盾構(gòu)隧道同步注漿壁后空洞缺陷對地表沉降和結(jié)構(gòu)變形影響分析

沈榮俊,路開道，蹇蘊(yùn)奇, 王先明，魯茜茜

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031;2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250014)

盾構(gòu)法是城市地鐵隧道修建的主流方法。為了保證隧道工程的安全掘進(jìn)與控制地表建構(gòu)筑物的沉降，往往采取同步注漿的方式對盾構(gòu)開挖所形成的盾尾間隙進(jìn)行填充，同步注漿所形成的注漿圈包裹住隧道管片結(jié)構(gòu)，這對于保證隧道工程的安全性、耐久性、控制地表沉降等尤為重要。但是往往受地層條件、注漿方式、檢測手段等方面的限制，同步注漿完成后所形成的注漿圈往往存在著壁后空洞缺陷，地表沉降和隧道結(jié)構(gòu)受空洞缺陷的存在的影響尤為突出。

目前，已有部分學(xué)者對盾構(gòu)隧道同步注漿技術(shù)作了一定的研究。杜軍[1]利用有限元軟件模擬壁后漿液分布對地表以及隧道沉降影響。韓日美等[2]利用有限元軟件模擬盾構(gòu)盾尾注漿效果對地表沉降的影響，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證模擬的合理性。許彥平等[3]利用有限元軟件的生死單元法，模擬全斷面盾構(gòu)掘進(jìn)過程中巖土的受力以及變形情況。王暉等[4]結(jié)合相應(yīng)工程施工經(jīng)驗(yàn)，對盾尾注漿工藝和施工過程進(jìn)行分析，提出施工控制措施。丁文其等[5]利用有限元軟件對盾構(gòu)掘進(jìn)過程進(jìn)行模擬，分析盾構(gòu)隧道施工材料的力學(xué)形態(tài)。夏洋洋等[6-8]通過有限元軟件對盾構(gòu)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其對地表沉降的影響。石建澤[9]利用有限元軟件ANSYS建立三維實(shí)體模型，分析盾構(gòu)下穿施工對既有地鐵的影響。徐方京等[10-12]對盾構(gòu)隧道盾尾間隙以及注漿分布進(jìn)行分析，提出減小地層移動(dòng)的方法。

以往的研究主要針對隧道掘進(jìn)過程對地表沉降和隧道管片受力進(jìn)行分析，對壁后注漿空洞缺陷的研究相對較少。鑒于此，本文依托某過江隧道工程，采用有限元數(shù)值模擬的方法，建立隧道開挖的地層及隧道模型，對比不同位置的空洞缺陷對地表沉降的影響，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

此過江隧道外徑為11.3m,內(nèi)徑為10.3m,管片結(jié)構(gòu)厚為0.5m，該工況地處于沅江過江隧道中段，地層從地表往下依次為粉細(xì)沙地層、圓礫地層、粉土地層和圓礫地層，隧道埋深為18.2m，隧道整體貫穿圓礫地層，地上水位線高度為5.2m。計(jì)算斷面選取以及斷面地層分別為圖1和圖2。

圖1 沅江過江隧道地質(zhì)縱斷面

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型的建立與參數(shù)選取

三維數(shù)值模擬示意圖如圖3所示。尺寸為：99.8m(長)×3m(寬)×74.7m(高)。共計(jì)生成1 248個(gè)單元。計(jì)算時(shí)假定：(1)地層分布為水平層狀；(2)盾構(gòu)掘進(jìn)施工影響范圍為隧道外徑的4倍，即為45.2m；(3)注漿壓力為0.3MPa；(4)上部水層用等效水壓力0.52MPa代替；(5)壁后注漿過程中，為計(jì)算方便，將漿體簡化為均質(zhì)等厚的注漿層，厚為0.2m，且盾尾空隙為0.2m；(6)目前盾構(gòu)隧道在施工過程中，地層損失量一般控制在2.5 %以內(nèi)。而注漿量在90 %時(shí)，其地面沉降曲線與地層損失量為2.5 %時(shí)的曲線非常相近[1]。將缺失的10 %的注漿量完全轉(zhuǎn)化成空洞缺陷，會(huì)形成對應(yīng)圓心角為36°的弧形缺陷。

