沈榮俊,路開道，蹇蘊(yùn)奇, 王先明，魯茜茜

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031;2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250014)

盾構(gòu)法是城市地鐵隧道修建的主流方法。為了保證隧道工程的安全掘進(jìn)與控制地表建構(gòu)筑物的沉降，往往采取同步注漿的方式對(duì)盾構(gòu)開挖所形成的盾尾間隙進(jìn)行填充，同步注漿所形成的注漿圈包裹住隧道管片結(jié)構(gòu)，這對(duì)于保證隧道工程的安全性、耐久性、控制地表沉降等尤為重要。但是往往受地層條件、注漿方式、檢測手段等方面的限制，同步注漿完成后所形成的注漿圈往往存在著壁后空洞缺陷，地表沉降和隧道結(jié)構(gòu)受空洞缺陷的存在的影響尤為突出。

目前，已有部分學(xué)者對(duì)盾構(gòu)隧道同步注漿技術(shù)作了一定的研究。杜軍[1]利用有限元軟件模擬壁后漿液分布對(duì)地表以及隧道沉降影響。韓日美等[2]利用有限元軟件模擬盾構(gòu)盾尾注漿效果對(duì)地表沉降的影響，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模擬的合理性。許彥平等[3]利用有限元軟件的生死單元法，模擬全斷面盾構(gòu)掘進(jìn)過程中巖土的受力以及變形情況。王暉等[4]結(jié)合相應(yīng)工程施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)盾尾注漿工藝和施工過程進(jìn)行分析，提出施工控制措施。丁文其等[5]利用有限元軟件對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程進(jìn)行模擬，分析盾構(gòu)隧道施工材料的力學(xué)形態(tài)。夏洋洋等[6-8]通過有限元軟件對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其對(duì)地表沉降的影響。石建澤[9]利用有限元軟件ANSYS建立三維實(shí)體模型，分析盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有地鐵的影響。徐方京等[10-12]對(duì)盾構(gòu)隧道盾尾間隙以及注漿分布進(jìn)行分析，提出減小地層移動(dòng)的方法。

以往的研究主要針對(duì)隧道掘進(jìn)過程對(duì)地表沉降和隧道管片受力進(jìn)行分析，對(duì)壁后注漿空洞缺陷的研究相對(duì)較少。鑒于此，本文依托某過江隧道工程，采用有限元數(shù)值模擬的方法，建立隧道開挖的地層及隧道模型，對(duì)比不同位置的空洞缺陷對(duì)地表沉降的影響，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

此過江隧道外徑為11.3m,內(nèi)徑為10.3m,管片結(jié)構(gòu)厚為0.5m，該工況地處于沅江過江隧道中段，地層從地表往下依次為粉細(xì)沙地層、圓礫地層、粉土地層和圓礫地層，隧道埋深為18.2m，隧道整體貫穿圓礫地層，地上水位線高度為5.2m。計(jì)算斷面選取以及斷面地層分別為圖1和圖2。

圖1 沅江過江隧道地質(zhì)縱斷面

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型的建立與參數(shù)選取

三維數(shù)值模擬示意圖如圖3所示。尺寸為：99.8m(長)×3m(寬)×74.7m(高)。共計(jì)生成1 248個(gè)單元。計(jì)算時(shí)假定：(1)地層分布為水平層狀；(2)盾構(gòu)掘進(jìn)施工影響范圍為隧道外徑的4倍，即為45.2m；(3)注漿壓力為0.3MPa；(4)上部水層用等效水壓力0.52MPa代替；(5)壁后注漿過程中，為計(jì)算方便，將漿體簡化為均質(zhì)等厚的注漿層，厚為0.2m，且盾尾空隙為0.2m；(6)目前盾構(gòu)隧道在施工過程中，地層損失量一般控制在2.5 %以內(nèi)。而注漿量在90 %時(shí)，其地面沉降曲線與地層損失量為2.5 %時(shí)的曲線非常相近[1]。將缺失的10 %的注漿量完全轉(zhuǎn)化成空洞缺陷，會(huì)形成對(duì)應(yīng)圓心角為36°的弧形缺陷。

