盾構(gòu)同步注漿量對(duì)地層變形的影響

林杰明，林世達(dá)

（中鐵東方國(guó)際集團(tuán)馬來(lái)西亞公司,馬來(lái)西亞吉隆坡 58100）

0 引言

地鐵建設(shè)中廣泛采用的盾構(gòu)法，因盾尾間隙的存在，易引起地層的進(jìn)一步沉降。為控制變形，一般采用同步注漿，對(duì)盾構(gòu)管片外側(cè)空間進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

注漿量是影響注漿效果最重要的因素之一。以長(zhǎng)沙市地鐵4號(hào)線碧沙湖-黃土嶺區(qū)間隧道為例，應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS，研究注漿量與地表沉降的關(guān)系。基于張?jiān)频忍岢龅牡却鷮覽1]概念，將注漿區(qū)域理想化為等厚的等代層（包括盾尾間隙與漿液進(jìn)入地層的部分），整圓周注漿，通過(guò)控制等代層厚度及其相關(guān)參數(shù)，模擬盾構(gòu)施工過(guò)程中注漿前后地層的變化。

1 工程概況

長(zhǎng)沙市地鐵4號(hào)線碧沙湖-黃土嶺區(qū)間內(nèi)設(shè)計(jì)采用盾構(gòu)法施工，管片外徑6 m、厚0.3 m，使用C50混凝土。一般深埋區(qū)段的地層卸載拱效應(yīng)明顯，地表沉降較小，而較淺埋深區(qū)段有更大的地表沉降風(fēng)險(xiǎn)。以區(qū)間右線的最淺埋深橫斷面（圖1）為例進(jìn)行分析。

2 模型建立

在有限元分析軟件ABAQUS中建立區(qū)間右線最小埋深處橫斷面二維模型，以等代層厚度作為自變量，分別為0 cm（不注漿），10 cm，20 cm，30 cm，40 cm，50 cm和 60 cm。將模型的地層范圍由隧道水平端點(diǎn)向兩側(cè)延伸15 m，由隧道底部向下延伸15 m，模型平面尺寸為（36×30.55）m。

圖1 區(qū)間右線最淺埋深斷面地層

地層采用摩爾庫(kù)侖模型，按表1賦予相關(guān)參數(shù)，表1中粘聚力的2個(gè)數(shù)值，分別對(duì)應(yīng)場(chǎng)1、場(chǎng)3的參數(shù)；內(nèi)摩擦角的2個(gè)數(shù)值，分別對(duì)應(yīng)場(chǎng)1、場(chǎng)3的參數(shù)；變形模量的2個(gè)數(shù)，分別對(duì)應(yīng)場(chǎng)2、場(chǎng)1的數(shù)據(jù)。土體飽和密度按天然密度計(jì)，考慮為平面應(yīng)變單元。

表1 區(qū)間右線最小埋深處巖土參數(shù)

地層模型分為周圍土體、待開(kāi)挖土體與等代層。對(duì)待開(kāi)挖土體設(shè)置場(chǎng)1，2，等代層為場(chǎng)1，3。場(chǎng)1中，土體參數(shù)與周圍土體一致；場(chǎng)2將土體變形模量削減30%，模擬刀盤(pán)對(duì)掌子面的削弱；場(chǎng)3模擬注漿后等代層粘聚力、內(nèi)摩擦角、變形模量值的改變。

襯砌采用彈性模型，根據(jù)規(guī)范[2]取密度2500 kg/m3，彈性模量3.45×104MPa，泊松比0.2，考慮為梁?jiǎn)卧?/p>

參照張友葩[3]的推導(dǎo)，在不考慮漿液水化與水解的影響時(shí)，注漿體的粘聚力c及內(nèi)摩擦角Φ滿足公式（1）。

式（1）中，Φag為注漿體內(nèi)摩擦角,Φg為漿液內(nèi)摩擦角，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取30°；Φs為原土體內(nèi)摩擦角，η為漿液注入率，一般取 130%～180%[4]，這里取 150%；cag為注漿體粘聚力；cg為漿液粘聚力，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取100 kPa；cs為原土體粘聚力。注漿后，變形模量E0按提高40%計(jì)；等代層的場(chǎng)3參數(shù)取表1分號(hào)后的值。

