機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道注漿施工影響研究*

潘鴻吉，朱瑤宏,2，馬永政，黃 強(qiáng)

(1.寧波大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 寧波 315211；2.寧波大學(xué)濱海城市軌道交通協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 寧波 315211；3.寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

0 引言

地下空間開發(fā)利用是現(xiàn)代化城市建設(shè)的重要方向，城市軌道交通建設(shè)工程是地下空間開發(fā)的重要載體。隨著城市軌道交通工程的蓬勃發(fā)展，增加了作為重要輔助工程的地鐵聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)需求。傳統(tǒng)的隧道施工方法主要包括盾構(gòu)法與頂管法，其中，盾構(gòu)法機(jī)械化程度較高，可滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下長(zhǎng)距離施工要求；頂管法主要用于短距離、小直徑的通道類地下工程建設(shè)[1]。地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工存在空間狹小、掘進(jìn)距離短、鄰接隧道結(jié)構(gòu)及周圍土層易受擾動(dòng)影響等問題，主要采用凍結(jié)法結(jié)合礦山法進(jìn)行人工開挖。通過對(duì)材料、設(shè)備及工藝進(jìn)行改進(jìn)，盾構(gòu)法等機(jī)械法施工技術(shù)可較好地應(yīng)用于短行程聯(lián)絡(luò)通道工程中[2]。但機(jī)械法施工會(huì)造成隧道管片結(jié)構(gòu)體及周圍巖土層隆沉、變形等[3-4]，在高壓縮性、低承載力、易觸變的淤泥軟土層或粉土層中，易出現(xiàn)設(shè)備推進(jìn)姿態(tài)控制不當(dāng)、管片錯(cuò)臺(tái)等問題。受聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)距離等的限制，針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)異常隆沉進(jìn)行的糾偏調(diào)整較困難。隧道底部注漿是解決隧道結(jié)構(gòu)異常隆沉的常規(guī)方法，其作用體現(xiàn)在彌補(bǔ)地層損失、加固周圍土層、提高隧道結(jié)構(gòu)整體性和抗?jié)B性等方面。目前，關(guān)于壁后注漿作用機(jī)理、材料工藝等的研究仍不完善[5]。在注漿施工對(duì)隧道襯砌環(huán)抬升作用及對(duì)土層影響特性研究方面，可基于簡(jiǎn)化力學(xué)模型并借助數(shù)值模擬軟件等進(jìn)行理論分析，其中縱向變形分析模型包括梁-彈簧模型[6]、殼-彈簧模型[7]、等效連續(xù)化模型[8]、有限元實(shí)體單元數(shù)值模型等。Zhang等[9]探討了上海軟土層地鐵雙隧道結(jié)構(gòu)沉降治理問題，通過采取底部注入雙液漿等措施，制止了不利縱向沉降。朱瑤宏等[10]針對(duì)寧波地鐵2號(hào)線某區(qū)間隧道施工過程中受軟弱下臥層影響導(dǎo)致的管片結(jié)構(gòu)局部沉降過大等問題，提出底部注漿結(jié)合內(nèi)部設(shè)置支撐的處治方案，使最大穩(wěn)定抬升量達(dá)3cm。張成平等[11]依托北京地鐵5號(hào)線暗挖車站工程，針對(duì)上穿既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)累計(jì)沉降超限、道床與隧道脫離等問題，采用注漿方式加以解決。

機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道注漿施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和周圍土層的影響較復(fù)雜，因此對(duì)隧道結(jié)構(gòu)、聯(lián)絡(luò)通道受力進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果等，研究注漿施工的影響。

1 隧道結(jié)構(gòu)與聯(lián)絡(luò)通道受力分析

機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道T接施工時(shí)，需在隧道結(jié)構(gòu)特殊襯砌管片位置設(shè)置支撐反力架，并通過掘進(jìn)機(jī)橫向切削管片后頂推出洞，隧道結(jié)構(gòu)受力情況如圖1所示。切削、頂推施工會(huì)使隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，還會(huì)影響周圍土層受力。聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)的受力情況如圖2所示，在注漿抬升作用下，土層反力、注漿荷載等使聯(lián)絡(luò)通道發(fā)生一定變形，此時(shí)以T接方式固定在隧道上的聯(lián)絡(luò)通道類似于懸臂結(jié)構(gòu)。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)受力

圖2 聯(lián)絡(luò)通道受力

隧道結(jié)構(gòu)在切削、頂推荷載作用下發(fā)生橫向位移，主要表現(xiàn)為水平方向外伸、垂直方向內(nèi)縮。聯(lián)絡(luò)通道施工荷載作用于隧道結(jié)構(gòu)一側(cè)，可使隧道發(fā)生水平縱向變形。聯(lián)絡(luò)通道施工荷載還會(huì)使隧道發(fā)生橫向扭剪變形，可能導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)通道縱向初始頂推轉(zhuǎn)角發(fā)生變化。

