基于盾構(gòu)隧道施工力學(xué)特性的注漿加固方案比較分析

張社榮 郭紫薇 曹克磊 郭麗娜 高 朗 陳 嬌

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，300072，天津； 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，300072，天津；3.云南工商學(xué)院建筑工程學(xué)院，651701，昆明； 4.中國水利水電第十四工程局有限公司，650051，昆明 ∥ 第一作者，教授)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，區(qū)間隧道經(jīng)常要下穿城市內(nèi)河和道橋。盾構(gòu)法施工與一般區(qū)間隧道施工相比，施工難度和安全風(fēng)險相對增加[1]。盾構(gòu)機在推進過程中易造成地層擾動，從而引發(fā)地表沉降，管片脫出盾尾后管片極易發(fā)生上浮[2]。這些都是盾構(gòu)隧道施工過程中普遍存在的問題。

近年來，盾構(gòu)隧道施工對地表沉降或管片應(yīng)力變形的影響研究已取得了一定的成果，并指導(dǎo)了相關(guān)工程的順利實施[3-8]。但在軟弱地層，盾構(gòu)隧道下穿河流時，盾構(gòu)施工對地表沉降、管片內(nèi)力及變形的影響規(guī)律有待深入研究。控制隧道變形的一種有效措施即在隧道周圍采用深孔注漿對地層進行加固，因此，研究注漿加固對隧道變形的控制作用具有重要意義。目前，國內(nèi)外對注漿加固原理的研究較多[9-11]，但針對具體工程的注漿加固優(yōu)化卻鮮有研究。為此，本文以昆明軌道交通5號線盾構(gòu)隧道下穿河流段工程為例，采用有限元法對盾構(gòu)施工過程進行模擬分析，研究隧道注漿加固對盾構(gòu)施工力學(xué)特性的影響，并對注漿加固方案進行比較，歸納總結(jié)較為經(jīng)濟安全的施工方案。

1 注漿加固優(yōu)化計算模型建立

1.1 隧道注漿加固數(shù)學(xué)模型分析

隧道在注漿加固后，洞室周邊會產(chǎn)生阻礙圍巖發(fā)生變形的力，圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)也會隨之改變。阻力的大小和方向影響著圍巖的應(yīng)力狀態(tài)[12]。為了便于分析，將隧道圍巖的受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為圓環(huán)或厚壁圓筒的模型，假定：圍巖內(nèi)半徑為a，外半徑為b，內(nèi)部受到的均布壓力為pa，外部受到的均布壓力為pb，如圖1。

圖1 注漿加固后隧道圍巖受力圖

根據(jù)彈性理論，在內(nèi)外壓力pa和pb的作用下，當(dāng)b?a時，pa=σ0時圍巖應(yīng)力值為：

(1)

(2)

σ0=γHc

式中：

σ0——圍巖初始應(yīng)力；

γ——圍巖容重；

r——圍巖到隧洞中心的距離；

Hc——地表到隧洞中心的距離；

σr——徑向應(yīng)力；

σθ——切向應(yīng)力。

由式(1)、式(2)可知，隧道注漿加固后，其圍巖重分布應(yīng)力σr和σθ由開挖以后圍巖的重分布應(yīng)力和注漿壓力引起的附加應(yīng)力組成，前項即為開挖以后圍巖的重分布應(yīng)力，后項即為注漿壓力引起的附加應(yīng)力值，即:

(3)

(4)

由式(3)、式(4)可知，注漿壓力使圍巖產(chǎn)生負的環(huán)向應(yīng)力，即拉應(yīng)力。由此可見，在一定程度上的注漿壓力會使周邊的徑向應(yīng)力增大，而使切向應(yīng)力減小，實質(zhì)上是使圍巖受力狀態(tài)由單向變?yōu)殡p向，進而提高圍巖的承載能力及隧道穩(wěn)定性。但注漿壓力太大會使切向應(yīng)力超過圍巖的抗拉強度，嚴(yán)重時可能造成隧道失穩(wěn)[12]。因此，合理地確定注漿壓力及注漿范圍對盾構(gòu)隧道注漿加固安全施工非常重要。

