓力等因素有關[10]。

本算例應用文獻[9]和文獻[10]中關于注漿壓力消散規律的成果,在進行每一環分析之間根據各工況的注漿壓力、地層條件和掘進速度計算不同位置處的注漿體壓力,并對施加在各環處用以模擬注漿壓力的徑向力進行修改,以此模擬注漿壓力消散對隧道周圍土體的影響,模擬工況如表4所示。同時為減少模擬難度認為注漿過程符合下列假定:盾尾脫出后在襯砌和周圍土體之間形成均勻的環狀空隙;在同步注漿過程中,漿液瞬間填充盾尾空隙,注漿壓力均勻的作用于周圍土體上,在模擬過程中為作用在周圍土體表面上的徑向均布力;漿液在盾構掘進至20環時未初凝,模擬過程中漿液性質不發生變化,注漿體的彈性模量為0.9 MPa,泊松比為0.3,密度為2 000 kg/m3。

表4 模擬工況

2 結果分析

2.1 注漿壓力消散規律

盾構掘進過程中緊挨盾尾的注漿體的壓力最大,注漿體壓力沿掘進相反方向逐漸減少。當盾構掘進至21環時,各工況第10環至第20環注漿體壓力如圖2所示。注漿壓力在注漿完成初期消散速度較快,然后趨于穩定。注漿壓力消散速度與周圍土體的泊松比、剪切模量和滲透系數有關,其中地層的滲透系數對漿液壓力的消散速度起重要作用,故工況3的注漿壓力消散速度比工況1快。

2.2 盾構掘進和同步注漿對地表沉降影響

選取Y=5 m處截面作為監測面,從隧道縱向軸線正上方開始,在隧道縱向軸線左側(即-X方向)地表,以1 m 間隔共布置21個監測點,如圖3所示。隨盾構掘進,Y=5 m監測面各測點Z方向位移如圖4所示。

隨著監測點逐漸靠近隧道縱向軸線,各測點沉降量逐漸增加并在隧道縱向軸線上方達到最大值。地表沉降隨著盾構開挖逐漸增大,地表沉降在開挖面與監測面距離6 m之前發展較快,之后沉降增加較為緩慢,原因是開挖與監測面距離5 m時盾尾進入土體并開始同步注漿。工況2在開挖面與監測面距離6 m之后各曲線距離較大,這是由于工況2的注漿壓力較小,注漿開始之后沉降速度有一定下降,但比其他工況快,由此可見較大的注漿壓力對地表沉降的發展有限制作用。盾尾經過監測斷面后,距離隧道縱向軸線10 m之外的測點沉降量明顯小于距離隧道縱向軸線10 m之內的測點,在本算例中,注漿對地表沉降的減緩在距離隧道縱軸線10 m之外最為明顯。

2.3 盾構掘進和同步注漿對不同深度土體沉降影響

選取Y=5 m處截面作為監測面,從隧道縱向軸線正上方地表開始向下以2 m間隔共布置5個監測點,如圖5所示。工況1—工況4隨盾構掘進,Y=5 m監測面不同深度土體沉降如圖6所示。

隨著盾構掘進,隧道縱向軸線上方土體沉降總體呈現增大趨勢,經歷3個階段:開挖面距離監測面-5 m～-3 m,此階段盾構還未到達監測面,隧道縱向軸線上方土體沉降發展較慢,Z=10 m處監測點出現向上位移;開挖面距離監測面-3 m～4 m,此階段盾構接近并經過監測面,沉降快速發展;開挖面距離監測面4 m～16 m,此階段盾尾逐漸到達監測面開始同步注漿并逐漸遠離,沉降仍在增加但發展較慢并趨于穩定。

Z=10 m處監測點在開挖面距離監測面5 m～15 m時的沉降曲線小幅向上拱起,這是由于此時盾尾開始經過監測面并進行注漿,注漿壓力減緩了沉降速度,隨著注漿壓力的消散,沉降速度又逐漸加快。曲線上凸的幅度可以在一定程度上說明注漿壓力的影響范圍,在本算例中,注漿壓力對隧道之外4 m范圍內土體影響最為顯著。