定義a～e為5個(gè)分析步模擬盾構(gòu)施工過(guò)程：a.實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力平衡；b.實(shí)現(xiàn)待開(kāi)挖土體場(chǎng)1到場(chǎng)2的轉(zhuǎn)化；c.激活襯砌單元，模擬管片安裝；d.實(shí)現(xiàn)等代層場(chǎng)1到場(chǎng)3的轉(zhuǎn)化；e.凍結(jié)待開(kāi)挖土體單元，模擬地層開(kāi)挖。同時(shí)約束模型兩側(cè)的水平位移與底部的豎向位移，對(duì)模型整體施加重力荷載，其中襯砌荷載在c步激活。

3 結(jié)果分析

由ABAQUS計(jì)算結(jié)果得施工流程結(jié)束時(shí)的地層變形云圖如圖2所示。由軟件結(jié)果可知在不注漿情況下，地層最大沉降發(fā)生于拱頂，為5.72 cm；最大隆起發(fā)生在拱底，為1.26 cm；地表中心點(diǎn)沉降為4.41 cm，超出規(guī)范[5]限制的3 cm；地表最大隆起為0.21 cm，未超限。

圖2 不同等代層厚度的地層變形

在等代層厚度為（10～60）cm時(shí)，隨著等代層厚度增加，地層沉降區(qū)域縮??；地層隆起區(qū)域擴(kuò)大，并有在地表延伸趨勢(shì)。

根據(jù)圖3，隨等代層厚度增加，地表中心點(diǎn)沉降與拱頂沉降減小。當(dāng)?shù)却鷮雍?0 cm時(shí)，地表中心沉降為2.95 cm，低于規(guī)范[5]限值；地表隆起逐漸增大，當(dāng)?shù)却鷮雍?0 cm時(shí)，地表隆起值接近拱底隆起值，拱底隆起值全程變化不大。這可能是由于拱底位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層，地層本身變形模量較大，當(dāng)漿液填滿盾尾間隙后，已基本形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，能抵抗較大變形，并將應(yīng)力傳遞到鄰近地層區(qū)域。

圖3 不同等代層厚度下的地層變形值變化曲線

圖4 橫坐標(biāo)單位長(zhǎng)度以均分模型地表線確定，對(duì)應(yīng)實(shí)際的1.1 m。無(wú)論注漿多少，地表最大沉降均發(fā)生于中心點(diǎn),距中心點(diǎn)約10個(gè)單位長(zhǎng)度距離，地表變形值接近0，形成“穩(wěn)定線”，其兩側(cè)地層變形方向相反。

4 結(jié)論

（1）同步注漿在控制地層沉降上具有明顯效果。隨著注漿量增加，地層沉降區(qū)域縮小，沉降值減??；但當(dāng)注漿量超過(guò)一定范圍之后，其值增加反而會(huì)導(dǎo)致地層隆起區(qū)域的擴(kuò)大和隆起值增大。

（2）本案例適用的地質(zhì)條件，當(dāng)注漿厚度達(dá)到20 cm時(shí)，已能將地表沉降控制在規(guī)范[5]允許的范圍內(nèi)。從經(jīng)濟(jì)及安全角度考慮，建議將此種情況下注漿厚度設(shè)置為（20～30）cm。

圖4 不同等代層厚度下的地表沉降曲線

（3）本案例適用的地質(zhì)條件，隧道結(jié)構(gòu)下部地層地質(zhì)較好，注漿厚度達(dá)10 cm后拱底隆起基本不變。故對(duì)此類地層，在填充盾尾間隙的基礎(chǔ)上，少量注漿穩(wěn)定即可。當(dāng)注漿量過(guò)大時(shí)，可能給地層帶來(lái)較大應(yīng)力，并傳導(dǎo)到地表。從安全角度考慮，不宜過(guò)多注漿。實(shí)踐中，應(yīng)緊密結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，反饋模型修正及指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。