地面深孔注漿范圍對盾構(gòu)地鐵隧道開挖的影響研究

吳 冬，張 乾

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

在城市中修建地鐵時(shí)，出于方便乘客使用的目的，其線路多沿人口密集區(qū)進(jìn)行敷設(shè)。而人口密集區(qū)一般高樓林立，地下管線密集，當(dāng)?shù)罔F盾構(gòu)在地下穿行時(shí)，稍不注意，其引起的地面沉降就會(huì)對周邊建筑的安全造成威脅。為了降低地面沉降帶來的風(fēng)險(xiǎn)，常使用地面深孔注漿方式對土體進(jìn)行加固。在這種情況下，如何在保證安全的前提下，提高經(jīng)濟(jì)效益，即研究出合理的注漿加固范圍，就變得極為有意義。

在注漿加固范圍方面，國內(nèi)已經(jīng)有一些學(xué)者做了相關(guān)研究。李璋[1]等針對西安地鐵9號線某區(qū)段橫通道風(fēng)井施工中的注漿問題，采用二維有限元分析，探討了注漿加固范圍對地表沉降和側(cè)向位移的影響。崔蓬勃[2]等針對膨脹圍巖的施工問題，以秀山隧道為背景，研究了不同膨脹情況下最大的注漿加固范圍，并對相應(yīng)的支護(hù)力學(xué)特性進(jìn)行了闡述。張明偉[3]等針對馬蹄形深埋引水隧洞，利用數(shù)值分析方法，分析了不同注漿加固厚度情況下的圍巖松動(dòng)壓力和邊墻收斂值，得到了最佳的注漿加固厚度。王小林[4]針對西安地鐵某線穿越飽和軟黃土段，利用有限元數(shù)值模擬方式，研究了全斷面注漿下不同注漿半徑對圍巖豎向位移的影響，確定了合理的注漿范圍。許有俊[5]等以北京地鐵4號線某車站上穿既有地鐵隧道為背景，使用數(shù)值模擬方法，對既有隧道周圍土體的注漿加固范圍進(jìn)行了研究，得到了合理的加固深度和高度。

已有的研究大多針對隧道開挖過程中的地面位移變化進(jìn)行討論，且部分使用二維有限元進(jìn)行計(jì)算。本文通過三維有限元對盾構(gòu)地鐵隧道開挖過程中的土體及結(jié)構(gòu)位移和支護(hù)力學(xué)特性變化進(jìn)行分析，綜合得到更為全面的開挖變化規(guī)律。

1 淺埋隧道數(shù)值模擬

1.1 模型建立

利用FLAC3D有限差分軟件建立淺埋盾構(gòu)地鐵隧道模型，其中隧道外徑為6 m，內(nèi)徑為5.4 m，襯砌厚度為0.3 m。為盡量降低邊界對位移和應(yīng)力求解的影響，設(shè)置隧道左右兩側(cè)土層寬度為兩倍隧道寬度，即各12 m。地表即模型頂部距離隧道頂部為6 m，底部距離隧道底端也為6 m。因研究對象不涉及縱向位移，為了方便計(jì)算，縱向設(shè)置為8 m，模型總體尺寸為30 m(長)×18 m(高)×8 m(寬)(圖1)。

圖1 有限元計(jì)算模型

因模型為淺埋隧道，所以初始應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力場。邊界條件采用固定位移邊界，固定模型的左右、前后及下邊界位移，即x=-15m，x=15m，y=0m，y=8m，z=-9m五個(gè)面的位移。

1.2 計(jì)算參數(shù)及工況

計(jì)算時(shí)盾構(gòu)隧道襯砌使用彈性本構(gòu)，土層使用摩爾-庫倫本構(gòu)。本文主要探討不同注漿深度下的開挖變化，因此不同工況的區(qū)別僅為地面深孔注漿層的厚度不同，各工況保證注漿寬度相同，注漿寬度范圍為模型的x坐標(biāo)從-5～5 m。工況共分為5組，1組為不注漿開挖，2～5組為注漿開挖，注漿深度范圍為y=[4m,5m]，y=[4m,6m]，y=[4m,7m]，y=[4m,8m]。開挖工法為全斷面開挖，每次縱向開挖2 m，開挖后以Step命令控制應(yīng)力釋放，然后安裝襯砌。土層，襯砌，注漿層的參數(shù)見表1。