圖2 計(jì)算斷面示意

圖3 三維有限元數(shù)值模型

模型前后兩側(cè)施加z方向約束，左右兩側(cè)施加x方向約束，底面施加y方向約束，頂面為自由面。在數(shù)值模擬過程中，該工況土體采用Druker-Prager屈服準(zhǔn)則，注漿層、隧道管片等視作彈性體，管片結(jié)構(gòu)及地層均以實(shí)體單元予以模擬。

管片結(jié)構(gòu)采用C50鋼筋混凝土，彈性模量為32.5GPa，針對管片對結(jié)構(gòu)剛度的影響，將結(jié)構(gòu)剛度折減為85 %，地層以及結(jié)構(gòu)物參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告確定(表1)。

表1 地層及結(jié)構(gòu)物參數(shù)

2.2 工況的設(shè)置

隧道壁后注漿體分布是非均勻的，往往會(huì)導(dǎo)致局部出現(xiàn)空洞缺陷，從而不可避免的很大程度上影響地表沉降。注漿體單元分布如圖4所示，依照空洞缺陷出現(xiàn)的位置分為五種工況：工況一～工況四分別表示空洞缺陷出現(xiàn)在拱頂、拱肩、拱腰和拱底時(shí)，工況五表示無注漿缺陷。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降

隧道壁后不同位置注漿空洞缺陷產(chǎn)生的地層豎向變形計(jì)算結(jié)果如圖5所示。當(dāng)無注漿圈空洞(工況五)時(shí)，地表出

(a)工況一：拱頂

(b)工況二：右拱肩

(c)工況三：右拱腰

(d)工況四：右拱腳

(e)工況五：無缺陷圖4 計(jì)算工況

現(xiàn)的最大沉降值最小，為4.98mm；當(dāng)注漿圈空洞出現(xiàn)在隧道拱頂(工況一)時(shí)，地表出現(xiàn)的最大沉降值為10.78mm；當(dāng)注漿圈空洞出現(xiàn)在隧道拱肩(工況二)時(shí)，地表出現(xiàn)的最大沉降值為13.23mm；當(dāng)注漿圈空洞出現(xiàn)在隧道拱腰(工況三)時(shí)，地表出現(xiàn)的最大沉降值為18.81mm；當(dāng)注漿圈空洞出現(xiàn)在隧道拱腳(工況四)時(shí)，地表出現(xiàn)的最大沉降為15.78mm。在出現(xiàn)注漿圈空洞缺陷時(shí)的這四種工況中，工況一地表沉降最大值最小，但相比于工況五，地表沉降最大值增大了5.8mm，說明空洞缺陷的存在對地表沉降控制有著不利影響。隨著空洞缺陷出現(xiàn)位置的不同，發(fā)生最大地表沉降的位置逐漸向右側(cè)發(fā)生偏移，并且最大地表沉降的大小也隨之改變。相比于工況一的情況，工況二的地表沉降最大值增大了2.45mm，比工況四增大了5.00mm，而工況三增幅的最多，達(dá)到8.03mm。對其分析，主要原因?yàn)椋荷奥咽谧匀磺闆r下內(nèi)部會(huì)形成疊瓦式排列的骨架結(jié)構(gòu)，當(dāng)注漿圈空洞缺陷出現(xiàn)在拱頂時(shí)，由于注漿缺陷地表會(huì)出現(xiàn)一定的沉降，但是受拱頂上方冒落拱效應(yīng)的影響，地表沉降會(huì)出現(xiàn)一定的增大。當(dāng)空洞缺陷出現(xiàn)在拱腰時(shí)，由于砂卵石地層的疊瓦式排列的骨架結(jié)構(gòu)，拱腰附近的土體在受到水平方向的擠壓力時(shí)，會(huì)填充拱腰處的空洞缺陷，因而產(chǎn)生較大的地表沉降，并且發(fā)生最大地表沉降量的偏移。而空洞缺陷出現(xiàn)在拱肩、拱腳位置時(shí)，是上述兩種情況的綜合，因而最大地表沉降量出現(xiàn)的位置發(fā)生偏移，并且大于空洞缺陷出現(xiàn)在拱頂位置時(shí)的最大地表沉降。

