盾構(gòu)同步注漿對(duì)地表和隧道周?chē)馏w影響研究

董宏振

(山東交通學(xué)院,山東 濟(jì)南 250357)

0 引言

隨著近年來(lái)盾構(gòu)法在隧道工程中的應(yīng)用日益廣泛,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)法施工的各施工工藝進(jìn)行了廣泛的研究,其中就包括盾尾同步注漿,盾構(gòu)工法施工中,對(duì)盾尾間隙的處理,即同步注漿是施工的關(guān)鍵工藝之一[1]。盾構(gòu)法施工建造的隧道襯砌由管片組成,襯砌管片在盾殼內(nèi)部拼裝需要一定的凈空進(jìn)行拼裝操作[2-3],同時(shí)盾殼存在一定厚度,盾尾脫出在后盾殼和管片之間形成空隙。該間隙若不能及時(shí)有效填充,隧道周?chē)馏w應(yīng)力將會(huì)逐漸釋放,或者造成地下水、泥漿等液體在該間隙環(huán)中集聚。依據(jù)周?chē)馏w本身地質(zhì)條件的不同,會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果,如上覆土的下沉、隧道的局部或整體上浮,所以需要對(duì)同步注漿對(duì)周?chē)馏w應(yīng)力和位移的影響進(jìn)行研究。

張?jiān)频萚4]針對(duì)缺少對(duì)襯砌脫出盾尾產(chǎn)生的空隙的填充、注漿后漿體的分布和隧道壁面受擾動(dòng)的模擬方法提出以等代層替換襯砌周?chē)馏w及注漿漿體進(jìn)行分析,有助于實(shí)現(xiàn)有限元分析軟件模擬同步注漿施工過(guò)程[5]。鄧宗偉等[6]使用FLAC3D2.0軟件模擬不同壓力下盾構(gòu)壁后注漿對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,探討了圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)因注漿而產(chǎn)生的受力和變形規(guī)律。周憲偉等[7]使用ANSYS軟件對(duì)盾構(gòu)法單線隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬,由于注漿漿體為液態(tài)難以直接模擬,故采用等效均布力來(lái)模擬盾尾同步注漿。K Michael等[8]使用ABAQUS軟件對(duì)土壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行模擬,其中盾尾同步注漿通過(guò)在襯砌脫出盾尾后激活環(huán)形注漿層實(shí)現(xiàn)。

本文使用FLAC3D6.0軟件對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行模擬,研究不同注漿壓力、盾構(gòu)推進(jìn)速度、地層條件下,盾尾同步注漿施工對(duì)周?chē)馏w的位移和應(yīng)力的影響,并總結(jié)地表沉降、隧道周?chē)馏w位移和應(yīng)力的變化規(guī)律,以期對(duì)工程實(shí)踐提供參考。

1 建立數(shù)值模型

本算例整體尺寸X×Y×Z=60 m×50 m×40 m,半模型尺寸如圖1所示,盾殼和管片的尺寸詳見(jiàn)表1。隧道中軸線Z坐標(biāo)和X坐標(biāo)為0,盾構(gòu)沿Y方向從Y=0處掘進(jìn)進(jìn)入計(jì)算區(qū)域,每次開(kāi)挖一環(huán)為1.0 m,共開(kāi)挖21環(huán)。采用(Null)模型模擬土體開(kāi)挖,土體采用(Mohr-Coulomb)本構(gòu)模型,盾構(gòu)盾殼和管片采用(Elastic)各向同性彈性模型,相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2,表3。

表1 構(gòu)件尺寸 m

表2 構(gòu)件物理參數(shù)

表3 土體物理參數(shù)

模型邊界條件設(shè)置如下:在Y=0 m和Y=0 m處對(duì)Y方向位移加以約束;在X=30 m和X=-30 m處對(duì)X方向位移加以約束;在Z=-20 m處對(duì)Z方向位移加以約束;模型Z=40邊界為地表,為自由邊界。

