下枕膨脹地層大直徑泥水盾構(gòu)隧道注漿層的作用

楊東海周子揚莫雁冰董方晏陳治宇

1.廣西南崇鐵路有限責(zé)任公司，南寧 530021；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，成都610031

巖土的膨脹性是指其體積隨含水量的增減而脹縮的特性［1］，如果巖土的外部受到約束，將產(chǎn)生一種內(nèi)應(yīng)力即膨脹力［2］。盾構(gòu)隧道在膨脹地層施工時將破壞周圍地層造成更多裂隙，從而導(dǎo)致巖土體中的含水率改變，地層產(chǎn)生不規(guī)律的局部膨脹，對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的膨脹壓力［3］。如何確定膨脹荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，減小局部膨脹荷載對管片結(jié)構(gòu)的不良影響，是膨脹性巖土地層下盾構(gòu)隧道施工參數(shù)確定的關(guān)鍵。

在膨脹土研究方面。1972年Grob基于Huder與Amberg的研究提出了Huder-Amberg一維本構(gòu)模型，并得到世界范圍的認可與廣泛使用［4-5］。Anagnostou［6］提出的膨脹巖土本構(gòu)模型，考慮了滲流條件，可計算隧道不同部位隨時間的膨脹變化?？妳f(xié)興等［7］從溫度場出發(fā)，提出采用濕度應(yīng)力場理論作為膨脹巖土的本構(gòu)模型，給膨脹巖土本構(gòu)關(guān)系的研究提供了關(guān)鍵性的思路。

王清州等［8］基于河北承德地區(qū)泥巖重塑土，對圓柱體試件進行軸向和環(huán)向的膨脹力測試，研究了膨脹力與土體干密度和含水率的關(guān)系。劉述麗等［9］通過對不同膨脹性試樣進行強度試驗，揭示了裂隙充分發(fā)展的強度指標(biāo)隨自由膨脹率變化的關(guān)系。呂海波等［10-11］對南寧地區(qū)膨脹土進行了三軸不固結(jié)不排水剪切試驗，結(jié)果表明膨脹土抗剪強度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而降低，并最終趨于穩(wěn)定。

隧道工程膨脹地層研究方面，陳有亮等［12］基于Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則，考慮圍巖的膨脹應(yīng)力與剪脹的共同作用，探究了膨脹應(yīng)力及剪脹對圍巖應(yīng)力場和位移場的影響規(guī)律。方勇等［2-3，13］分別對局部膨脹、環(huán)狀膨脹及下伏膨脹巖層引起的附加膨脹荷載進行理論推導(dǎo)得出對應(yīng)計算公式，結(jié)合數(shù)值分析與現(xiàn)場測試分析了不同形式膨脹荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力。張藝騰等［14］采用溫度場模擬膨脹黃土增濕產(chǎn)生的濕度應(yīng)力場，分析了局部膨脹對隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律。

從現(xiàn)有研究中可以發(fā)現(xiàn)，在膨脹機理與膨脹巖土本構(gòu)關(guān)系方面的理論研究已經(jīng)較為成熟。現(xiàn)階段隧道工程中對膨脹巖土的研究主要聚焦于圍巖的變形和隧道結(jié)構(gòu)受膨脹荷載影響方面，對于如何削減膨脹荷載的影響、保護結(jié)構(gòu)安全方面的研究較為缺乏。據(jù)此，本文以新建南寧至崇左鐵路留村隧道工程為依托，建立數(shù)值計算模型，通過熱-力耦合溫度場等效模擬濕度場變化產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，分析注漿層厚度變化對地層膨脹作用的影響規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 工程概況

留村隧道盾構(gòu)段全長3 920 m，隧道洞身主要穿越中風(fēng)化泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖以及含黏性土圓礫地層。其中泥巖地層具有南寧地區(qū)的典型膨脹性質(zhì)。

盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)采用單層裝配式管片襯砌。管片外徑12.4 m，內(nèi)徑11.3 m，厚55 cm，幅寬2 m。管片結(jié)構(gòu)采用C50高強度混凝土，全環(huán)分為9塊，采用1+2+6的分塊形式。隧道斷面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 隧道斷面

1.2 模型建立

選取隧道穿越南寧地區(qū)典型膨脹性泥巖地層的斷面（DK6+140）作為計算斷面。隧道上覆地層從上至下分別為素填土、粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥巖以及泥質(zhì)粉砂巖。隧道開挖面上部為泥質(zhì)粉砂巖、下伏膨脹性的中風(fēng)化泥巖地層。隧道埋深36.09 m，地下水位在地面以下9.03 m處。地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 地質(zhì)剖面（單位：m）

采用FLAC 3D軟件，根據(jù)斷面地質(zhì)剖面信息建立有限元計算模型。根據(jù)圣維南原理，模型邊界距隧道的距離取隧道直徑的3~4倍，模型尺寸為80.00 m×20.00 m×82.29 m。模型前后左右以及底面邊界施加法向約束。假設(shè)巖土體為均質(zhì)各向同性材料，使用摩爾庫倫本構(gòu)模型；襯砌、注漿圈視為彈性實體，采用胡克彈性本構(gòu)模型。

