對如何選取盾構(gòu)隧道壁后注漿壓力的探討

王永超, 陳小育

(1.解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院， 江蘇南京 210007； 2. 中國人民解放軍91003部隊(duì), 海南三亞 572021)

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對如何選取盾構(gòu)隧道壁后注漿壓力的探討

王永超1, 陳小育2

(1.解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院， 江蘇南京 210007； 2. 中國人民解放軍91003部隊(duì), 海南三亞 572021)

在地鐵盾構(gòu)隧道施工中, 盾構(gòu)隧道壁后同步注漿是施工中一項(xiàng)必不可少的工作內(nèi)容。不同的注漿壓力將導(dǎo)致不同的徑縮量，進(jìn)而對地面沉降有較大的影響。文章通過建立簡化的壁后注漿力學(xué)模型，從理論上推導(dǎo)不同的注漿壓力所產(chǎn)生的徑縮量，進(jìn)而指導(dǎo)plaxis參數(shù)選取，優(yōu)化plaxis盾構(gòu)隧道施工模型。

盾構(gòu)施工;同步注漿;注漿壓力;徑縮量

1　盾構(gòu)施工注漿的作用

隨著城市地下空間的開發(fā)與利用, 盾構(gòu)施工技術(shù)以其對周圍環(huán)境影響小、成形質(zhì)量高、安全可靠、施工進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)而越來越多地應(yīng)用于城市地鐵隧道以及市政隧道工程中。由于盾構(gòu)機(jī)刀盤的開挖直徑大于管片外徑, 因此管片脫出盾尾后會形成盾尾間隙。盾尾間隙的大小是由盾構(gòu)鋼殼的厚度和盾尾操作空間決定的, 一般在8～16 cm, 它使土體處于無支護(hù)狀態(tài)并發(fā)生位移, 產(chǎn)生地面沉降, 造成地面建、構(gòu)筑物的沉降或隧道偏移[1]。

如圖1所示，在地鐵盾構(gòu)隧道施工中, 盾構(gòu)隧道壁后同步注漿是施工中一項(xiàng)必不可少的工作內(nèi)容。盾構(gòu)同步注漿就是在隧道內(nèi)將具有適當(dāng)?shù)脑缙诩白罱K強(qiáng)度的材料, 按規(guī)定的注漿壓力和注漿量在盾構(gòu)推進(jìn)的同時(shí)填入盾尾空隙內(nèi)。其目的是: (1)盡早填充地層, 減少地基沉陷量, 保證環(huán)境安全; (2)確保管片襯砌的早期穩(wěn)定性和間隙的密封性; (3)作為襯砌防水的第一道防線, 提供長期、均質(zhì)、穩(wěn)定的防水功能; (4)作為隧道襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層, 具有耐久性和一定強(qiáng)度[2]。對地層穩(wěn)定性差、采用密閉型盾構(gòu)方法施工的隧道而言, 圍巖變形的主要原因在于襯砌背后注漿的好壞[3]。

圖1　盾構(gòu)隧道同步注漿示意

2　問題提出背景

在使用plaxis模擬盾構(gòu)隧道施工的時(shí)候，有一個(gè)參數(shù)是必須確定的——徑縮量，這是一個(gè)跟盾尾間隙以及注漿壓力有關(guān)的量。

如果我們選擇徑縮量為0，則意味著我們采取的同步注漿完全充填盾尾間隙，當(dāng)然這樣理論上對地層的擾動是最小的，但同時(shí)也意味著較大的注漿壓力，而較大的注漿壓力容易導(dǎo)致盾構(gòu)管片接頭處的破壞。

如果施工中選擇徑縮量為實(shí)際盾尾間隙的值，則意味著完全不采取同步注漿技術(shù)，這樣對土層的擾動是極大的，容易導(dǎo)致地面過大的不均勻沉降，導(dǎo)致地面建筑及地下管線的開裂。

實(shí)際操作中徑縮量的值往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定的，不具有一定的理論性。

