某水利工程引水隧洞EPB盾構(gòu)施工注漿壓力與地表沉降關(guān)系研究

楊柏超，張 超

(1.深圳市鵬城水務技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000；2.深圳市水務工程檢測有限公司，廣東 深圳 518000)

0 前 言

EPB盾構(gòu)施工方法在隧洞施工中廣泛采用，且施工效果良好，正逐步取代其它諸如泥水平衡盾構(gòu)施工方法而在施工中占據(jù)主導地位。郭彩霞等通過提出對土壓平衡盾構(gòu)機的關(guān)鍵部件進行改進，實現(xiàn)了EPB在無水全斷面卵漂石地層中的順利施工掘進，為該類地層中進行隧洞施工時對土壓平衡盾構(gòu)的選型和改造提供了借鑒[1-2]。彭磊等針對礫砂地層中EPB盾構(gòu)機遇到的刀盤及其它旋轉(zhuǎn)部件的磨損嚴重問題以及掌子面易出現(xiàn)冒頂塌方的想象，提出采用改良泡沫劑配合掘進施工的方法加以解決，并成功開發(fā)出了一種改良泡沫劑，在北京地鐵16號線的施工中應用，證明了其提出的方法和開發(fā)的泡沫劑能夠有效解決上述問題，為該類地層中的EPB盾構(gòu)機的高效率掘進施工提供了極大幫助[3-4]。王英學等認識到刀盤形式一定程度上會影響施工掘進時的地表沉降，因此開展了圓弧和直角刀盤兩種盾構(gòu)機形式掘進施工的FLAC3D數(shù)值模擬，分析了兩種刀盤形式下盾構(gòu)機掘進的地層沉降差異，并提出了兩種刀盤形式對地表沉降的影響系數(shù)，數(shù)值結(jié)果與其提出的影響系數(shù)一致[5-6]。蔡兵華等針對土壓平衡盾構(gòu)在紅黏土掘進時遇到的各種特殊問題，研制了一種由兩種表面活性劑和添加劑配置成的改良添加劑用于一工程實例中，有效的解決了土壓平衡盾構(gòu)在紅黏土中掘進時所遇到的復雜問題[7-9]。江玉生等為加強EPB掘進時的風險管控，設計并研發(fā)出一套風險監(jiān)控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)盾構(gòu)施工掘進過程中各參數(shù)變化時的超限報警，為盾構(gòu)施工中的掘進參數(shù)的精細控制提供了實現(xiàn)方法[10-11]。

文章通過隧洞施工中將勘測資料中獲得的土層各個參數(shù)在Plaxis3D中進行建模賦值，并通過設計盾構(gòu)開挖步驟模擬，研究盾構(gòu)機不同注漿壓力下，掘進過程中的地表沉降狀況，為大直徑盾構(gòu)隧道在類似地層中的掘進施工盾尾同步注漿壓力的設置提供了參考。

1 工程地質(zhì)

某水利工程引水隧洞全長24.488km，如圖1所示，據(jù)勘測資料揭示，主要穿越地層上層為砂土，中間層為黏土，最下層為堅硬砂土，各土層的物理力學參數(shù)如表1所示。設計埋深13.5m，掘進過程中，擬采用兩種同步注漿壓力，但是兩種同步注漿壓力對預防地表沉降的效果尚不清楚，文章對兩種注漿壓力條件下的地表沉降進行數(shù)值計算分析。

圖1 盾構(gòu)掘進土層

表1 各土層相關(guān)試驗計算參數(shù)

2 Plaxis3D軟件

PLAXIS3D是基于有限元法的得到了國際上學術(shù)界和工程界長期的驗證和考核的三維數(shù)值軟件，PLAXIS3D中由于復雜的土體和結(jié)構(gòu)可以定義為兩種不同的模式，分別是土體模型和結(jié)構(gòu)模型，施工順序模式可以對施工過程和開挖過程進行真實模擬，應用于地鐵盾構(gòu)施工的相關(guān)模擬具有可靠優(yōu)勢。

3 構(gòu)建岸坡模型

依據(jù)實際地層特征，進行建模分析，所構(gòu)建模型如圖2所示，按照表1中所示各個土層參數(shù)對Plaxis3D中的各土層材料進行賦值，并增加結(jié)構(gòu)材料混凝土，其物理力學參數(shù)有彈性模量1e6kPa，泊松比為0.1，重度29kN·(m3)-1，設置其為彈性模型。

圖2 引水隧洞盾構(gòu)施工模型

4 模擬結(jié)果

下面主要通過對兩種注漿壓力下的地表沉降位移的分析比較，獲得地表沉降與注漿壓力之間的關(guān)系。

4.1 注漿壓力為100bar時

圖3所示是設置盾尾注漿壓力為100bar時，盾構(gòu)掘進過程中的上方土體Z方向位移變化云圖，由圖中可知，上方土體最大沉降位移為3.8cm左右，小于該地層掘進的地表位移控制值5cm，滿足施工要求，且最大位移值主要分布于隧道頂部，由頂部位置向上層地層延伸逐漸變小，在地表的沉降值約為2.3cm，同樣滿足規(guī)范規(guī)定的地表沉降位移控制要求。

圖3 注漿壓力為100bar時的地表沉降

圖4 注漿壓力為100bar時的總位移

圖4所示是設置盾尾注漿壓力為100bar時，盾構(gòu)掘進過程中的上方土體總的位移變化云圖，由圖中可知，上方土體最大的總位移為3.6cm左右，小于該地層掘進的總位移控制值5cm，滿足施工要求，且最大的總位移值主要分布于隧道頂部，由頂部位置向上層地層延伸逐漸變小，在地表的總的位移值約為2.0cm，同樣滿足規(guī)范規(guī)定的地表沉降位移控制要求。

4.2 注漿壓力為50bar時

圖5所示是設置盾尾注漿壓力為50bar時，盾構(gòu)掘進過程中的上方土體Z方向位移變化云圖，由圖中可知，上方土體最大沉降位移為7.2cm左右，大于該地層掘進的地表位移控制值5cm，不滿足施工要求，且最大位移值主要分布于隧道頂部，由頂部位置向上層地層延伸逐漸變小，在地表的沉降值約為5.2cm，同樣大于規(guī)范規(guī)定的地表沉降位移控制要求，不滿足施工控制要求。

圖5 注漿壓力為50bar時的地表沉降

圖6 注漿壓力為50bar時的總位移

圖6所示是設置盾尾注漿壓力為50bar時，盾構(gòu)掘進過程中的上方土體總的位移變化云圖，由圖中可知，上方土體最大的總位移為7.2cm左右，大于該地層掘進的總位移控制值5cm，不滿足施工要求，且最大的總位移值主要分布于隧道頂部，由頂部位置向上層地層延伸逐漸變小，在地表的總的位移值約為5.2cm，同樣不滿足規(guī)范規(guī)定的地表沉降位移控制要求，不滿足施工控制要求。

5 結(jié) 論

1)地表總沉降位移隨著盾尾注漿壓力的增大而相應減小，地表Z方向沉降位移隨著盾尾注漿壓力的較小而相應增大。

2)盾尾注漿壓力為50bar時，盾構(gòu)掘進過程中的上方土體Z方向沉降位移和總的位移超過規(guī)范規(guī)定的地表沉降位移，不滿足施工控制要求。

3)盾尾注漿壓力為100bar時，盾構(gòu)掘進過程中的上方土體總的位移和Z方向沉降位移在規(guī)范規(guī)定的地表沉降位移之內(nèi)，建議在該地層中進行掘進時采用100bar的注漿壓力。