1.2 數(shù)值模型

昆明軌道交通5號線迎海路站—滇池學(xué)院站區(qū)段全長680.6 m。隧道的內(nèi)徑為5.5 m，外徑為6.2 m，盾構(gòu)機刀盤直徑為6.4 m，隧道洞室的襯砌為350 mm，隧道左線與右線圓心間距14 m。左線先始發(fā)，右線后開挖。該區(qū)段工程地質(zhì)條件較差，隧道上方的采蓮河對本工程施工有較大影響，因此有效控制地面沉降及管片應(yīng)力變形對安全施工尤為重要。

首先建立隧道盾構(gòu)施工三維有限元模型，如圖2所示。計算模型中，土體、管片、盾殼、注漿體等均采用三維實體單元；數(shù)值模型寬度為80 m，縱向長度94 m，高度為35.7 m；模型中地表為自由面；模型四周施加水平向約束，底部施加全約束。

圖2 昆明軌道交通5號線迎海路站—滇池學(xué)院站區(qū)段三維整體計算模型

1.3 計算參數(shù)選取

根據(jù)勘察單位提供的地質(zhì)報告，地層、管片襯砌及注漿材料等結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 昆明軌道交通5號線迎海路站—滇池學(xué)院站區(qū)段地層土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 計算方法

2.1 施工過程模擬方法

本文采用有限元軟件Abaqus作為計算工具，應(yīng)用生死單元法來模擬盾構(gòu)開挖掘進過程。首先施加土體自重及邊界約束條件，移除襯砌、注漿等支護單元，得到隧洞開挖前的初始應(yīng)力；然后通過殺死土體單元來模擬開挖過程，激活襯砌單元及注漿單元模擬支護過程。

2.2 判別標(biāo)準(zhǔn)

以地表沉降值、管片應(yīng)力及管片上浮量為指標(biāo)，研究注漿加固范圍及注漿壓力等參數(shù)對隧道地表及管片的變形作用。隧道地表沉降控制值及結(jié)構(gòu)管片豎向位移應(yīng)滿足GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[13]的要求，管片應(yīng)力應(yīng)滿足C50混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3 計算工況

模擬未注漿加固情況(基本工況)，將得到橫斷面地表沉降位移、管片應(yīng)力及內(nèi)側(cè)上浮量作為隧道變形的基準(zhǔn)值，比較加固前后隧道各工況的變形特性，揭示注漿加固的作用效果。為研究注漿加固范圍及注漿壓力對地表沉降及管片應(yīng)力變形的影響，選取4種施工建議范圍，并對同一注漿范圍下不同注漿壓力作用效果進行對比分析。計算工況如表2所示。

表2 隧道盾構(gòu)施工注漿加固計算工況

3 注漿圈加固范圍優(yōu)化分析

為便于分析盾構(gòu)隧道掘進下穿采蓮河過程中地表沉降規(guī)律，分別選取橫向及縱向斷面作為觀測面。橫向斷面為縱向56.0 m處，即開挖第12環(huán)處；縱向斷面為河道邊緣右側(cè)1.45 m處。

3.1 注漿范圍

《迎海路站—滇池學(xué)院站區(qū)間洞內(nèi)加固范圍表》顯示，研究區(qū)段左、右線隧道0～360°全斷面注漿，而在其他區(qū)段則非全斷面注漿。注漿加固范圍不僅控制著地層加固范圍，而且直接與工程造價有關(guān)。

為研究注漿加固范圍的影響，選取表2中的工況1—工況4進行分析，各工況沿隧道徑向長度均為3 m。

圖3為不同注漿范圍下雙線貫通地表橫斷面沉降曲線。由圖3可知，左、右線全部開挖完后，不同工況下橫斷面各點地表沉降值有明顯差異，同一位置位移差異可達23 mm左右。工況一、工況二、工況三及工況四下地表沉降最大值分別為26.37 mm、17.59 mm、15.69 mm、23.97 mm，分別較基本工況時減小了31.47%、54.3%、59.2%、37.7%。