文章將通過選取環(huán)形均勻分布注漿壓力模型，通過假定一個(gè)合理的注漿壓力，計(jì)算徑縮量，然后將徑縮量帶入plaxis模型中，模擬盾構(gòu)隧道施工，輸出地面沉降，驗(yàn)證是否符合要求。

3　注漿壓力的分布形式

首先確定注漿壓力的分布形式，目前認(rèn)為注漿壓力主要有以下3種分布形式[4]：

(1) 三角形分布。國際隧道協(xié)會工作報(bào)告(2000年) 中推薦的在管片結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮的注漿壓力分布模式為三角形分布，如圖2所示。

圖2　注漿壓力三角形分布

(2) 扇形分布。如管片環(huán)下部存在建筑空隙區(qū)域, 注漿漿液需先填滿建筑空隙, 然后再注入周圍土體, 此時(shí)的注漿壓力在建筑間隙范圍內(nèi)均勻分布，如圖3所示。

圖3　注漿壓力扇形分布

(3) 整環(huán)分布。在硬質(zhì)土和孔隙率較大、滲透性較好的砂性土中, 漿液泡可能會包裹整個(gè)剛脫離盾尾的管片周邊, 此時(shí)注漿壓力在整個(gè)管片環(huán)上的分布可假設(shè)為整環(huán)均勻分布和整環(huán)非均勻分布，如圖4、圖5所示。

圖4　注漿壓力整環(huán)均勻分布

4　同步注漿條件下圓形洞室徑縮量的彈性解

鄧宗偉[2]提出的力學(xué)模型采用了大厚壁圓筒的模型，該模型的缺點(diǎn)在于認(rèn)為側(cè)壓力系數(shù)等于1，這與實(shí)際情況差別很大。

本文采用的基本假定為：

(1)注漿壓力能從徑向直接作用在圍巖上；

(2)管片的強(qiáng)度足夠大，能承受巨大的注漿壓力，即使管片注入口處的注漿壓力過大，管片也不會破壞，連接管片之間的螺栓也不會剪斷[5]；

(3)漿液100 %填充盾構(gòu)壁后間隙；

對于洞室結(jié)構(gòu)分析，由于洞室橫向尺寸往往比其縱向尺寸小得多，在所謂“標(biāo)準(zhǔn)段”的范圍內(nèi)，沿縱向承受的荷載以及橫斷面的形狀和尺寸不變，一般可按平面應(yīng)變問題進(jìn)行計(jì)算[6]。

地下圓形襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)洞周半徑為a，襯砌軸線半徑為R，襯砌截面厚度為h，地層和圓形襯砌介質(zhì)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為彈性，地層介質(zhì)彈性模量為E，泊松比為μ，襯砌介質(zhì)彈性模量為E1。設(shè)洞室為深埋洞室，故可以不考慮地表邊界影響，地層取為無限大彈性平面[7]。地層初始應(yīng)力的垂直應(yīng)力σv=p，水平應(yīng)力為σH=λp，λ為側(cè)壓力系數(shù)。

結(jié)構(gòu)位于地層之中，因原始地層中存在初始應(yīng)力場，在力學(xué)原理上，地下洞室的開挖為在具有初應(yīng)力的的地層介質(zhì)中開孔。將地層的初始應(yīng)力場稱為一次應(yīng)力狀態(tài)，洞開挖后，毛洞周邊及附近地層中將產(chǎn)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象，通過同步注漿來實(shí)現(xiàn)對地層的同步約束，此時(shí)洞室周圍的應(yīng)力狀態(tài)便是下文中所求的應(yīng)力狀態(tài)。

應(yīng)力函數(shù)為：

應(yīng)力分量表達(dá)式為：

地下洞室的開挖與同步注漿是在存在初始應(yīng)力場的地層中進(jìn)行的，理論計(jì)算時(shí)可認(rèn)為圍巖的應(yīng)力狀態(tài)是圍巖初始應(yīng)力場與由開挖洞室和同步注漿引起的附加應(yīng)力場的疊加。由開挖和同步注漿引起的附加應(yīng)力場稱為開挖注漿效應(yīng)。沿毛洞周邊加上釋放荷載，即得到計(jì)算開挖注漿效應(yīng)的計(jì)算簡圖。在概念上，釋放荷載是洞室中被挖去的巖體對原巖底層作用力的反向平衡力減去注漿壓力，因而它的量值可由圍巖初始應(yīng)力場減去注漿壓力計(jì)算。

