盾構(gòu)洞內(nèi)超前環(huán)形預(yù)注漿加固的數(shù)值模擬研究

宋友紅

摘 要：針對(duì)長(zhǎng)沙地鐵某線路隧道在溶洞區(qū)段的開(kāi)挖問(wèn)題，本文提出了一種盾構(gòu)洞內(nèi)超前環(huán)形預(yù)注漿的加固方法來(lái)控制溶洞區(qū)段盾構(gòu)隧道的地層沉降。首先根據(jù)相關(guān)的地質(zhì)資料，建立了溶洞和隧道的三維數(shù)值模型、盾構(gòu)開(kāi)挖模型、及注漿加固模型，采用了FLAC 3D盾構(gòu)洞內(nèi)超前環(huán)形預(yù)注漿加固進(jìn)行了數(shù)值模擬;從地表沉降、隧道的收縮變形兩個(gè)方面，對(duì)注漿控制效果進(jìn)行分析，并與傳統(tǒng)的注漿填充加固方法做了對(duì)比。結(jié)果表明，該方法在控制溶洞區(qū)段盾構(gòu)隧道的地層沉降方面效果很好，而傳統(tǒng)的注漿填充加固方法效果不理想。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu);預(yù)注漿加固;數(shù)值模擬

0 前言

近幾年，我國(guó)發(fā)展迅速，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，長(zhǎng)沙地鐵隧道也發(fā)展迅速，而與此同時(shí)湘江地區(qū)廣泛分布的溶洞也給長(zhǎng)沙的地鐵建設(shè)帶來(lái)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。目前，已有很多學(xué)者就溶洞對(duì)隧道開(kāi)挖的影響、風(fēng)險(xiǎn)、溶洞的處理措施等做了大量的工作，但是現(xiàn)在隧道施工方法不斷改進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)的使用越來(lái)越多，在處理溶洞地區(qū)的盾構(gòu)隧道問(wèn)題時(shí)，需要我們進(jìn)一步研究。目前，注漿已普遍應(yīng)用于隧道的加固中，用注漿法解決溶洞地區(qū)的隧道問(wèn)題的技術(shù)在工程上也應(yīng)用較多。例如：黎新亮[1]以長(zhǎng)沙地鐵3號(hào)線區(qū)間隧道為工程實(shí)際，詳細(xì)介紹了溶洞的處理方案，選擇在江面或地面對(duì)需要處理的溶洞進(jìn)行注漿填充加固處理。錢(qián)莊等[2]人以廣州地鐵某區(qū)間盾構(gòu)隧道施工為背景，詳細(xì)分析了砂土覆蓋型巖溶地層中盾構(gòu)隧道施工地面注漿加固的實(shí)例。另外，也有一些盾構(gòu)機(jī)與超前鉆探注漿應(yīng)用方面的報(bào)導(dǎo)：王建波[3]發(fā)明了一種盾構(gòu)機(jī)超前注漿設(shè)備并申請(qǐng)了專(zhuān)利，朱英會(huì)等[4]人對(duì)鉆注一體機(jī)在盾構(gòu)超前注漿加固中的應(yīng)用、處理流程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時(shí)對(duì)洞內(nèi)溶洞鉆探、注漿加固施工的注意事項(xiàng)給出了建議。郭志峰[5]等以盾構(gòu)下穿濕地自然保護(hù)區(qū)的巖溶地段工程為例，表明了地表注漿條件不允許的情況下，在盾構(gòu)洞內(nèi)對(duì)溶洞進(jìn)行超前注漿填充加固的優(yōu)越性。但由于盾構(gòu)機(jī)本身的復(fù)雜性和不確定性，可供參考的地方還需要進(jìn)一步探索。

以往的案例中，無(wú)論是從地表注漿還是結(jié)合超前鉆機(jī)的盾構(gòu)超前預(yù)注漿，大都是對(duì)開(kāi)挖影響區(qū)內(nèi)的溶洞進(jìn)行填充加固處理。以往的案例中，無(wú)論是從地表注漿還是結(jié)合超前鉆機(jī)的盾構(gòu)超前預(yù)注漿，都是對(duì)開(kāi)挖影響區(qū)內(nèi)的溶洞進(jìn)行填充加固處理[6]。而本文以長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線為工程參考，提出了一種在盾構(gòu)機(jī)外圍沿開(kāi)挖路徑向前形成一個(gè)環(huán)狀保護(hù)層的預(yù)注漿模型來(lái)穿越溶洞地層，并利用有限差分軟件FLAC 3D，從盾構(gòu)造成的地表沉降、隧道的收縮變形兩個(gè)方面，對(duì)該注漿方案進(jìn)行了分析，并與傳統(tǒng)的地表注漿填充加固方案進(jìn)行了對(duì)比，旨在進(jìn)一步優(yōu)化溶洞地層盾構(gòu)隧道的處理對(duì)策，為類(lèi)似的工程提供參考。