2 周圍土層擾動(dòng)分析

在切削、頂推、掘進(jìn)、注漿等施工影響下，聯(lián)絡(luò)通道施工荷載會(huì)對(duì)周圍土層造成擾動(dòng)，這是影響設(shè)備掘進(jìn)姿態(tài)、造成隧道結(jié)構(gòu)沉降的重要原因。施工影響主要體現(xiàn)在：①頂推時(shí)盾殼及前端設(shè)備與周圍土層之間產(chǎn)生摩擦作用，使土層發(fā)生剪切滑動(dòng)變形，其附加應(yīng)力影響可參照魏綱等[12]基于Mindlin公式的推導(dǎo)結(jié)果；②管片拼裝完成推出尾翼時(shí)，由于管片外徑與隧道開挖直徑不同，形成的間隙會(huì)造成地層損失，從而引起周圍土層應(yīng)力釋放，需預(yù)留注漿孔進(jìn)行人工注漿，受注漿量及注漿位置的影響，隧道結(jié)構(gòu)可能發(fā)生隆沉；③在向接收端切削掘進(jìn)過程中，因接收端隧道結(jié)構(gòu)橫向阻擋，使掘進(jìn)前端周圍土層受到一定反向擠壓作用，當(dāng)頂管機(jī)抵抗力不足時(shí)，開挖面承受主動(dòng)土壓力，土體向頂管機(jī)方向移動(dòng)，產(chǎn)生土體損失，此時(shí)隧道結(jié)構(gòu)前端易發(fā)生沉降；④聯(lián)絡(luò)通道施工完成后，隨著受擾動(dòng)土層孔隙水及氣體的排出，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生后續(xù)固結(jié)沉降。

基于以上分析，對(duì)周圍土層擾動(dòng)影響區(qū)域進(jìn)行劃分：①T接位置周圍土層受施工擾動(dòng)的影響大，可視為單獨(dú)區(qū)域，即T接施工擾動(dòng)區(qū)域；②刀盤切削部位豎向受力影響因素復(fù)雜，形成刀盤擾動(dòng)區(qū)域；③掘進(jìn)時(shí)盾殼摩擦力造成土層剪切變形，形成土體剪切破壞區(qū)域；④隧道管片推出尾翼后，上部土層失去支撐，造成地層損失，從而引起周圍土層應(yīng)力釋放，形成上覆土卸載擾動(dòng)區(qū)域；⑤上部土層失去支撐后，需通過注漿填充管片與土層空隙，形成壁后注漿擾動(dòng)區(qū)域；⑥管片推進(jìn)過程中與周圍土層摩擦，形成管片摩擦擾動(dòng)區(qū)域；⑦因接收端隧道結(jié)構(gòu)橫向阻擋，使掘進(jìn)前端周圍土層受到一定反向擠壓作用，形成接收端擾動(dòng)區(qū)，如圖3所示。

圖3 周圍土層擾動(dòng)影響分區(qū)

3 基于梁-彈簧模型的聯(lián)絡(luò)通道縱向變形分析

研究掘進(jìn)、注漿等施工荷載作用下聯(lián)絡(luò)通道縱向變形特征時(shí)，本文采用較簡(jiǎn)易的梁-彈簧模型分析聯(lián)絡(luò)通道縱向變形，假定始發(fā)鋼管片(機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道在始發(fā)端與接收端設(shè)置鋼管片，起調(diào)節(jié)聯(lián)絡(luò)通道長(zhǎng)度的作用)為固定約束，靠近接收端聯(lián)絡(luò)通道前端為自由端，可將聯(lián)絡(luò)通道視為懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)，在管片縱向接頭處設(shè)置連接彈簧(剪切彈簧和抗彎彈簧)?？紤]隧道壁后注漿漿液擴(kuò)散過程中觀測(cè)難度較大，假設(shè)以隧道底部注漿為主，壁后注漿漿液作用在聯(lián)絡(luò)通道下部的荷載始終恒定，且方向垂直地面向上。

3.1 懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)模型

建立帶單側(cè)約束邊界的聯(lián)絡(luò)通道懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)模型，如圖4所示。

圖4 懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)模型

懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)擾動(dòng)公式為：

(1)

式中：EI為管節(jié)縱向抗彎剛度；k為基床系數(shù)；x為各段地基梁距左側(cè)端面的距離；y(x)為懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)豎向撓度；b為懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)寬度；q(x)為懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)所受豎向土壓力。

初始段(OX1段)左側(cè)固定，無轉(zhuǎn)角差，邊界條件如下：

(2)

式中：y10為初始段左側(cè)撓度；θ10為初始段左側(cè)轉(zhuǎn)角。

接頭兩側(cè)滿足以下連續(xù)性條件：

(3)