以注漿層厚度0.10、0.15和0.20 m的情況分別建立計算模型。對于襯砌結(jié)構(gòu)下部膨脹性泥巖地層考慮膨脹范圍1 m及2 m的工況分別劃分膨脹區(qū)域。數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型

1.3 工況設(shè)置

根據(jù)地質(zhì)勘測資料，隧道沿線區(qū)域中風(fēng)化泥巖自由膨脹率δ在37%~71%，平均孔隙比為0.515。通過孔隙比可大致推算地層從干燥狀態(tài)吸水至天然含水時的體積膨脹率δ0最大約為34%（巖土孔隙由水填充計算而來）。巖土吸水膨脹規(guī)律為

式中：?為巖土體的體積膨脹率。

由式（1）計算得到?的理想狀態(tài)大致取值范圍是3%~37%。

據(jù)此設(shè)計18組計算工況，具體內(nèi)容為

1）在地層膨脹范圍內(nèi)取線膨脹率為3%、6%與9%。體積膨脹?與線膨脹ε滿足

由式（2）計算出膨脹地層的體積膨脹率為9.3%、19.1%與29.5%。

2）注漿圈厚度h取0.10、0.15、0.20 m。

3）隧道下部膨脹地層厚度H分別取1 m與2 m。

計算中膨脹巖土采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，土體的膨脹應(yīng)變用體積力來模擬［3］，在FLAC 3D軟件中通過設(shè)置線性熱膨脹系數(shù)αt與溫差ΔT兩個參數(shù)，控制巖土體的膨脹。計算公式為

考慮到膨脹巖土在吸水膨脹后會有軟化效應(yīng)，巖土體黏聚力、彈性模量和屈服強度指標(biāo)都將有一定程度的衰減［15］。根據(jù)文獻［9］可知，膨脹巖土體的黏聚力隨著巖土體自由膨脹率的增大而減小，但是內(nèi)摩擦角變化不大。由此引入公式

式中：C'為軟化后的巖土黏聚力；C0為初始的巖土黏聚力。

根據(jù)彈性理論，室內(nèi)測得的膨脹應(yīng)力與膨脹應(yīng)變的關(guān)系公式［13］為

式中：σp為膨脹應(yīng)力，ν為膨脹土泊松比。

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果［16-17］，自由膨脹率在60%左右，線膨脹ε達到1%時將產(chǎn)生50 kPa左右的膨脹應(yīng)力，帶入式（5）中近似求得軟化之后的巖土體彈性模量為3.75 MPa。泊松比在計算中視為常量。數(shù)值計算中材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

2 計算結(jié)果分析

2.1 位移監(jiān)測結(jié)果分析

監(jiān)測點布置見圖4，分別提取各個工況中隧道中軸線-30~30 m內(nèi)每5 m間隔的地表位移與隧道底部地層位移數(shù)據(jù)。選取注漿層厚0.1 m的工況進行分析。不同膨脹地層厚度與不同線膨脹率下地層位移分布見圖5。

圖4 監(jiān)測點布置（單位：m）

圖5 0.1 m厚注漿層工況地層位移分布

由圖5可知：

1）對于隧道底部地層位移，在膨脹荷載的作用下，隧道中軸線產(chǎn)生向上的位移，管片結(jié)構(gòu)底部有向上拱起的趨勢。由于管片剛度遠大于周圍地層剛度，膨脹巖層應(yīng)變向周圍地層釋放，此時靠近膨脹區(qū)域地層產(chǎn)生向下位移。隨著膨脹應(yīng)變的增大，監(jiān)測點的位移變化規(guī)律相似，變形幅度隨著膨脹性增強而同步增大；同時膨脹范圍的擴大導(dǎo)致地層變形加劇。在ε=9%，H=2 m工況下位移達到最大，約2.5 mm，地層沉降與隆起變形位移差近3.5 mm。

2）對于地面沉降而言，在膨脹荷載的影響下地面整體處在向上隆起的狀態(tài)，隆起幅度在隧道中軸線±5 m左右達到最大。隨著膨脹率與膨脹范圍的增大，地表位移明顯增大，在ε=9%，H=2 m的工況達到最大，此時的地面隆起約1.8 mm。對于此工程來說，隧道埋深較大，土體局部膨脹產(chǎn)生的地面位移較小，可不作為施工設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。

壁后注漿漿液能有效填充盾尾間隙，達到彌補地層損失的作用［18］。本文選取膨脹率為9%，膨脹地層厚度2 m作為計算工況，通過設(shè)置不同注漿層厚度，探討壁后注漿對緩解地層變形的作用。