圖2 計(jì)算斷面示意

圖3 三維有限元數(shù)值模型

模型前后兩側(cè)施加z方向約束，左右兩側(cè)施加x方向約束，底面施加y方向約束，頂面為自由面。在數(shù)值模擬過程中，該工況土體采用Druker-Prager屈服準(zhǔn)則，注漿層、隧道管片等視作彈性體，管片結(jié)構(gòu)及地層均以實(shí)體單元予以模擬。

管片結(jié)構(gòu)采用C50鋼筋混凝土，彈性模量為32.5GPa，針對(duì)管片對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，將結(jié)構(gòu)剛度折減為85 %，地層以及結(jié)構(gòu)物參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告確定(表1)。

表1 地層及結(jié)構(gòu)物參數(shù)

2.2 工況的設(shè)置

隧道壁后注漿體分布是非均勻的，往往會(huì)導(dǎo)致局部出現(xiàn)空洞缺陷，從而不可避免的很大程度上影響地表沉降。注漿體單元分布如圖4所示，依照空洞缺陷出現(xiàn)的位置分為五種工況：工況一～工況四分別表示空洞缺陷出現(xiàn)在拱頂、拱肩、拱腰和拱底時(shí)，工況五表示無注漿缺陷。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降

隧道壁后不同位置注漿空洞缺陷產(chǎn)生的地層豎向變形計(jì)算結(jié)果如圖5所示。當(dāng)無注漿圈空洞(工況五)時(shí)，地表出

(a)工況一：拱頂

(b)工況二：右拱肩

(c)工況三：右拱腰

(d)工況四：右拱腳

(e)工況五：無缺陷圖4 計(jì)算工況

現(xiàn)的最大沉降值最小，為4.98mm；當(dāng)注漿圈空洞出現(xiàn)在隧道拱頂(工況一)時(shí)，地表出現(xiàn)的最大沉降值為10.78mm；當(dāng)注漿圈空洞出現(xiàn)在隧道拱肩(工況二)時(shí)，地表出現(xiàn)的最大沉降值為13.23mm；當(dāng)注漿圈空洞出現(xiàn)在隧道拱腰(工況三)時(shí)，地表出現(xiàn)的最大沉降值為18.81mm；當(dāng)注漿圈空洞出現(xiàn)在隧道拱腳(工況四)時(shí)，地表出現(xiàn)的最大沉降為15.78mm。在出現(xiàn)注漿圈空洞缺陷時(shí)的這四種工況中，工況一地表沉降最大值最小，但相比于工況五，地表沉降最大值增大了5.8mm，說明空洞缺陷的存在對(duì)地表沉降控制有著不利影響。隨著空洞缺陷出現(xiàn)位置的不同，發(fā)生最大地表沉降的位置逐漸向右側(cè)發(fā)生偏移，并且最大地表沉降的大小也隨之改變。相比于工況一的情況，工況二的地表沉降最大值增大了2.45mm，比工況四增大了5.00mm，而工況三增幅的最多，達(dá)到8.03mm。對(duì)其分析，主要原因?yàn)椋荷奥咽谧匀磺闆r下內(nèi)部會(huì)形成疊瓦式排列的骨架結(jié)構(gòu)，當(dāng)注漿圈空洞缺陷出現(xiàn)在拱頂時(shí)，由于注漿缺陷地表會(huì)出現(xiàn)一定的沉降，但是受拱頂上方冒落拱效應(yīng)的影響，地表沉降會(huì)出現(xiàn)一定的增大。當(dāng)空洞缺陷出現(xiàn)在拱腰時(shí)，由于砂卵石地層的疊瓦式排列的骨架結(jié)構(gòu)，拱腰附近的土體在受到水平方向的擠壓力時(shí)，會(huì)填充拱腰處的空洞缺陷，因而產(chǎn)生較大的地表沉降，并且發(fā)生最大地表沉降量的偏移。而空洞缺陷出現(xiàn)在拱肩、拱腳位置時(shí)，是上述兩種情況的綜合，因而最大地表沉降量出現(xiàn)的位置發(fā)生偏移，并且大于空洞缺陷出現(xiàn)在拱頂位置時(shí)的最大地表沉降。