本算例模擬盾構(gòu)從Y=0處邊界進(jìn)入模型區(qū)域并沿Y方向掘進(jìn)的過(guò)程,分為兩個(gè)階段:第1環(huán)至第10環(huán)為階段1,此階段逐環(huán)開(kāi)挖隧道范圍內(nèi)土體并激活盾殼對(duì)隧道周?chē)馏w進(jìn)行支護(hù),盾尾未進(jìn)入模型區(qū)域;第11環(huán)至第21環(huán)為階段2,隨著開(kāi)挖的進(jìn)行盾尾進(jìn)入模型區(qū)域并向開(kāi)挖方向移動(dòng),當(dāng)一環(huán)開(kāi)挖完成后盾尾所在位置的單元變更為注漿體,同時(shí)在注漿體單元內(nèi)側(cè)生成一環(huán)管片。模擬過(guò)程中在開(kāi)挖面施加均布力模擬盾構(gòu)對(duì)開(kāi)挖面的支護(hù),在盾尾對(duì)盾尾周?chē)馏w施加與注漿壓力相等的徑向壓力[9]模擬注漿壓力對(duì)周?chē)馏w的作用。

注漿液的壓力隨著盾尾逐漸遠(yuǎn)離、注漿液向土體中滲透以及注漿液的硬化而消散,其變化規(guī)律與注漿壓力大小、土體性質(zhì)、注漿漿體性質(zhì)和孔隙水壓力等因素有關(guān)[10]。

本算例應(yīng)用文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中關(guān)于注漿壓力消散規(guī)律的成果,在進(jìn)行每一環(huán)分析之間根據(jù)各工況的注漿壓力、地層條件和掘進(jìn)速度計(jì)算不同位置處的注漿體壓力,并對(duì)施加在各環(huán)處用以模擬注漿壓力的徑向力進(jìn)行修改,以此模擬注漿壓力消散對(duì)隧道周?chē)馏w的影響,模擬工況如表4所示。同時(shí)為減少模擬難度認(rèn)為注漿過(guò)程符合下列假定:盾尾脫出后在襯砌和周?chē)馏w之間形成均勻的環(huán)狀空隙;在同步注漿過(guò)程中,漿液瞬間填充盾尾空隙,注漿壓力均勻的作用于周?chē)馏w上,在模擬過(guò)程中為作用在周?chē)馏w表面上的徑向均布力;漿液在盾構(gòu)掘進(jìn)至20環(huán)時(shí)未初凝,模擬過(guò)程中漿液性質(zhì)不發(fā)生變化,注漿體的彈性模量為0.9 MPa,泊松比為0.3,密度為2 000 kg/m3。

表4 模擬工況

2 結(jié)果分析

2.1 注漿壓力消散規(guī)律

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中緊挨盾尾的注漿體的壓力最大,注漿體壓力沿掘進(jìn)相反方向逐漸減少。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至21環(huán)時(shí),各工況第10環(huán)至第20環(huán)注漿體壓力如圖2所示。注漿壓力在注漿完成初期消散速度較快,然后趨于穩(wěn)定。注漿壓力消散速度與周?chē)馏w的泊松比、剪切模量和滲透系數(shù)有關(guān),其中地層的滲透系數(shù)對(duì)漿液壓力的消散速度起重要作用,故工況3的注漿壓力消散速度比工況1快。

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)和同步注漿對(duì)地表沉降影響

選取Y=5 m處截面作為監(jiān)測(cè)面,從隧道縱向軸線正上方開(kāi)始,在隧道縱向軸線左側(cè)(即-X方向)地表,以1 m 間隔共布置21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖3所示。隨盾構(gòu)掘進(jìn),Y=5 m監(jiān)測(cè)面各測(cè)點(diǎn)Z方向位移如圖4所示。

隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐漸靠近隧道縱向軸線,各測(cè)點(diǎn)沉降量逐漸增加并在隧道縱向軸線上方達(dá)到最大值。地表沉降隨著盾構(gòu)開(kāi)挖逐漸增大,地表沉降在開(kāi)挖面與監(jiān)測(cè)面距離6 m之前發(fā)展較快,之后沉降增加較為緩慢,原因是開(kāi)挖與監(jiān)測(cè)面距離5 m時(shí)盾尾進(jìn)入土體并開(kāi)始同步注漿。工況2在開(kāi)挖面與監(jiān)測(cè)面距離6 m之后各曲線距離較大,這是由于工況2的注漿壓力較小,注漿開(kāi)始之后沉降速度有一定下降,但比其他工況快,由此可見(jiàn)較大的注漿壓力對(duì)地表沉降的發(fā)展有限制作用。盾尾經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后,距離隧道縱向軸線10 m之外的測(cè)點(diǎn)沉降量明顯小于距離隧道縱向軸線10 m之內(nèi)的測(cè)點(diǎn),在本算例中,注漿對(duì)地表沉降的減緩在距離隧道縱軸線10 m之外最為明顯。