圖3 不同注漿范圍下雙線貫通地表橫斷面沉降

圖4為不同注漿范圍下管片最大主應(yīng)力變化曲線(取右線每3環(huán)管片中的最大主應(yīng)力值繪制曲線，如圖中橫坐標(biāo)23.6 m處的應(yīng)力值為縱向20.0～23.6 m內(nèi)3環(huán)管片的最大主應(yīng)力值，下同)。由圖4可知：工況三下的管片應(yīng)力明顯大于其他工況的；研究區(qū)間最大主應(yīng)力值為3.89 MPa，超過C50混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值；工況一及工況二的相差較小，工況四的最小。

圖4 不同注漿范圍下雙線貫通管片最大主應(yīng)力變化曲線

圖5為不同注漿范圍下雙線貫通管片內(nèi)側(cè)上浮變化曲線。工況一、工況二、工況三及工況四的底部內(nèi)側(cè)最大上浮量依次分別為12.66 mm、13.83 mm、18.53 mm、15.17 mm，其值均大于基本工況。綜上可知，工況三可有效降低地表沉降，但其管片應(yīng)力及內(nèi)側(cè)上浮量均較大。綜合考慮注漿范圍對地表沉降及管片變形的作用，選擇上、下半斷面分別局部注漿時效果最好。

圖5 不同注漿范圍下雙線貫通管片內(nèi)測上浮變化曲線

3.2 注漿壓力

在眾多注漿參數(shù)中，合理選擇注漿壓力是確保盾構(gòu)隧道注漿效果良好的重要因素。如果注漿壓力過大，會發(fā)生地面隆起和管片變形，還易漏漿；如果注漿壓力過小，可能引起地表沉降超出限值等[14]。通常，注漿壓力可以取值為1.1～1.2倍靜水壓力且不超過0.3～0.4 MPa[15]。本文選取注漿壓力分別為0.1 MPa、0.2 MPa及0.3 MPa時對注漿圈加固范圍優(yōu)化后的結(jié)果(上下斷面分別局部注漿)進行敏感性分析。

圖6為不同注漿壓力下雙線貫通地表橫斷面沉降曲線。如圖6可知：隨著注漿壓力增大，地表沉降值逐漸減?。蛔{壓力為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa時，地表沉降最大值分別為17.59 mm、12.73 mm、8.32 mm，分別較未注漿時減小54.3%、66.9%、78.4%。

圖6 不同注漿壓力下雙線貫通地表沉降變化曲線

圖7為不同注漿壓力下管片最大主應(yīng)力變化曲線。由圖7可知：隨著注漿壓力增大，管片主應(yīng)力逐漸減小；注漿壓力為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa時，管片主應(yīng)力最大值分別為2.08 MPa、1.80 MPa、1.51 MPa，均滿足C50混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值要求。

圖7 不同注漿壓力下雙線貫通管片最大主應(yīng)力變化曲線

圖8為不同注漿壓力下雙線貫通管片內(nèi)側(cè)上浮變化曲線。工況二、工況五及工況六底部內(nèi)側(cè)最大上浮量依次分別為13.83 mm、15.28 mm、16.80 mm。綜上可知，注漿壓力增大，在一定程度上降低地表沉降及管片應(yīng)力的同時，管片內(nèi)側(cè)上浮量會相應(yīng)增大。綜合考慮注漿壓力對地表及管片變形的作用，可控制注漿壓力在0.1～0.2 MPa范圍內(nèi)。

圖8 不同注漿壓力下雙線貫通管片內(nèi)側(cè)上浮變化曲線

4 注漿圈彈性模量敏感性分析

目前，多數(shù)試驗研究成果表明：注漿能有效提高土體變形模量，且加固體的彈性模量體現(xiàn)了注漿加固效果，注漿加固效果好，則加固體的彈性模量大；反之則小。

圖9為不同注漿圈彈性模量下雙線貫通地表橫斷面沉降曲線。由圖9可知：彈性模量越大，地表沉降值越??；當(dāng)彈性模量為100 MPa時，橫斷面最大沉降值為14.99 mm，地表沉降相對基本工況的減小了61.34%，相對工況二的減小了14.78%。

