三面圍合盾構隧道底板注漿對地下通道結構的影響

傳琦

（四川大學錦城學院，成都 611731；中國市政工程西南設計研究總院有限公司，成都 610081）

0 引言

城市化發(fā)展進程的加速使得人們更加重視城市地下空間的開發(fā)與利用，推動盾構隧道施工項目的數量大幅增加。盾構隧道底板注漿對地下通道底板結構的影響規(guī)律具有極高的現實價值。

1 隧道項目的選擇

在本次研究中，主要選擇了某地區(qū)地鐵線路中兩站地之間的盾構隧道工程進行分析。該地區(qū)為典型的軟黏土地質區(qū)域，具體的土層參數有：黏聚力達到16kPa；壓縮模量為3.14MPa；內摩擦角為14.5°；靜止土壓力系數為0.6。在進行施工變形計算時，使用的參數有：掌子面附加推力穩(wěn)定在30kPa；盾尾注漿壓力控制在278kPa。

在該盾構隧道的施工中，使用的混凝土型號為C35（地下道路結構施工，彈性模量為3.15e4MPa）、C50（隧道管片結構施工，彈性模量為3.45e4MPa）；注漿的彈性模量控制在1e3MPa。施工中，在地下道路的縱向方向以每間隔3米設定兩個注漿孔的頻率完成注漿孔位置與數量控制，且均設于中隔墻兩側。在本次研究中，主要目標在于計算底板注漿對道路結構變形所產生的影響，選擇的分析整體結構為掌子面后方30 米范圍內的地下道路。

2 注漿壓力的計算

結合項目施工現場中實際測得的數據可以得出，在土體損失率穩(wěn)定在千分之一與千分之十的范圍內時，地下道路底板脫空寬度不高于1.5 米，且底板彎矩的增加量也相對較小。總體來說，在這樣的情況下，底板脫空現象的發(fā)生不會對地下道路結構產生較大的影響，所以底板注漿的作用并未得到明顯的體現。而在土體損失率增大（千分之十五）的條件下，底板注漿對地下道路結構產生的影響更大，研究也更有意義[1]。

對于底板注漿來說，其主要目的在于實現底板與下方脫空區(qū)域的填充，保證底板能夠承受更多的負荷。但是，若是注漿的壓力過大，則會引發(fā)盾構隧道結構以及底板產生新的變形。所以，必須要提前實現底板注漿壓力上限值的確定[2]。有關行業(yè)規(guī)定要求，必須將地下鋼筋混凝土結構的最大裂縫寬度控制在0.2 毫米以下，其與結構的最大裂縫寬度需控制在0.3 毫米以下。結合地下道路的配筋情況以及底板的截面尺寸，可以獲取底板的極限承受力彎矩、混凝土開裂彎矩、裂縫寬度發(fā)展至0.2 毫米/0.3 毫米時的彎矩。在本次研究中，得到的結果如下：在底板注漿壓力穩(wěn)定在216kPa 時（1.2 倍底板深處土體的自重應力），底板的最大彎矩正好低于裂縫寬度發(fā)展至0.2 毫米時的控制彎矩，且地下道路的頂板彎矩的也未超過裂縫寬度發(fā)展至0.2 毫米時的控制彎矩。同時，出于富余量的考量，在本次施工中將底板下注漿壓力穩(wěn)定在180kPa 以下（1 倍底板深處土體的自重應力）。

結合上文的分析可得，地下道路底板脫空度在0.8-1.5 米的范圍內。在本次研究中，取0.5 米、1 米以及1.5 米三個地下道路底板脫空度數據，以180kPa為注漿壓力，對注漿后的底板漿液壓力（底板下注漿壓力）進行計算。此時，其他所需參數的控制如下：底板下方土體空隙率穩(wěn)定在0.2；漿液擴散厚度范圍內土體中的滲透系數取值為5×10-4m/s；漿液黏度與水的黏度比值為4；漿液注入率穩(wěn)定在1.5。計算結果顯示，在注漿時間為30 分鐘、地下道路底板脫空度增大的情況下（注漿孔與中隔墻之間的距離越大），底板下注漿壓力的數值就越小，且漿液的擴散范圍更廣，整體顯示出更為均勻的注漿壓力分布。在地下道路底板脫空度取值為1.5 米時，漿液對底板產生的壓力分布更為均勻，且壓力值平均為180kPa。延長注漿時間至60 分鐘的條件下，底板下注漿壓力的均勻性變差，在中隔墻附近能夠觀察到明顯的壓力劇增情況。