2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)和同步注漿對(duì)不同深度土體沉降影響

選取Y=5 m處截面作為監(jiān)測(cè)面,從隧道縱向軸線正上方地表開(kāi)始向下以2 m間隔共布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖5所示。工況1—工況4隨盾構(gòu)掘進(jìn),Y=5 m監(jiān)測(cè)面不同深度土體沉降如圖6所示。

隨著盾構(gòu)掘進(jìn),隧道縱向軸線上方土體沉降總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì),經(jīng)歷3個(gè)階段:開(kāi)挖面距離監(jiān)測(cè)面-5 m～-3 m,此階段盾構(gòu)還未到達(dá)監(jiān)測(cè)面,隧道縱向軸線上方土體沉降發(fā)展較慢,Z=10 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)向上位移;開(kāi)挖面距離監(jiān)測(cè)面-3 m～4 m,此階段盾構(gòu)接近并經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)面,沉降快速發(fā)展;開(kāi)挖面距離監(jiān)測(cè)面4 m～16 m,此階段盾尾逐漸到達(dá)監(jiān)測(cè)面開(kāi)始同步注漿并逐漸遠(yuǎn)離,沉降仍在增加但發(fā)展較慢并趨于穩(wěn)定。

Z=10 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)在開(kāi)挖面距離監(jiān)測(cè)面5 m～15 m時(shí)的沉降曲線小幅向上拱起,這是由于此時(shí)盾尾開(kāi)始經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)面并進(jìn)行注漿,注漿壓力減緩了沉降速度,隨著注漿壓力的消散,沉降速度又逐漸加快。曲線上凸的幅度可以在一定程度上說(shuō)明注漿壓力的影響范圍,在本算例中,注漿壓力對(duì)隧道之外4 m范圍內(nèi)土體影響最為顯著。

相較于其他工況,工況4中盾構(gòu)的掘進(jìn)速度較快。本次模擬過(guò)程中較快的掘進(jìn)速度是通過(guò)減少每環(huán)掘進(jìn)一定的分析步來(lái)實(shí)現(xiàn)的,同時(shí)也增加了對(duì)開(kāi)挖面的支護(hù)力。掘進(jìn)速度增加同時(shí)也影響注漿壓力的消散速度,進(jìn)而改變了每一步作用在隧道周?chē)馏w的徑向力。綜合以上因素可以看到工況4各測(cè)點(diǎn)沉降階段1和階段3相較于其他工況更為明顯。階段1各測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)較大的向上位移,這是由于盾構(gòu)快速掘進(jìn)的更大的推力對(duì)前方土體產(chǎn)生更大的擠壓作用,距離隧道越近的土體受到的擠壓越強(qiáng),故Z=10 m和Z=12 m處的測(cè)點(diǎn)的沉降曲線出現(xiàn)在其他曲線上方。盾構(gòu)掘進(jìn)至21環(huán)時(shí)工況4各測(cè)點(diǎn)的總沉降比工況3更小,但曲線的波動(dòng)幅度更大,說(shuō)明加快掘進(jìn)速度有利于對(duì)沉降的控制但對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)更大。

2.4 盾構(gòu)掘進(jìn)和同步注漿對(duì)隧道側(cè)面土體水平位移影響

選取Y=5 m處截面作為監(jiān)測(cè)面,在隧道右側(cè)(X正方向)布置3個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖7所示。工況1—工況4隨盾構(gòu)掘進(jìn),Y=5 m監(jiān)測(cè)面各測(cè)點(diǎn)X方向位移如圖8所示。

各測(cè)點(diǎn)X方向位移隨盾構(gòu)開(kāi)挖呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),其發(fā)展過(guò)程分為三個(gè)階段:開(kāi)挖面距離監(jiān)測(cè)面-6 m～0 m,此時(shí)各測(cè)點(diǎn)由于受到盾構(gòu)開(kāi)挖的擾動(dòng)而產(chǎn)生朝向隧道一側(cè)的位移;開(kāi)挖面距離監(jiān)測(cè)面0 m～10 m,此時(shí)盾殼經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)面,同時(shí)盾尾在開(kāi)挖面距離監(jiān)測(cè)面5 m處進(jìn)入土體,各測(cè)點(diǎn)位移變化放緩,并開(kāi)始出現(xiàn)反方向位移;開(kāi)挖面距離監(jiān)測(cè)面10 m～16 m,此時(shí)盾尾經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)面進(jìn)行注漿并逐漸遠(yuǎn)離,各測(cè)點(diǎn)受注漿壓力的影響向遠(yuǎn)離隧道一側(cè)移動(dòng)。

