盾構(gòu)施工中非整環(huán)注漿對(duì)地表位移影響的研究

魏綱， 陳涵， 葉馨， 齊永潔

（1.浙大城市學(xué)院土木工程系，杭州 310015；2.浙江省城市盾構(gòu)隧道安全建造與智能養(yǎng)護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310015；3.杭州交投二航院設(shè)計(jì)咨詢有限公司，杭州 310012；4.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058）

0 引言

在盾構(gòu)隧道施工過程中，同步注漿不足極容易造成事故，導(dǎo)致地面沉降和管片位移，毀壞建筑物和生產(chǎn)設(shè)施，造成經(jīng)濟(jì)損失與安全事故。分析盾構(gòu)隧道施工中非整環(huán)注漿對(duì)地表位移的影響，進(jìn)而選取適當(dāng)?shù)淖{參數(shù)（注漿壓力和注漿量）能有效填充管片與土體間的空隙，減少土地?fù)p失、地面沉降和管片位移，有效防止安全事故發(fā)生。因此對(duì)非整環(huán)注漿引起的土體位移展開研究具有重要意義。

現(xiàn)有注漿壓力引起的土體變形研究以數(shù)值模擬法為主，其次是理論計(jì)算法，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究較少。主要研究?jī)?nèi)容是注漿壓力對(duì)盾構(gòu)隧道豎向、水平向位移和縱向變形規(guī)律的影響[1，2]，其中還有不少學(xué)者對(duì)隧道的注漿糾偏展開了研究[3，4]。此外，張冬梅等[5]通過體積膨脹模擬注漿效果并分析了注漿對(duì)隧道橫向變形的影響；齊永潔等[6，7]同樣以土體體積膨脹模擬注漿，從而推導(dǎo)了新建隧道環(huán)向半圓注漿環(huán)引起的土體豎向位移計(jì)算公式。利用體積膨脹來(lái)模擬注漿對(duì)周圍土體影響的方法早已提出[8]，但現(xiàn)有相關(guān)研究較少，且大多數(shù)研究均考慮注漿量充足形成壁后整環(huán)注漿環(huán)的情況，鮮有針對(duì)非整環(huán)注漿展開的工作。因此，有必要對(duì)非整環(huán)注漿引起的土體位移作進(jìn)一步深入研究。

文中分析了盾構(gòu)隧道施工中非整環(huán)注漿對(duì)土體位移的影響，用體積膨脹來(lái)模擬注漿效果，基于隨機(jī)介質(zhì)理論推導(dǎo)了非整環(huán)注漿膨脹引起的土體位移計(jì)算公式，分析了不同隧道埋深、膨脹區(qū)半徑對(duì)地表位移的影響。

1 非整環(huán)注漿對(duì)土體變形影響的理論解研究

1.1 計(jì)算模型建立

文中主要考慮盾構(gòu)隧道開挖過程中的土體損失及注漿作用。如圖1所示，新建隧道軸線平行于x軸，R為盾構(gòu)半徑，H為隧道軸線埋深，L為半圓柱狀膨脹區(qū)長(zhǎng)度，L1為盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長(zhǎng)度，開挖面位于x=0處。

圖1 注漿影響作用計(jì)算模型

同步注漿是將漿液通過壓力泵注入管片背后的建筑空隙，漿液在壓力和自重作用下流向空隙各個(gè)部分并在一定時(shí)間內(nèi)凝固，從而達(dá)到充填空隙，減小土體變形的目的。但若注漿量較少，那壁后漿液將無(wú)法形成一整個(gè)注漿環(huán)，而是在注漿點(diǎn)附近凝固，形成非整環(huán)注漿。常見的注漿孔布置為2孔、4孔和6孔，其中4孔布置較多。實(shí)際施工中注漿量一般為計(jì)算注漿量的130%～180%[9]，但即使是超量注漿，間隙充填率仍可能未達(dá)到100%，漿液不能完全填充間隙。研究認(rèn)為由于注漿孔附近超出的注漿量的影響，漿液將集中在注漿孔附近，形成半圓柱形膨脹區(qū)，如圖2所示，圖中A1、B1、C1、D1為注漿孔的排序名稱。