圖5 不同位置空洞缺陷工況下的地表沉降曲線

3.2 凈空收斂

同步注漿空洞缺陷會(huì)對(duì)管片的變形造成較大的影響，因此對(duì)不同空洞缺陷位置下管片各部分的變形進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如表2所示。當(dāng)壁后注漿無缺陷時(shí)，隧道拱頂沉降2.24mm，拱底上隆2.20mm，左、右拱腰向左水平位移均為2.66mm。當(dāng)空洞缺項(xiàng)出現(xiàn)在拱頂時(shí)，隧道拱頂沉降4.54mm，拱底上隆8.98mm。而空洞缺陷出現(xiàn)在拱肩、拱腰、拱腳這三個(gè)位置，拱底變形比拱頂變形大5mm左右，右拱腰變形比左拱腰變形大6mm以上，這主要是空洞缺陷的存在導(dǎo)致隧道受力不平衡所致。

表2 不同空洞缺陷位置下管片各部分的變形 mm

在出現(xiàn)壁后注漿缺陷這四種工況中，工況一的豎向收斂值和水平收斂值均為最小，分別為13.52mm和-16.23mm，但相比于工況五的豎向收斂值4.45mm和水平收斂值-5.32mm，分別增大了9.07mm和10.91mm，所以當(dāng)出現(xiàn)空洞缺陷時(shí)的管片變形顯著增大。

比較不同位置的空洞缺陷時(shí)的豎向收斂值，工況一的豎向收斂值為13.52mm，相比于工況二～工況四分別小4.32mm、 6.55mm和4.86mm。分析其原因?yàn)椋荷戏接锌斩慈毕荩奥咽貙訒?huì)形成冒落拱，上方土體的壓力不直接作用于上方管片上，大部分荷載通過冒落拱傳遞到結(jié)構(gòu)洞身其他部分，拱頂位置僅有冒落拱以內(nèi)范圍的荷載作用管片上，因而管片豎直方向受到的壓力較小，豎向收斂值較小。

而在水平收斂值上，工況三最大，達(dá)到22.21mm，分別比工況一、工況二、工況四增加了5.98mm、2.59mm和 2.00mm。分析其原因：在管片受到豎向壓力作用時(shí)，管片會(huì)有水平方向的變形趨勢，接觸的土體會(huì)提供反作用力來抵抗這種水平變形。但拱腰處產(chǎn)生注漿空洞缺陷，右側(cè)的土體無法給管片提供足夠的反力，所以無法限制用拱腰的水平變形，因而拱腰處的空洞缺陷引起的水平收斂值較大。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS有限元軟件研究了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中不同位置同步注漿空洞缺陷對(duì)隧道周圍地層變形及管片變形的影響，主要得到以下結(jié)論：

(1)在砂卵石地層，當(dāng)壁后注漿無缺陷時(shí)，最大地表沉降為4.98mm，當(dāng)存在壁后注漿空洞缺陷時(shí)，壁后空洞缺陷出現(xiàn)在拱頂時(shí)的地表沉降最小，但相比于無缺陷的情況大5.8mm，空洞缺陷位于其他位置時(shí)地表沉降和管片變形均顯著大于無空洞缺陷的情況，說明壁后注漿空洞缺陷的存在會(huì)很大程度上影響盾構(gòu)隧道的穩(wěn)定和安全。

(2)壁后注漿時(shí)，壁后注漿不同位置空洞缺陷對(duì)地層沉降和管片變形有不同程度的影響。在地層沉降方面，由于冒落拱效應(yīng)的影響，空洞出現(xiàn)在拱頂?shù)奈恢脮r(shí)地表沉降最小，為10.78mm；空洞缺陷出現(xiàn)在拱腰時(shí)，由于側(cè)向土體收到擠壓作用會(huì)有填補(bǔ)空洞的趨勢，故空洞出現(xiàn)在拱腰處時(shí)最大，為18.81mm。

(3)在管片的變形方面，由于空洞缺陷而導(dǎo)致盾構(gòu)隧道側(cè)向土體對(duì)管片結(jié)構(gòu)所提供的反力不足，空洞缺陷出現(xiàn)在拱腰處時(shí)豎向收斂值和水平收斂值達(dá)到最大，分別為20.07mm和-22.21mm，而當(dāng)空洞缺陷出現(xiàn)在拱頂處時(shí)豎向收斂值和水平收斂值分別為13.52mm和-16.23mm，均為最小，故同步注漿時(shí)應(yīng)保證拱腰處的填充率，避免出現(xiàn)空洞缺陷。