一般來說，與此時(shí)圍巖應(yīng)力場相對應(yīng)的位移場也是圍巖初始位移場與洞室開挖注漿引起的附加位移場的疊加。但圍巖的初始位移場在洞室開挖前早已形成，對工程并無實(shí)際影響，因而，在計(jì)算中需確定的僅是由洞室開挖注漿引起的附加位移場。

假定注漿壓力為P，將徑向釋放荷載記為Δσra，切向釋放荷載記為Δτrθa，則由釋放荷載的定義可寫出其計(jì)算式為：

式中：σv、σH為洞室中心初始應(yīng)力場的應(yīng)力分量。由邊界條件σr2|r=∞=0得2B-2C×cos2θ=0，可得B=0，C=0；由σθ2|r=∞=0得D=0。因?yàn)棣襯2|r=a=Δσra，τrθ2|r=a=τrθa，由此可得：

將上述常數(shù)代入，即得：

設(shè)洞室開挖注漿引起的徑向位移為μ2，切向位移為v2，則由幾何方程、彈性平面物理方程可得：

將上式對r積分一次得：

洞室周邊徑向位移為：

洞周徑向位移即為徑縮量的理論值。

5　存在的問題

(1)本文中，土的模型采用最簡單的彈性模型，而實(shí)際中土的模型更為復(fù)雜，可采用彈塑性模型、粘彈性模型等模型進(jìn)行改進(jìn)。

(2)計(jì)算中未考慮注漿壓力作用下盾構(gòu)管片的形變。

(3)同步注漿的漿體模型選取過于簡單。真實(shí)的漿體不僅會滲入到土層中，而且會有水分的流失、固結(jié)作用的進(jìn)行，實(shí)際的漿體與模型也會有很大出入。

[1]葉飛，朱合華，何川.盾構(gòu)隧道壁后注漿擴(kuò)散模式及對管片的壓力分析[J].巖土力學(xué)，2009，30(5):1307-1312.

[2]鄧宗偉,陳建平,冷伍明. 盾構(gòu)隧道壁后注漿作用機(jī)理的計(jì)算研究[J].塑性工程學(xué)報(bào),2005,12(6):114-117.

[3]謝自韜，江玉生，劉品.盾構(gòu)隧道壁后注漿壓力對地表沉降及圍巖變形的數(shù)值模擬研究[J].隧道建設(shè)，2007,24(4)：12-15.

[4]魏綱,魏新江,洪杰. 盾構(gòu)隧道壁后注漿機(jī)理及其對周邊環(huán)境的影響[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2010,30(S1)：299-304.

[5]韓月旺,曾彥,鐘小春. 盾構(gòu)隧道壁后注漿充填模擬[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012,38(6):854-858.

[6]劉新宇.地下結(jié)構(gòu)[M].南京：解放軍理工大學(xué)出版社，2007.

[7]韓月旺,梁精華,袁小會. 盾構(gòu)隧道壁后注漿體變形模型及土體位移分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2007, 26(S2): 3646-3651.

[8]萬戰(zhàn)勝，朱岱云，夏永旭.盾構(gòu)隧道壁后注漿對地表沉降影響數(shù)值模擬研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,40(1):1007-2373

[9]袁小會，韓月旺，鐘小春.盾構(gòu)隧道壁后注漿壓力分布模型[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,46(1):18-23.

[10]韓月旺，曾彥，鐘小春.盾構(gòu)隧道壁后注漿填充模型[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,38(6):854-858.

王永超(1991～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榈叵颅h(huán)境巖土工程。

U455.43

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[定稿日期]2016-03-10