式中：yi0為第i段左側(cè)撓度；y(i-1)1為第(i-1)段右側(cè)撓度；Δyi為第i段與第(i-1)段撓度差；θi0為第i段左側(cè)轉(zhuǎn)角；θ(i-1)1為第(i-1)段右側(cè)轉(zhuǎn)角；Δθi為第i段與第(i-1)段轉(zhuǎn)角差；Qi0為第i段左側(cè)剪力；Q(i-1)1為第(i-1)段右側(cè)剪力；Mi0為第i段左側(cè)彎矩；M(i-1)1為第(i-1)段右側(cè)彎矩。

末尾段Xn-1Xn邊界條件如下：

Qn1=Mn1=0

(4)

式中：Qn1為第n段(末尾段)右側(cè)剪力；Mn1為第n段(末尾段)右側(cè)彎矩。

i段管節(jié)作為懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)的初參數(shù)解如下：

(5)

懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)左側(cè)邊界參數(shù)解：

(6)

表1 模型驗(yàn)證結(jié)果

3.2 模型驗(yàn)證

設(shè)懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)長(zhǎng)9m，均布荷載為1.5×103kN/m，抗彎剛度為9.3×107kN/m2。為更貼切模擬懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)撓曲規(guī)律，假定模型管片環(huán)間不發(fā)生豎向變形，僅發(fā)生彎曲變形，即設(shè)定管片接頭彈簧等效抗剪剛度系數(shù)為無窮大，管片接頭彈簧等效抗彎剛度系數(shù)取不同值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著管片接頭彈簧等效抗彎剛度系數(shù)的不斷增大，接頭彎曲性能不斷下降，懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)不同位置處撓度均減小，模型解逐漸趨向于解析解，表明本文模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確有效。

3.3 參數(shù)敏感度分析

基床系數(shù)、初始頂推轉(zhuǎn)角、管片接頭彈簧等效抗彎剛度系數(shù)、管片接頭彈簧等效抗剪剛度系數(shù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)沉降的影響如圖5～7所示。由圖5可知，隨著管片接頭彈簧等效抗彎剛度系數(shù)的增大，隧道結(jié)構(gòu)沉降逐漸減小并趨于穩(wěn)定；管片接頭彈簧等效抗剪剛度系數(shù)較小時(shí)，隨著基床系數(shù)的增加，隧道結(jié)構(gòu)沉降逐漸減?。浑S著管片接頭彈簧等效抗剪剛度系數(shù)的增大，不同基床系數(shù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)沉降的影響逐漸減小。

圖5 基床系數(shù)與管片接頭彈簧等效抗彎剛度系數(shù)的影響

圖6 基床系數(shù)與管片接頭彈簧等效抗剪剛度系數(shù)的影響

圖7 基床系數(shù)與初始頂推轉(zhuǎn)角的影響

由圖6可知，隨著基床系數(shù)的增大，隧道結(jié)構(gòu)沉降逐漸減小，當(dāng)管片接頭彈簧等效抗剪剛度系數(shù)較小時(shí)，減小幅度較明顯；隨著管片接頭彈簧等效抗剪剛度系數(shù)的增大，隧道結(jié)構(gòu)沉降逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

由圖7可知，隨著初始頂推轉(zhuǎn)角的增大，隧道結(jié)構(gòu)沉降逐漸減小；當(dāng)初始頂推轉(zhuǎn)角較小時(shí)，沉降增幅較大。

綜上所述，隧道結(jié)構(gòu)沉降對(duì)初始頂推轉(zhuǎn)角最敏感，其次是管片接頭彈簧剛度系數(shù)，最后為基床系數(shù)。因此，建議提前量測(cè)始發(fā)掘進(jìn)姿態(tài)，嚴(yán)格按照推進(jìn)計(jì)劃定位軸線，并實(shí)時(shí)復(fù)核推進(jìn)線路，以保證機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道安全順利貫通。

3.4 案例分析

3.4.1工程概況

杭州市某區(qū)間頂管機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道工程地下結(jié)構(gòu)埋深(管片中心距地面的距離)18.8m，所在區(qū)域地層自上而下依次為：①雜填(素填)土層，平均天然重度18.2kN/m3，平均黏聚力2kPa，平均內(nèi)摩擦角10°，總厚度1.5m；③2，③3，③5砂質(zhì)粉土層，平均天然重度19.3kN/m3，平均黏聚力3kPa，平均內(nèi)摩擦角26°，總厚度8.0m；③6粉砂層，天然重度19.5kN/m3，黏聚力3kPa，內(nèi)摩擦角30°，厚度6.9m；⑥1-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，天然重度17.2kN/m3，黏聚力12kPa，內(nèi)摩擦角9.5°，厚度9.8m。