1.3 監(jiān)測點(diǎn)布置

為盡量避免開挖引起的邊界效應(yīng)，選擇監(jiān)測斷面位于模型縱向的中部，即y=4m處。在拱頂正上方地表處布置監(jiān)測點(diǎn)，在此監(jiān)測點(diǎn)左右兩側(cè)每2 m布置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，地表共計(jì)布

表1 計(jì)算參數(shù)

置11個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測地面沉降。同時(shí)在隧道的拱頂及拱底布置監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測拱頂下沉及仰拱抬升，在右拱腰處布置監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測收斂情況。

2 結(jié)果分析

2.1 深部土體沉降

五種工況下的土體最大沉降值分別為2.9 mm、1.39 mm、1.13 mm、1.09 mm、1.08 mm。對不同注漿深度下的土體沉降結(jié)果進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)隨著注漿深度的增加，土體的最大沉降值在不斷減小，從注漿深度為0 m時(shí)的2.9 mm下降到了注漿深度為4 m時(shí)的1.08 mm，下降比例超過50 %，說明注漿對降低土體沉降有著較為顯著的作用。但是將注漿的四組工況和無注漿工況進(jìn)行對比，其沉降降低量分別為1.51 mm、1.77 mm、1.81 mm和1.82 mm，下降趨勢并不是特別顯著。特別是工況五與工況四相比，沉降僅降低了1 mm。這一點(diǎn)從圖2注漿深度為0 m、2 m、4 m時(shí)的土體沉降云圖也可以看出來。注漿深度為2 m時(shí)的土體沉降云圖相比無注漿時(shí)的云圖，有很大的變化。淺層土體的沉降相對較均勻，且同一位置沉降也得到了較好的控制。但注漿深度為4 m時(shí)的云圖和注漿深度為2 m時(shí)的云圖相比，呈現(xiàn)出大致相同的分布特征，說明注漿深度的增加對沉降控制的作用在逐漸降低。

圖2 注漿深度為0m、2m、4m時(shí)的土體沉降

2.2 監(jiān)測點(diǎn)位移

將地表沉降、隧道位移變化情況繪制成圖，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 地表沉降分布

圖4 盾構(gòu)隧道不同位置的位移變化

從注漿前后的地表沉降分布圖來看，注漿并未改變地表沉降的分布情況，地表沉降依舊服從越靠近隧道中線，其值越大的規(guī)律。但是從沉降分布曲線的分布規(guī)律來看，其呈現(xiàn)出和深部土體沉降分布情況相同的趨勢，即隨著注漿深度的增加，注漿對降低地表沉降的作用在逐漸降低。另外，隨著注漿深度的增加，可以看到，地表不均勻沉降的現(xiàn)象得到了顯著改善。

從隧道結(jié)構(gòu)不同位置的位移變化情況來看，深孔注漿對抑制隧道拱頂沉降有較好的作用，但同樣表現(xiàn)出注漿深度越大，抑制作用越不明顯的趨勢。而對于邊墻和仰拱，地表注漿并未表現(xiàn)出較強(qiáng)的影響，由于拱頂沉降降低的影響，拱腰收斂略微加大。

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力

繪制不同工況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力變化情況(圖5)。

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力隨注漿深度變化情況

由支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力變化情況可以看出，當(dāng)注漿深度過大或者過小時(shí)，均不利于支護(hù)受力，存在一個(gè)合理的注漿深度，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)處于一個(gè)較好的受力狀態(tài)。

3 結(jié)論

通過對不同注漿深度下盾構(gòu)隧道土體及結(jié)構(gòu)位移和支護(hù)受力特性的分析，得到以下結(jié)論：

(1)地表深孔注漿對控制地表和拱頂沉降有較好的作用。

(2)當(dāng)注漿深度過大時(shí)，注漿的作用開始變得不明顯，且支護(hù)受力開始變得不利。