圖5 不同位置空洞缺陷工況下的地表沉降曲線

3.2 凈空收斂

同步注漿空洞缺陷會(huì)對管片的變形造成較大的影響，因此對不同空洞缺陷位置下管片各部分的變形進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如表2所示。當(dāng)壁后注漿無缺陷時(shí)，隧道拱頂沉降2.24mm，拱底上隆2.20mm，左、右拱腰向左水平位移均為2.66mm。當(dāng)空洞缺項(xiàng)出現(xiàn)在拱頂時(shí)，隧道拱頂沉降4.54mm，拱底上隆8.98mm。而空洞缺陷出現(xiàn)在拱肩、拱腰、拱腳這三個(gè)位置，拱底變形比拱頂變形大5mm左右，右拱腰變形比左拱腰變形大6mm以上，這主要是空洞缺陷的存在導(dǎo)致隧道受力不平衡所致。

表2 不同空洞缺陷位置下管片各部分的變形 mm

在出現(xiàn)壁后注漿缺陷這四種工況中，工況一的豎向收斂值和水平收斂值均為最小，分別為13.52mm和-16.23mm，但相比于工況五的豎向收斂值4.45mm和水平收斂值-5.32mm，分別增大了9.07mm和10.91mm，所以當(dāng)出現(xiàn)空洞缺陷時(shí)的管片變形顯著增大。

比較不同位置的空洞缺陷時(shí)的豎向收斂值，工況一的豎向收斂值為13.52mm，相比于工況二～工況四分別小4.32mm、 6.55mm和4.86mm。分析其原因?yàn)椋荷戏接锌斩慈毕?，砂卵石地層?huì)形成冒落拱，上方土體的壓力不直接作用于上方管片上，大部分荷載通過冒落拱傳遞到結(jié)構(gòu)洞身其他部分，拱頂位置僅有冒落拱以內(nèi)范圍的荷載作用管片上，因而管片豎直方向受到的壓力較小，豎向收斂值較小。

而在水平收斂值上，工況三最大，達(dá)到22.21mm，分別比工況一、工況二、工況四增加了5.98mm、2.59mm和 2.00mm。分析其原因：在管片受到豎向壓力作用時(shí)，管片會(huì)有水平方向的變形趨勢，接觸的土體會(huì)提供反作用力來抵抗這種水平變形。但拱腰處產(chǎn)生注漿空洞缺陷，右側(cè)的土體無法給管片提供足夠的反力，所以無法限制用拱腰的水平變形，因而拱腰處的空洞缺陷引起的水平收斂值較大。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS有限元軟件研究了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中不同位置同步注漿空洞缺陷對隧道周圍地層變形及管片變形的影響，主要得到以下結(jié)論：

(1)在砂卵石地層，當(dāng)壁后注漿無缺陷時(shí)，最大地表沉降為4.98mm，當(dāng)存在壁后注漿空洞缺陷時(shí)，壁后空洞缺陷出現(xiàn)在拱頂時(shí)的地表沉降最小，但相比于無缺陷的情況大5.8mm，空洞缺陷位于其他位置時(shí)地表沉降和管片變形均顯著大于無空洞缺陷的情況，說明壁后注漿空洞缺陷的存在會(huì)很大程度上影響盾構(gòu)隧道的穩(wěn)定和安全。

(2)壁后注漿時(shí)，壁后注漿不同位置空洞缺陷對地層沉降和管片變形有不同程度的影響。在地層沉降方面，由于冒落拱效應(yīng)的影響，空洞出現(xiàn)在拱頂?shù)奈恢脮r(shí)地表沉降最小，為10.78mm；空洞缺陷出現(xiàn)在拱腰時(shí)，由于側(cè)向土體收到擠壓作用會(huì)有填補(bǔ)空洞的趨勢，故空洞出現(xiàn)在拱腰處時(shí)最大，為18.81mm。

(3)在管片的變形方面，由于空洞缺陷而導(dǎo)致盾構(gòu)隧道側(cè)向土體對管片結(jié)構(gòu)所提供的反力不足，空洞缺陷出現(xiàn)在拱腰處時(shí)豎向收斂值和水平收斂值達(dá)到最大，分別為20.07mm和-22.21mm，而當(dāng)空洞缺陷出現(xiàn)在拱頂處時(shí)豎向收斂值和水平收斂值分別為13.52mm和-16.23mm，均為最小，故同步注漿時(shí)應(yīng)保證拱腰處的填充率，避免出現(xiàn)空洞缺陷。