土倉(cāng)壓力及注漿壓力對(duì)深埋盾構(gòu)施工影響分析

張家齊

(華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450046)

盾構(gòu)是暗挖法修建隧道的大型綜合性工具，有施工快速、安全、對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也會(huì)因施工過程不當(dāng)造成事故。影響施工時(shí)隧道穩(wěn)定性的因素有很多，其中施工所采用的土倉(cāng)壓力以及注漿壓力對(duì)工程的安全性有著重要影響。通過選取不同的土倉(cāng)壓力及注漿壓力，對(duì)施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，為超大直徑深埋隧道工程的土倉(cāng)壓力及注漿壓力取值提供參考［1-8］。

1 工程概況

本節(jié)依托某盾構(gòu)隧道。隧道外徑15.2 m，管片厚度0.65 m，隧道拱頂距離地表35 m。模型Y軸負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较?，Z軸負(fù)方向?yàn)樗淼篱_挖方向。沿線地基土主要由粘質(zhì)粉土，粉質(zhì)粘土和輝長(zhǎng)巖組成。處理深度內(nèi)地基土層自上而下為:①粘質(zhì)粉土，厚約20 m;②粉質(zhì)粘土，可塑，厚約34 m;③輝長(zhǎng)巖，厚約11.4 m。土層具體計(jì)算參數(shù)見表1，其中壓縮模量由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲得。工況選取準(zhǔn)則:通過普通盾構(gòu)隧道的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)注漿壓力及土倉(cāng)壓力取值，不斷增大至數(shù)值模擬過程無(wú)法收斂。土倉(cāng)壓力及注漿壓力取值如表2所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立模型

模型采用D-P模型計(jì)算，考慮到模型邊界的影響，取左右邊界為盾構(gòu)隧道外徑的3倍，下邊界為隧道外徑的1倍，即隧道水平方向計(jì)算范圍為106.4 m，下邊界為15.2 m，豎向總高度65.4 m，隧道模擬掘進(jìn)方向長(zhǎng)50 m。施加的邊界條件為:X方向左右兩側(cè)的約束，Z方向前后面方向的約束，Y方向下邊界的約束，Y方向上邊界為自由面。計(jì)算模型如圖1所示。

表1 不同壓力段下的土層參數(shù)

表2 土倉(cāng)壓力及注漿壓力取值 MPa

圖1 隧道模型示意圖

2.2 結(jié)果處理

圖2 ～圖4分別為6個(gè)工況對(duì)應(yīng)的云圖，圖5～圖7為結(jié)果對(duì)比圖。

圖2 工況1~工況6地層位移云圖

圖3 工況1~工況6地表位移云圖

如圖2所示，從隧道開挖到隧道貫通的過程中，工況1～工況6條件下拱頂所產(chǎn)生的最大下沉量分別為10.5 cm，7.2 cm，5.7 cm，10.8 cm，6.6 cm，4.4 cm，拱底最大上隆量分別為4.2 cm，2.6 cm，2.5 cm，4.1 cm，2.5 cm，2.5 cm。

如圖3所示，工況1～工況6條件下地表最大沉降量分別為4.0 cm，2.8 cm，2.2 cm，4.4 cm，3.2 cm，2.28 cm，最大上隆量分別為 0.02 cm，0.3 cm，0.54 cm，0.22 cm，0.49 cm，0.75 cm。

如圖4所示，工況1～工況6條件下管片襯砌最大等效應(yīng)力分別為 23.2 MPa，19.9 MPa，17.1 MPa，23.2 MPa，19.1 MPa，19.1MPa，最小等效應(yīng)力分別為 0.9 MPa，1.2 MPa，1.67 MPa，0.83 MPa，0.72 MPa，1.48 MPa。

3 結(jié)果分析

圖4 工況1~工況6管片Mises等效應(yīng)力云圖

圖5 拱頂及拱底位移對(duì)比

圖6 地表位移對(duì)比

圖7 管片襯砌受力對(duì)比

通過云圖以及對(duì)比圖可以看出:1)注漿壓力的增大大幅度的影響了隧道拱頂和拱底的下沉以及上隆，相比之下，土倉(cāng)壓力的增加影響程度相當(dāng)?shù)男?2)與隧道沉降相同，隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，注漿壓力的增加也大幅度的降低了開挖過程中地表產(chǎn)生的最大下沉，同時(shí)略微的增加了地表產(chǎn)生的最大上隆，而土倉(cāng)壓力的增大，則使得地表產(chǎn)生的最大下沉和最大上隆值都有一定程度的增加;3)管片襯砌方面，注漿壓力的增大降低了管片所受最大應(yīng)力，管片所受最小應(yīng)力增加，土倉(cāng)壓力的增大對(duì)于管片襯砌的受力影響程度很小，尤其是注漿壓力數(shù)值較小時(shí)，基本沒有變化，而隨著注漿壓力的增大，管片所受最小應(yīng)力會(huì)有一定幅度的減小，所受最大應(yīng)力會(huì)有一定幅度的增大。最終可以得出土倉(cāng)壓力0.6 MPa，注漿壓力為0.9 MPa，是適合此工程的工況取值。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于超大直徑深埋盾構(gòu)隧道，采用通常的土倉(cāng)壓力及注漿壓力顯然是不可取的，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程，通過監(jiān)控量測(cè)適當(dāng)增大土倉(cāng)壓力和注漿壓力，避免出現(xiàn)重大事故。此外，管片襯砌也要根據(jù)應(yīng)力變化選擇合適的材料，達(dá)到安全和成本的共贏。