圖2 四孔注漿示意圖

1.2 非整環(huán)注漿膨脹引起的土體位移計(jì)算方法

為了計(jì)算土體損失及注漿環(huán)膨脹所引起的周圍土體豎向位移，引入隨機(jī)介質(zhì)理論及齊靜靜等[10]的研究成果，取土體中任一計(jì)算單元，體積為dξdζdη，單元埋深為η，該單元完全坍塌引起的上部任意一點(diǎn)（x，y，z）土體豎向位移值dU-z：

針對(duì)盾構(gòu)開挖過程中產(chǎn)生的土體損失，文中根據(jù)齊靜靜等的方法，得到土體損失引起的豎向位移值S沉表示：

式中，a、b為變量（沿x軸）的積分上下限，c、d為變量（沿y軸）的積分上下限，e、f為變量（沿z軸）的積分上下限，下標(biāo)1和2分別表示開挖面收斂前后，a1=-∞、f2=H+R；g為土體損失參數(shù)，有εs為土體損失百分率。

假定漿液膨脹區(qū)半徑為a，注漿膨脹區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)?；谑剑?），對(duì)膨脹區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行積分，即可求得四點(diǎn)注漿引起的豎向位移值。在此基礎(chǔ)上，疊加土體損失引起的豎向位移值S沉，即可得到沿豎直方向總的土體位移S總：

式中，a、b為變量（沿x軸）的積分上下限，c、d為變量ξ（沿y軸）的積分上下限，e、f為變量（沿z軸）的積分上下限；3表示半圓柱形膨脹區(qū)范圍內(nèi)的積分上下限，則不同注漿孔的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化和積分上下限計(jì)算公式如下：

1.3 算例分析

在建地鐵盾構(gòu)隧道半徑R=3.1m，土體泊松比μ=0.3，隧道軸線埋深H=17m，取地面沉降槽寬度參數(shù)k0=0.7，土體損失百分率εs=0.45%，a值取0.42m。橫截面計(jì)算時(shí)取截面位置為x=-15m處；盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長(zhǎng)度L1=9.17m，注漿長(zhǎng)度L=2m，取常見的4個(gè)注漿孔布置做計(jì)算。

圖3、圖4所示分別為盾構(gòu)隧道施工引起的橫向和縱向地表變形規(guī)律，3條曲線分別表示注漿引起的地表隆起、土體損失造成的地表沉降、兩者疊加的情況，圖中正值代表地表隆起，負(fù)值代表沉降。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)工況下的地表變形規(guī)律（橫向）

圖4 標(biāo)準(zhǔn)工況下的地表變形規(guī)律（縱向）

由圖3、圖4可知，采用文中方法計(jì)算所得3種情況的橫向地表變形曲線均以隧道軸線為對(duì)稱分布，注漿引起地表隆起，土體損失引起地表沉降；由于注漿不足，在疊加土體損失因素后地表變形最終表現(xiàn)為沉降，橫向地表變形在距隧道軸線20m以內(nèi)較為明顯，與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中地表變形數(shù)據(jù)規(guī)律相同；縱向地表沉降從開挖面前20m開始逐漸增大，一直增加至開挖面后30m達(dá)到穩(wěn)定值，受到注漿段的影響，在開挖面前10m至開挖面后30m的范圍內(nèi)地表沉降值有所減小。

2 單因素影響規(guī)律分析

在進(jìn)行單因素影響規(guī)律分析時(shí)，以文中案例的隧道工況作為標(biāo)準(zhǔn)工況做計(jì)算。

2.1 隧道埋深H改變對(duì)地表變形的影響

取標(biāo)準(zhǔn)工況數(shù)據(jù)，為便于研究，現(xiàn)調(diào)整部分參數(shù)如下：分別取H=12、17、22m為研究工況，計(jì)算截面位置取x=-15m處，其他參數(shù)保持不變。