在第3階段中隨著注漿壓力的逐漸消散各測(cè)點(diǎn)位移逐漸放緩,直到注漿壓力降低到一定程度時(shí)各測(cè)點(diǎn)位移方向發(fā)生改變。這種現(xiàn)象在工況2和工況3中最為明顯,原因是工況2注漿壓力較低而更容易消散至對(duì)土體支持能力較弱的程度,工況3的地層條件使注漿壓力消散速度更快。工況1和工況3在第3階段的位移轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別是13 m和12 m,這與注漿壓力的消散規(guī)律相符,表明土體參數(shù)不僅從力學(xué)層面也通過(guò)控制注漿壓力的消散規(guī)律影響盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)。

工況4通過(guò)增加開(kāi)挖面支護(hù)力、減少分析步和改變注漿壓力消散規(guī)律模擬掘進(jìn)速度改變的影響。其各測(cè)點(diǎn)曲線在圖中的上下位置與其他工況不同,越靠近隧道的監(jiān)測(cè)點(diǎn)曲線越靠上,這表明加快掘進(jìn)速度有利于控制周?chē)馏w的變形。

2.5 盾構(gòu)掘進(jìn)和同步注漿對(duì)周?chē)馏w應(yīng)力的影響

選取Y=5 m處截面作為監(jiān)測(cè)面,對(duì)隧道右側(cè)土體的X方向應(yīng)力和隧道上方土體的Z方向應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示,Y=5 m截面,X方向應(yīng)力如圖10所示,Y=5 m截面,Z方向應(yīng)力如圖11所示。

距離隧道較近的測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3其應(yīng)力隨盾構(gòu)開(kāi)挖的波動(dòng)幅度較大,X方向應(yīng)力和Z方向應(yīng)力隨盾構(gòu)開(kāi)挖的變化過(guò)程基本一致:開(kāi)挖面距離監(jiān)測(cè)面-5 m～0 m,隨著開(kāi)挖面逐漸靠近監(jiān)測(cè)面,各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力先由于開(kāi)挖造成的擾動(dòng)而出現(xiàn)應(yīng)力釋放,然后因?yàn)槎軜?gòu)開(kāi)挖面接近而受到擠壓產(chǎn)生應(yīng)力上升;開(kāi)挖面距離監(jiān)測(cè)面0 m～10 m,此階段盾殼從監(jiān)測(cè)斷面經(jīng)過(guò)對(duì)周?chē)馏w起支持作用,土體應(yīng)力緩慢增加;開(kāi)挖面距離監(jiān)測(cè)面10 m～16 m,此階段盾尾到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面開(kāi)始同步注漿并遠(yuǎn)離,周?chē)馏w應(yīng)力隨著注漿壓力消散而減小。

3 結(jié)論

1)分析了土體參數(shù)、注漿壓力和掘進(jìn)速度對(duì)注漿壓力消散的影響。結(jié)果表明土體參數(shù)中的滲透系數(shù)對(duì)注漿壓力消散速度起重要作用,滲透系數(shù)越大注漿壓力消散速度越快,注漿壓力消散速度還與注漿壓力成正比、與掘進(jìn)速度成反比。

2)地表沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),同步注漿對(duì)地表沉降的發(fā)展起一定的抑制作用。

3)監(jiān)測(cè)面隧道右側(cè)土體測(cè)點(diǎn)的水平方向位移隨盾構(gòu)掘進(jìn)分為三個(gè)階段,在水平位移變化的第3階段隨著注漿壓力的逐漸消散各測(cè)點(diǎn)位移逐漸放緩,直到注漿壓力降低到一定程度時(shí)各測(cè)點(diǎn)位移方向發(fā)生改變,表明土體參數(shù)不僅從力學(xué)方面也通過(guò)注漿壓力的消散規(guī)律方面影響盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)。

4)同步注漿引起盾尾周?chē)馏w應(yīng)力上升,距離盾構(gòu)越近的土體受盾構(gòu)開(kāi)挖和同步注漿的擾動(dòng)越大。