1 工程背景

以長(zhǎng)沙地鐵某線路隧道為背景，該區(qū)段下伏石灰?guī)r地層中，巖溶、破碎帶發(fā)育較多，是該項(xiàng)目的重難點(diǎn)控制工程之一。該區(qū)段穿越主城區(qū)，采用明挖法施工勢(shì)必嚴(yán)重影響地面交通秩序，且隧道埋深較大，因此采用了盾構(gòu)法進(jìn)行施工。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察，該區(qū)段雖然地層巖性復(fù)雜，巖層軟硬交替頻繁，破碎帶較多，但場(chǎng)地內(nèi)無(wú)影響線路穩(wěn)定性的大型活動(dòng)性斷裂、崩塌、滑坡和泥石流、顯著的地面沉降及地裂縫，巖溶作用是地質(zhì)主要控制點(diǎn)之一。因此我們對(duì)該場(chǎng)地的地層進(jìn)行大致歸類(lèi)，可分為人工填土、泥粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂圓礫、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖。

該區(qū)段溶洞發(fā)育程度、大小、分布均十分復(fù)雜，溶洞的填充類(lèi)型主要分為無(wú)填充、部分填充和全填充，填充物多為散碎礫石和軟黏土，承載力很低，可能造成地面塌陷、盾構(gòu)機(jī)陷落等工程事故。

2 模型的建立

2.1 溶洞與隧道的概化模型

根據(jù)工程實(shí)際，模擬中需要將實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化考慮，本文取溶洞位于隧道正側(cè)面、凈距小于1倍洞徑、直徑與隧道相同的情況來(lái)研究，并將溶洞簡(jiǎn)化為規(guī)則的空心球體考慮。模型尺寸及溶洞與隧道的相對(duì)位置如圖1所示。

如圖1，結(jié)合相關(guān)工程，盾構(gòu)隧道埋深取18 m，直徑取6 m，溶洞直徑也取6 m，兩者間凈距4 m。模擬的地質(zhì)參數(shù)也進(jìn)行簡(jiǎn)化考慮，分為水平的4層，巖土體采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，不考慮流固耦合作用，溶洞設(shè)置為空模型。模擬所用參數(shù)如表1。另外，模型底面設(shè)置為固定約束，頂面為自由面，其他面僅約束該方向的位移。

2.2 盾構(gòu)開(kāi)挖的模型與實(shí)現(xiàn)

本文的模擬在保證精度和運(yùn)算速度的前提下盡可能接近工程實(shí)際。盾構(gòu)開(kāi)挖模型如圖2所示。

建立盾構(gòu)模型時(shí)與劃分的網(wǎng)格相契合。模型中將刀盤(pán)切削巖石、掌子面平衡的過(guò)程簡(jiǎn)化為一個(gè)個(gè)艙，分別為刀盤(pán)倉(cāng)、泥水或土壓平衡倉(cāng)、設(shè)備艙及艙內(nèi)安裝的管片，為了真實(shí)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)的過(guò)程，本文做了如下考慮：

（1）刀盤(pán)和平衡倉(cāng)設(shè)置為彈性體模型，刀盤(pán)前掌子面設(shè)置了沿重力梯度的支護(hù)壓力，刀盤(pán)切削時(shí)有擠入作用，刀盤(pán)正前方50 cm土體剛度降低20%。另外，在平衡倉(cāng)與設(shè)備艙交界處利用f ix命令，來(lái)實(shí)現(xiàn)只在平衡倉(cāng)內(nèi)動(dòng)態(tài)平衡。