相較于其他工況,工況4中盾構的掘進速度較快。本次模擬過程中較快的掘進速度是通過減少每環掘進一定的分析步來實現的,同時也增加了對開挖面的支護力。掘進速度增加同時也影響注漿壓力的消散速度,進而改變了每一步作用在隧道周圍土體的徑向力。綜合以上因素可以看到工況4各測點沉降階段1和階段3相較于其他工況更為明顯。階段1各測點出現較大的向上位移,這是由于盾構快速掘進的更大的推力對前方土體產生更大的擠壓作用,距離隧道越近的土體受到的擠壓越強,故Z=10 m和Z=12 m處的測點的沉降曲線出現在其他曲線上方。盾構掘進至21環時工況4各測點的總沉降比工況3更小,但曲線的波動幅度更大,說明加快掘進速度有利于對沉降的控制但對周圍土體的擾動更大。

2.4 盾構掘進和同步注漿對隧道側面土體水平位移影響

選取Y=5 m處截面作為監測面,在隧道右側(X正方向)布置3個測點,如圖7所示。工況1—工況4隨盾構掘進,Y=5 m監測面各測點X方向位移如圖8所示。

各測點X方向位移隨盾構開挖呈現先減小后增大的趨勢,其發展過程分為三個階段:開挖面距離監測面-6 m～0 m,此時各測點由于受到盾構開挖的擾動而產生朝向隧道一側的位移;開挖面距離監測面0 m～10 m,此時盾殼經過監測面,同時盾尾在開挖面距離監測面5 m處進入土體,各測點位移變化放緩,并開始出現反方向位移;開挖面距離監測面10 m～16 m,此時盾尾經過監測面進行注漿并逐漸遠離,各測點受注漿壓力的影響向遠離隧道一側移動。

在第3階段中隨著注漿壓力的逐漸消散各測點位移逐漸放緩,直到注漿壓力降低到一定程度時各測點位移方向發生改變。這種現象在工況2和工況3中最為明顯,原因是工況2注漿壓力較低而更容易消散至對土體支持能力較弱的程度,工況3的地層條件使注漿壓力消散速度更快。工況1和工況3在第3階段的位移轉折點分別是13 m和12 m,這與注漿壓力的消散規律相符,表明土體參數不僅從力學層面也通過控制注漿壓力的消散規律影響盾構開挖對周圍土體的擾動。

工況4通過增加開挖面支護力、減少分析步和改變注漿壓力消散規律模擬掘進速度改變的影響。其各測點曲線在圖中的上下位置與其他工況不同,越靠近隧道的監測點曲線越靠上,這表明加快掘進速度有利于控制周圍土體的變形。

2.5 盾構掘進和同步注漿對周圍土體應力的影響

選取Y=5 m處截面作為監測面,對隧道右側土體的X方向應力和隧道上方土體的Z方向應力進行監測,測點布置如圖9所示,Y=5 m截面,X方向應力如圖10所示,Y=5 m截面,Z方向應力如圖11所示。

距離隧道較近的測點1和測點3其應力隨盾構開挖的波動幅度較大,X方向應力和Z方向應力隨盾構開挖的變化過程基本一致:開挖面距離監測面-5 m～0 m,隨著開挖面逐漸靠近監測面,各測點應力先由于開挖造成的擾動而出現應力釋放,然后因為盾構開挖面接近而受到擠壓產生應力上升;開挖面距離監測面0 m～10 m,此階段盾殼從監測斷面經過對周圍土體起支持作用,土體應力緩慢增加;開挖面距離監測面10 m～16 m,此階段盾尾到達監測斷面開始同步注漿并遠離,周圍土體應力隨著注漿壓力消散而減小。

3 結論

1)分析了土體參數、注漿壓力和掘進速度對注漿壓力消散的影響。結果表明土體參數中的滲透系數對注漿壓力消散速度起重要作用,滲透系數越大注漿壓力消散速度越快,注漿壓力消散速度還與注漿壓力成正比、與掘進速度成反比。

2)地表沉降隨盾構掘進表現出逐漸增大的趨勢,同步注漿對地表沉降的發展起一定的抑制作用。

3)監測面隧道右側土體測點的水平方向位移隨盾構掘進分為三個階段,在水平位移變化的第3階段隨著注漿壓力的逐漸消散各測點位移逐漸放緩,直到注漿壓力降低到一定程度時各測點位移方向發生改變,表明土體參數不僅從力學方面也通過注漿壓力的消散規律方面影響盾構開挖對周圍土體的擾動。

4)同步注漿引起盾尾周圍土體應力上升,距離盾構越近的土體受盾構開挖和同步注漿的擾動越大。