聯(lián)絡(luò)通道施工臨近結(jié)束時(shí)，在距隧道管片約50cm處，因土壓力變化等原因，盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量顯示前端存在超出合理范圍的端頭錯(cuò)位沉降，施工監(jiān)測(cè)顯示沉降為32～36mm，為此，提出聯(lián)絡(luò)通道底部注漿處治方案，在聯(lián)絡(luò)通道每塊管片上開10個(gè)注漿孔，控制注漿壓力<0.5MPa。為提高抬升效果，以底部注漿為主，且主要在靠近端部的管片底部注漿。

3.4.2沉降與注漿模擬

對(duì)施工期間出現(xiàn)的異常錯(cuò)位沉降及注漿進(jìn)行模擬，取土體及結(jié)構(gòu)自重等效均布荷載為1.22×103kN/m，懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)抗彎剛度為9.3×107kN·m2，接頭彈簧等效抗彎剛度系數(shù)為1.0×108kN·m/rad，接頭彈簧等效抗剪剛度系數(shù)為7.0×107kN/m，基床系數(shù)為5MPa/m，假設(shè)無初始位移和初始頂推轉(zhuǎn)角，管片共12環(huán)，計(jì)算得端頭沉降為33.6mm。

基于理論模型，分析不同注漿范圍及注漿壓力下的抬升效果。注漿范圍分為靠近始發(fā)端前3環(huán)、前6環(huán)、前9環(huán)、聯(lián)絡(luò)通道整體。注漿壓力設(shè)為0.2～0.5MPa，計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨著注漿壓力的增大，地表抬升量逐漸增加，抬升效果較好，基本反映實(shí)際情況。

表2 注漿抬升效果

4 注漿施工對(duì)土層擾動(dòng)的影響

分析注漿施工對(duì)土層擾動(dòng)的影響，地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示，以左行線隧道右側(cè)上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)D1-1～D1-6所在斷面為H1橫斷面，以垂直于聯(lián)絡(luò)通道軸線正上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)D2-1～D2-11，D5-5所在斷面為H2橫斷面，以經(jīng)過右行線T接部位上方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)D3-2～D3-11，D5-4所在斷面為H3橫斷面，以右行線隧道正上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)D4-0～D4-4，D5-3所在斷面為H4橫斷面，以沿聯(lián)絡(luò)通道縱向中心線正上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)D5-1～D5-8，D1-1所在斷面為Z1縱斷面。

圖8 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

以聯(lián)絡(luò)通道整體壁后注漿為例，注漿量分別為0.5，0.6，0.8，0.4，0.4，0.8，0.4，0.4，0.2，0.2，0.2，0.3t。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，Z1縱斷面處地表最大抬升量約為1.7mm，位于第2環(huán)管片附近D5-4測(cè)點(diǎn)，該處注漿量最大約為0.8t；H3橫斷面處地表抬升最明顯，最大抬升量約為1.6mm；H2，H4橫斷面處地表最大抬升量約為0.5mm；H1橫斷面處地表抬升不明顯。

5 結(jié)語

1)隧道結(jié)構(gòu)在切削、頂推荷載作用下發(fā)生橫向位移，主要表現(xiàn)為水平方向外伸、垂直方向內(nèi)縮。聯(lián)絡(luò)通道施工荷載作用于隧道結(jié)構(gòu)一側(cè)，可使隧道發(fā)生水平縱向變形。

2)聯(lián)絡(luò)通道施工荷載會(huì)使隧道發(fā)生橫向扭剪變形，可能導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)通道縱向初始頂推轉(zhuǎn)角發(fā)生變化。

3)頂推時(shí)盾殼及前端設(shè)備與周圍土層之間產(chǎn)生摩擦作用，使土層發(fā)生剪切滑動(dòng)變形。

4)管片拼裝完成推出尾翼時(shí)，由于管片外徑與隧道開挖直徑不同，形成的間隙會(huì)造成地層損失，從而引起周圍土層應(yīng)力釋放。

5)在向接收端切削掘進(jìn)過程中，因接收端隧道結(jié)構(gòu)橫向阻擋，使掘進(jìn)前端周圍土層受到一定反向擠壓作用，當(dāng)頂管機(jī)抵抗力不足時(shí)，開挖面承受主動(dòng)土壓力作用，土體向頂管機(jī)方向移動(dòng)，產(chǎn)生土體損失，使隧道結(jié)構(gòu)前端發(fā)生沉降。

6)聯(lián)絡(luò)通道施工完成后，隨著受擾動(dòng)土層孔隙水及氣體的排出，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生后續(xù)固結(jié)沉降。

7)本文建立帶單側(cè)約束邊界的聯(lián)絡(luò)通道懸臂式多段地基梁組合結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確有效，可基本反映實(shí)際情況。

8)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，地表抬升量與注漿位置、注漿量有關(guān)，注漿施工對(duì)地表抬升的影響較小，注漿過程較安全。