（2）設(shè)備艙主要模擬盾構(gòu)內(nèi)部的設(shè)備自重。

（3）考慮盾構(gòu)的超挖，本文中設(shè)置了盾構(gòu)鋼殼，在鋼殼外設(shè)置了盾構(gòu)對(duì)土體的摩擦力（如圖2），且下部摩擦力最大，上部其次，側(cè)部最小，分別用F1、F2、F3表示，忽略土體對(duì)盾構(gòu)的摩擦。盾構(gòu)對(duì)土體的切削摩擦也會(huì)擾動(dòng)周?chē)耐馏w，取盾構(gòu)機(jī)外側(cè)25 cm為擾動(dòng)區(qū)，區(qū)內(nèi)土體剛度降低10%。

（4）管片設(shè)置為線彈性模型，且忽略了各接頭處的影響，因此將其剛度折減20%來(lái)考慮。

（5）盾尾注漿時(shí)考慮漿液隨掘進(jìn)硬化的過(guò)程，漿液設(shè)置初始注漿壓力，硬化過(guò)程中壓力降低，剛度提高?？紤]漿液硬化過(guò)程中向擾動(dòng)區(qū)的擴(kuò)散，擾動(dòng)區(qū)剛度提高5%，盾尾注漿體考慮為線彈性模型。

（6）不考慮其他因素的影響。

盾構(gòu)開(kāi)挖模型相關(guān)參數(shù)如表2所示。

2.3 注漿模型及假設(shè)

本文模擬了一種新型的盾構(gòu)洞內(nèi)超前注漿方法，該方法是盾構(gòu)在開(kāi)挖至溶洞區(qū)段之前，從設(shè)備艙開(kāi)倉(cāng)，沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向，在盾構(gòu)環(huán)向一周鉆孔并注漿，注漿過(guò)程中施加一定的壓力，邊退管邊注漿，最終要保證盾構(gòu)周?chē)纬梢粋€(gè)環(huán)形的注漿加固套。

此模型中有如下考慮：

（1）注漿管的漿液擴(kuò)散假設(shè)為均勻的柱狀擴(kuò)散，在注漿管周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)形成注漿體，且假設(shè)注漿加固有效半徑不小于0.7 m，加固環(huán)假設(shè)為線彈性模型，E=150 MPa，μ=0.3。

（2）盾構(gòu)環(huán)向每隔一定的距離就設(shè)置一注漿孔，最終在盾體外圍形成連續(xù)的圓柱狀加固環(huán)，將其簡(jiǎn)化為均勻的圓環(huán)。

（3）不考慮鉆孔擾動(dòng)及其他因素的影響。

3 模擬結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本文提出的盾構(gòu)洞內(nèi)超前環(huán)形預(yù)注漿加固在溶洞地區(qū)的應(yīng)用，基于前面介紹的模型，我們利用FLAC 3D軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并從盾構(gòu)造成的地表沉降、隧道的收縮變形兩個(gè)方面，與傳統(tǒng)的注漿填充加固方法進(jìn)行了對(duì)比。

3.1 地表沉降

在注漿填充加固和洞內(nèi)超前環(huán)形預(yù)注漿加固的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，我們均在盾構(gòu)掘進(jìn)至y=12.5 m時(shí)實(shí)施加固（溶洞段位于y=17 m～23 m，超前環(huán)形預(yù)注漿加固段與之相同），等待注漿達(dá)到強(qiáng)度后再開(kāi)始掘進(jìn)。為了觀察兩種方案最終的效果，我們?nèi)《軜?gòu)掘進(jìn)至y=47.5 m時(shí)來(lái)研究。

以下考慮（1）有溶洞未處理，（2）無(wú)溶洞，（3）注漿填充加固處理，（4）洞內(nèi)超前環(huán)形預(yù)注漿加固4種情況，對(duì)比分析了沿隧道軸線上的地表沉降情況，如圖4所示。圖中1、2、3、4曲線分別對(duì)應(yīng)上述4種情況。

盾構(gòu)掘進(jìn)至y=47.5 m時(shí)，4種情況溶洞區(qū)段（y=17 m～

23 m）的位移情況如圖4所示，有溶洞未處理的情況下地表沉降最大，沉降值超過(guò)了24 mm;對(duì)于溶洞進(jìn)行注漿填充加固的情況，加固前地表沉降變化不大，填充加固后（y>16 m）的區(qū)段，地表沉降與沒(méi)有溶洞的情況基本一致;對(duì)于洞內(nèi)超前環(huán)形預(yù)注漿加固的情況，在注漿區(qū)段能有效的減小地表沉降。