總體來說，控制注漿時間為30 分鐘、將地下道路底板脫空度穩(wěn)定在1.5米，能夠保證底板注漿對地下通道結構產生壓力的均勻分布；此時的注漿壓力分布在底板橫向±5 米的范圍內，所以幾乎不會對側墻產生壓力。要求在施工過程中，全面控制各項注漿參數，尤其是對于注漿時間、地下道路底板的脫空度方面，專業(yè)性的施工過程，必要時要持續(xù)性檢查該設施的各類施工參數，以提高整個系統(tǒng)的施工質量，另外也要監(jiān)測注漿壓力的分布情況，當發(fā)現超出了壓力限制范圍時，需要及時調整該設備的運行方案。

3 結果分析

3.1 土體損失率為15‰時的結果分析

在土體損失率為千分之十五時，確定不同底板注漿壓力條件下的底板與地下道路頂板變形情況，結果表明：底板脫空問題的發(fā)生促使地下道路頂板在中隔墻附近所產生的變形降低，且在跨中附近可以觀察到更大的下沉變形，并使得底板變形下降；與之相反的是，受到底板注漿的影響，地下道路頂板在中隔墻附近所產生的變形增加，且在跨中附近可以觀察到較小的下沉變形，并使得底板變形升高，換言之，利用底板注漿，可以得到與底板脫空方向相反的板件附加變形。具體有：在注漿壓力為0 時，頂板的附加變形比例為-43.08%、底板的附加變形比例為-40.81%；在注漿壓力為0.25 倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為-19.55%、底板的附加變形比例為-18.51%；在注漿壓力為0.5 倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為7.3%、底板的附加變形比例為6.98%；在注漿壓力為0.75 倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為30.04%、底板的附加變形比例為28.44%；在注漿壓力為1 倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為55.44%、底板的附加變形比例為52.49%。

此時，在注漿壓力值為0.5 倍的底板深處土體的自重應力的情況下，由于注漿操作所產生的附加變形與因底板脫空引發(fā)的附加變形可以基本抵消，促使板件的變性值基本回歸初始狀態(tài)。在注漿壓力值高于0.5 倍的底板深處土體的自重應力的情況下，由于注漿操作所產生的附加變形與因底板脫空引發(fā)的附加變形相互抵消，同時會促使板件在相反的方向產生新的附加變形[3]。

3.2 土體損失率為20‰時的結果分析

在土體損失率為千分之二十時，確定不同底板注漿壓力條件下的底板與地下道路頂板變形情況，結果表明：由底板脫空所引發(fā)的板件變形情況更加嚴重，需要注入更多的漿液，所以底板注漿對結構（板件變形）的影響也有所增加。具體有：在注漿壓力為0 時，頂板的附加變形比例為-100.86%、底板的附加變形比例為-95.38%；在注漿壓力為0.25倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為-42.5%、底板的附加變形比例為-40.22%；在注漿壓力為0.5 倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為13.42%、底板的附加變形比例為12.67%；在注漿壓力為0.75倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為67.5%、底板的附加變形比例為63.83%；在注漿壓力為1 倍底板深處土體的自重應力時，頂板的附加變形比例為125.48%、底板的附加變形比例為118.64%。

總體來看，在土體損失率升至20‰時，底板注漿與底板脫空對板件的影響基本相同，且影響效應有所增大；此時，底板注漿與底板脫空不僅影響了中隔板附近的板件，對其他位置的板件也產生一定影響；在施工過程中，通過對整個工程系統(tǒng)土體損失率、底板注漿工作要求、其他各類板件的調整，降低注漿壓力對底板造成的影響。

4 總結

綜上所述，處于對安全性與隧道整體質量的考量，需控制底板注漿壓力分布低于1 倍底板深處土體的自重應力；底板注漿會產生與底板脫空方向相反的附加變形，在注漿壓力值為0.5 倍的底板深處土體的自重應力的情況下，兩種附加變形基本抵消；在土體損失率增高時，底板注漿對地下結構的影響更大。