圖5～圖7分別為H=22m、H=17m、H=12m時(shí)僅考慮四點(diǎn)注漿引起的地表隆起規(guī)律情況，圖8為考慮注漿和土體損失時(shí)不同H工況下地表豎向位移對(duì)比情況。由圖可知：①A1點(diǎn)注漿引起的地表隆起與B1點(diǎn)引起的地表隆起成鏡像關(guān)系，C1點(diǎn)注漿引起的地表隆起與D1點(diǎn)引起的地表隆起成鏡像關(guān)系，各點(diǎn)的隆起最大值都在注漿位置，距中心點(diǎn)3m左右；②隨著隧道埋深減小，當(dāng)H分別為22、17、12m時(shí)，注漿引起的地表隆起越來(lái)越大；③隧道埋深越淺，疊加土體損失后的最終地表沉降最大值增大越明顯，最大沉降量依次為1.1、1.31、1.73mm，但沉降影響范圍有所減小。因此在進(jìn)行淺埋盾構(gòu)隧道施工時(shí)，要注意控制隧道軸線及周圍的地表變形，埋深較深時(shí)也不能忽視地表變形。

圖5 H=22m時(shí)四點(diǎn)注漿引起的地表隆起規(guī)律

圖6 H=17m時(shí)四點(diǎn)注漿引起的地表隆起規(guī)律

圖7 H=12m時(shí)四點(diǎn)注漿引起的地表隆起規(guī)律

圖8 考慮土體損失時(shí)不同H時(shí)的地表變形規(guī)律

2.2 膨脹區(qū)半徑a改變對(duì)地表變形的影響

取標(biāo)準(zhǔn)工況數(shù)據(jù)，為便于研究，現(xiàn)調(diào)整部分參數(shù)如下：分別取a=0.32、0.42、0.52m為研究工況，a從小到大數(shù)據(jù)變化體現(xiàn)的是注漿量的逐漸增大。計(jì)算截面位置取x=-15m處。

圖9～圖11分別為a=0.32m、a=0.42m、a=0.52m時(shí)僅考慮四點(diǎn)注漿引起的地表隆起規(guī)律情況，圖12為疊加土體損失后不同a工況下地表最終豎向位移對(duì)比情況。由圖9可知：①A1點(diǎn)注漿引起的地表隆起與B1點(diǎn)引起的地表隆起成鏡像關(guān)系，C1點(diǎn)注漿引起的地表隆起與D1點(diǎn)引起的地表隆起成鏡像關(guān)系，各點(diǎn)的隆起最大值都在注漿位置，距中心點(diǎn)3m左右；②考慮土體損失后，當(dāng)a分別為0.32、0.42m時(shí)，最終地表沉降值逐漸減小，沉降曲線中心處開始向上凸起，當(dāng)a為0.52時(shí)，注漿量充足且有余，因此在穿越中心6m以內(nèi)有隆起，隆起最大值為0.43mm；③計(jì)算結(jié)果表明，隨著注漿膨脹區(qū)半徑值增大（即注漿量增大），注漿造成的地表隆起值會(huì)增大，但因?yàn)樽{逐漸有效填充間隙，最終的地表沉降最大值會(huì)逐漸減小。因此在實(shí)際施工中，通過合適的注漿可以減小最終的地表沉降值，但是如果注漿量過大也會(huì)導(dǎo)致地表隆起。

圖9 a=0.32m時(shí)四點(diǎn)注漿引起的地表隆起規(guī)律

圖10 a=0.42m時(shí)四點(diǎn)注漿引起的地表隆起規(guī)律

圖11 a=0.52m時(shí)四點(diǎn)注漿引起的地表隆起規(guī)律

圖12 考慮土體損失時(shí)不同a時(shí)的地表變形規(guī)律

3 結(jié)語(yǔ)

（1）盾構(gòu)施工中非整環(huán)注漿引起的橫向地表變形曲線大致呈對(duì)稱分布，在距中心點(diǎn)20m以內(nèi)變形明顯?？v向地表變形在不考慮土體損失情況下，大致以注漿位置為中心對(duì)稱。

（2）非整環(huán)注漿的計(jì)算中，對(duì)稱位置的注漿點(diǎn)所引起的地表位移曲線呈鏡像關(guān)系，各點(diǎn)的隆起最大值都在注漿位置，且大致呈對(duì)稱分布，這與工程經(jīng)驗(yàn)相符合。

（3）淺埋隧道在進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)穿越中心的地表變形明顯；隨著注漿量的增大，注漿中心位置處的地表位移將由沉降變?yōu)槁∑?，所以?shí)際施工過程中需要嚴(yán)格控制注漿量及注漿范圍。