隧道開(kāi)挖至其它環(huán)時(shí)的情況也都與此結(jié)果類(lèi)似，不再一一列舉。

3.2 隧道的收縮變形

與之前相同，我們?nèi)《軜?gòu)掘進(jìn)至y=47.5 m時(shí)來(lái)研究。為了更明顯的觀察隧道的收縮變形，我們?cè)趛=20 m，即正過(guò)溶洞中心處切片。如圖5、圖6分別是有溶洞未處理、注漿填充加固處理、洞內(nèi)超前環(huán)形預(yù)注漿加固三種情況時(shí)的盾構(gòu)周?chē)馏w總位移和水平位移的云圖。具體結(jié)果如表3所示。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，由于溶洞位于隧道左側(cè)，注漿填充很好的減小了隧道左側(cè)土體的位移，但對(duì)上部、右側(cè)的變形控制效果不理想;而洞內(nèi)超前環(huán)形預(yù)注漿加固可以更有效的控制隧道周?chē)馏w各處的位移，效果十分顯著。

4 結(jié)論

溶洞在形成的過(guò)程中，承載力逐漸降低，可將其視作一個(gè)應(yīng)力釋放的過(guò)程，因此溶洞上部土體的力會(huì)在應(yīng)力重分配的過(guò)程中，逐漸傳遞到下部土層，溶洞承載力較低，則溶洞周?chē)鷰r土體受上部土體的自重應(yīng)力，相比溶洞形成前會(huì)增加。當(dāng)隧道預(yù)開(kāi)挖線側(cè)部較近范圍內(nèi)有已經(jīng)形成的溶洞時(shí)，采用傳統(tǒng)的注漿方法填充加固溶洞時(shí)，雖然有一定的注漿壓力，但遠(yuǎn)不能改變?nèi)芏粗車(chē)秶鷥?nèi)隧道上部土體已增加的自重應(yīng)力，因此，該方法在控制溶洞區(qū)段隧道的地層位移上效果較差;而采用洞內(nèi)超前環(huán)形預(yù)注漿加固方法時(shí)，可以增強(qiáng)隧道周?chē)磳l(fā)生位移的土體的剛度，從而可以有效控制溶洞區(qū)段隧道周?chē)牡貙游灰?，本文的模擬也給了很好的驗(yàn)證。因此，本文所得結(jié)論如下：

（1）溶洞的形成是一個(gè)應(yīng)力釋放的過(guò)程，周?chē)鷰r土體所受自重應(yīng)力增加，會(huì)加劇地面沉降。

（2）傳統(tǒng)的對(duì)溶洞進(jìn)行填充加固的注漿方法，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能抵消溶洞形成過(guò)程應(yīng)力釋放造成的土層應(yīng)力重分布，因此，該方法在保證溶洞的坍塌、突水、防止盾構(gòu)機(jī)陷落等方面有一定的效果，但在控制溶洞區(qū)段隧道周?chē)貙拥奈灰粕闲Ч焕硐搿?/p>

（3）盾構(gòu)洞內(nèi)超前環(huán)形預(yù)注漿方法，可以改善隧道周?chē)磳l(fā)生位移的土體的力學(xué)性質(zhì)，可以有效控制溶洞區(qū)段隧道周?chē)牡貙游灰啤?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]黎新亮.盾構(gòu)隧道穿越湘江溶洞區(qū)工程風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對(duì)措施探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014（2）：64-70.

[2]錢(qián)莊，許燁霜，沈水龍，等.砂土覆蓋型巖溶地層盾構(gòu)隧道施工地面注漿加固實(shí)例分析[J].隧道建設(shè)，2016，36（4）：479-484.

[3]王建波.一種盾構(gòu)機(jī)超前注漿設(shè)備，CN202250100U[P]. 2012.

[4]朱英會(huì)，孫善輝.鉆注一體機(jī)在盾構(gòu)超前注漿加固中的應(yīng)用[J].建筑機(jī)械化，2012，33（8）：65-67.

[5]郭志峰，鄭勇，郭縣華.洞內(nèi)超前鉆探注漿在盾構(gòu)過(guò)溶洞區(qū)的施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2015（3）：20-24.

[6]王夢(mèng)恕.中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù)[M].人民交通出版社，2010.