ε=9%，H=2 m工況不同注漿層厚度下地層位移分布見圖6。當(dāng)注漿層厚度較小時，隨著注漿層厚度的增加能有效減小隧道周圍地層的變形。當(dāng)注漿層厚度從0.10 m增至0.15 m時，隧道底部中軸位置位移從2.37 mm降至0.87 mm，減小63.3%；地表位移在±5 m處削弱最大，最大減小約45.1%。注漿層厚度增至0.20 m時，地層變形緩解效果減弱。

圖6 ε=9%，H=2 m工況不同注漿層厚度下地層位移分布

對于地表沉降的削弱同樣如此，注漿層厚度從0.10 m增長至0.15 m時，緩解地層變形效果明顯。隨著注漿層再次增厚，緩解地層變形的效果并未增強。在注漿層厚度為0.20 m的工況中，部分位置地表位移反而大于注漿層厚度為0.15 m的工況，說明注漿層厚度大于0.15 m時，厚度與地表位移相關(guān)性減弱。

2.2 結(jié)構(gòu)受力分析

結(jié)構(gòu)受力方面主要考慮不同注漿層厚度下管片結(jié)構(gòu)外部徑向受力以及荷載作用下結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。ε=9%，H=2 m工況不同注漿層厚度下襯砌外部徑向壓力分布見圖7。橫坐標(biāo)表示管片環(huán)向位置，以隧道拱頂處為0°起始位置，0°~180°為隧道右側(cè)，180°~360°為隧道左側(cè)；縱坐標(biāo)為管片外部所受徑向壓力與不考慮注漿層保護時所受徑向壓力的比值。

圖7 ε=9%，H=2 m工況不同注漿層厚度下襯砌外部徑向壓力分布

由圖7可知，注漿層可一定程度上分擔(dān)隧道襯砌結(jié)構(gòu)所受的荷載，減小管片徑向所受壓力?？紤]注漿層保護后，管片環(huán)向徑向壓力減小范圍大致在0~35%，在45°、135°、225°和315°位置（隧道拱肩與拱腳），徑向壓力的減小幅度更大。相反在拱頂、拱底及拱腰位置，變化相對較小。管片所受的外部徑向壓力隨注漿層厚度的增大進一步減小，0.10 m注漿層厚度時徑向壓力比在0.72~0.99，0.15 m注漿層厚度時徑向壓力比在0.66~0.95，0.20 m注漿層厚度時徑向壓力比在0.63~0.95?？梢酝茰y隨著注漿層厚度的持續(xù)增大管片受到的徑向壓力逐漸減小，但注漿層對膨脹荷載的削弱作用將逐步減小。

ε=9%，H=2 m工況不同注漿層厚度下膨脹附加荷載見圖8。由圖8（a）可知，在膨脹荷載的作用下，管片下部150°~210°內(nèi)產(chǎn)生附加正向彎矩，在管片105°~150°與210°~255°內(nèi)產(chǎn)生附加負向彎矩；管片上部規(guī)律相似，只是變化幅度相對較小。由圖8（b）可知，膨脹荷載施加后管片環(huán)向軸力增大，軸力的增大效果在管片拱肩與拱腳處更加明顯。隨著注漿層厚度的增加，隧道附加彎矩、附加軸力變化規(guī)律一致。最大附加彎矩從9.77 kN·m變化為6.15 kN·m再到7.95 kN·m，最大附加軸力從-23.5 kN變化為-14.13 kN再到-0.12 kN?？梢娮{層可以對附加彎矩軸力產(chǎn)生一定的削弱，但是削弱效果不會隨注漿層的持續(xù)增大而增大。

圖8 ε=9%，H=2 m工況不同注漿層厚度下膨脹附加荷載

過厚的注漿層緩解地層變形、削弱管片結(jié)構(gòu)受力的效果并不明顯；而注漿量的提高增加了施工成本，加劇注漿期上浮錯臺風(fēng)險。可見，工程中同步注漿并不是注漿量越多越好。

3 結(jié)論

本文針對多種注漿層厚度，在不同膨脹性能、不同膨脹地層厚度工況下，對隧道斷面地面沉降、管片底部地層位移及結(jié)構(gòu)附加受力做了分析。得出以下結(jié)論：

1）增大注漿層厚度能有效緩解隧道周圍土體的變形，注漿層厚度從0.10 m增大至0.15 m，使周圍地層位移峰值減小63.3%；同時將減小隧道周邊地表約45.1%的沉降。

2）注漿層厚度的增大可以削弱管片結(jié)構(gòu)外側(cè)荷載，并減小地層膨脹作用產(chǎn)生的額外荷載。

3）隨著地層膨脹率和膨脹地層厚度的增大，地層變形將增大，管片結(jié)構(gòu)受到附加荷載也將增大。隨著注漿層厚度的增大，注漿層緩解地層變形與減小附加荷載的效果不是線性增加的，注漿層厚度較大時，厚度繼續(xù)增大將不再起作用。

4）實際施工時可根據(jù)地層勘探結(jié)果，對于膨脹性較強，膨脹地層厚度較大的地段采用適當(dāng)增加注漿量的方式減小膨脹巖土對隧道的危害。