圖9 不同注漿圈彈性模量下雙線貫通地表沉降變化曲線

圖10～11分別為不同注漿圈彈性模量下管片最大主應(yīng)力曲線及管片內(nèi)側(cè)上浮變化曲線。由圖10～11可知：注漿圈彈性模量由80 MPa(工況二)增至100 MPa時，管片最大主應(yīng)力的最大值逐漸減小，管片底部上浮量逐漸增大；但同一位置不同工況管片最大主應(yīng)力相差幅度不超過0.4 MPa，底部上浮增加量集中在1.5 mm左右，差值很小。與土體相比，管片對注漿圈彈性模量的變化不太敏感。

圖10 不同注漿圈彈性模量雙線貫通管片最大主應(yīng)力變化曲線

圖11 不同注漿圈彈性模量雙線貫通管片內(nèi)測上浮變化曲線

綜上可知，注漿加固效果對地表沉降影響較為顯著。故施工過程應(yīng)嚴(yán)格保證注漿質(zhì)量，控制注漿加固范圍、注漿壓力等條件在要求范圍內(nèi)，使土體維持較好的水平。

5 加固效果實測分析

為了研究隧道盾構(gòu)施工過程中地表及管片的變形規(guī)律，在特定位置設(shè)監(jiān)測點，對采用如上加固方案后的地表沉降、管片拱頂沉降等指標(biāo)進行量測和觀察。本文選取位于DK16+430斷面左線隧道正上方的地表監(jiān)測點DBC5-5及位于DK16+440斷面左線隧道正上方的拱頂沉降點GXC2-5為研究對象，監(jiān)測點布置如圖12所示，監(jiān)測點沉降歷時曲線如圖13所示。

圖12 監(jiān)測點DBC5-5、GXC2-5布置示意圖

由圖13可知，隨著左線開始施工，地表監(jiān)測點DBC5-5及拱頂測點GXC2-5持續(xù)沉降。當(dāng)施工步序還未到達監(jiān)測點時，監(jiān)測點處已經(jīng)出現(xiàn)一定程度的沉降；當(dāng)施工通過監(jiān)測點時，地表沉降發(fā)生較大突變；隨著施工持續(xù)進行，地表沉降的速率有所降低，拱頂沉降出現(xiàn)一定回彈。以最終階段來看，監(jiān)測點DBC5-5沉降值穩(wěn)定在8.0 mm附近，GXC2-5沉降值穩(wěn)定在10.5 mm附近，遠小于沉降控制值。這說明地表及拱頂?shù)某两抵刀际翘幱诎踩秶鷥?nèi)的。

圖13 監(jiān)測點DBC5-5、GXC2-5沉降歷時曲線

6 結(jié)語

針對昆明軌道交通5號線盾構(gòu)隧道下穿采蓮河工程，對隧道施工全過程力學(xué)特性進行了數(shù)值模擬。通過改變注漿加固范圍及注漿壓力，得到了控制地表沉降及管片應(yīng)力變形的最優(yōu)注漿加固方案。結(jié)論如下：

1) 上半斷面注漿時可有效降低地表沉降，但對管片較為不利，管片應(yīng)力及內(nèi)側(cè)上浮量均較大?？紤]注漿范圍對地層及管片的雙重影響，施工過程選擇上、下半斷面分別局部注漿時效果最好。

2) 地表沉降值及管片應(yīng)力隨注漿壓力的增大而減小，而管片內(nèi)側(cè)上浮量相應(yīng)增大?？紤]注漿壓力對地層及管片的雙重影響，可將注漿壓力控制在0.1～0.2 MPa。綜合以上控制措施，可使地表沉降減小54.3%～66.9%。

3) 注漿加固效果對地層沉降有直接影響，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制注漿質(zhì)量，保證注漿加固范圍及注漿壓力在要求范圍內(nèi)，進而提高施工安全性能。

4) 結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，建議的注漿方案能有效控制地表及管片沉降變形，研究結(jié)果可靠。