对如何选取盾构隧道壁后注浆压力的探讨

2016-09-14王永超陈小育

四川建筑 2016年4期

关键词：缩量洞室应力场

王永超, 陈小育

(1.解放军理工大学国防工程学院，江苏南京 210007； 2. 中国人民解放军91003部队, 海南三亚 572021)

对如何选取盾构隧道壁后注浆压力的探讨

王永超1, 陈小育2

(1.解放军理工大学国防工程学院，江苏南京 210007； 2. 中国人民解放军91003部队, 海南三亚 572021)

在地铁盾构隧道施工中, 盾构隧道壁后同步注浆是施工中一项必不可少的工作内容。不同的注浆压力将导致不同的径缩量，进而对地面沉降有较大的影响。文章通过建立简化的壁后注浆力学模型，从理论上推导不同的注浆压力所产生的径缩量，进而指导plaxis参数选取，优化plaxis盾构隧道施工模型。

盾构施工;同步注浆;注浆压力;径缩量

1　盾构施工注浆的作用

随着城市地下空间的开发与利用, 盾构施工技术以其对周围环境影响小、成形质量高、安全可靠、施工进度快等优点而越来越多地应用于城市地铁隧道以及市政隧道工程中。由于盾构机刀盘的开挖直径大于管片外径, 因此管片脱出盾尾后会形成盾尾间隙。盾尾间隙的大小是由盾构钢壳的厚度和盾尾操作空间决定的, 一般在8～16 cm, 它使土体处于无支护状态并发生位移, 产生地面沉降, 造成地面建、构筑物的沉降或隧道偏移[1]。

如图1所示，在地铁盾构隧道施工中, 盾构隧道壁后同步注浆是施工中一项必不可少的工作内容。盾构同步注浆就是在隧道内将具有适当的早期及最终强度的材料, 按规定的注浆压力和注浆量在盾构推进的同时填入盾尾空隙内。其目的是: (1)尽早填充地层, 减少地基沉陷量, 保证环境安全; (2)确保管片衬砌的早期稳定性和间隙的密封性; (3)作为衬砌防水的第一道防线, 提供长期、均质、稳定的防水功能; (4)作为隧道衬砌结构加强层, 具有耐久性和一定强度[2]。对地层稳定性差、采用密闭型盾构方法施工的隧道而言, 围岩变形的主要原因在于衬砌背后注浆的好坏[3]。

图1　盾构隧道同步注浆示意

2　问题提出背景

在使用plaxis模拟盾构隧道施工的时候，有一个参数是必须确定的——径缩量，这是一个跟盾尾间隙以及注浆压力有关的量。

如果我们选择径缩量为0，则意味着我们采取的同步注浆完全充填盾尾间隙，当然这样理论上对地层的扰动是最小的，但同时也意味着较大的注浆压力，而较大的注浆压力容易导致盾构管片接头处的破坏。

如果施工中选择径缩量为实际盾尾间隙的值，则意味着完全不采取同步注浆技术，这样对土层的扰动是极大的，容易导致地面过大的不均匀沉降，导致地面建筑及地下管线的开裂。

实际操作中径缩量的值往往是根据经验假定的，不具有一定的理论性。

文章将通过选取环形均匀分布注浆压力模型，通过假定一个合理的注浆压力，计算径缩量，然后将径缩量带入plaxis模型中，模拟盾构隧道施工，输出地面沉降，验证是否符合要求。

3　注浆压力的分布形式

首先确定注浆压力的分布形式，目前认为注浆压力主要有以下3种分布形式[4]：

(1) 三角形分布。国际隧道协会工作报告(2000年) 中推荐的在管片结构计算时考虑的注浆压力分布模式为三角形分布，如图2所示。

图2　注浆压力三角形分布

(2) 扇形分布。如管片环下部存在建筑空隙区域, 注浆浆液需先填满建筑空隙, 然后再注入周围土体, 此时的注浆压力在建筑间隙范围内均匀分布，如图3所示。

图3　注浆压力扇形分布

(3) 整环分布。在硬质土和孔隙率较大、渗透性较好的砂性土中, 浆液泡可能会包裹整个刚脱离盾尾的管片周边, 此时注浆压力在整个管片环上的分布可假设为整环均匀分布和整环非均匀分布，如图4、图5所示。

图4　注浆压力整环均匀分布

4　同步注浆条件下圆形洞室径缩量的弹性解

邓宗伟[2]提出的力学模型采用了大厚壁圆筒的模型，该模型的缺点在于认为侧压力系数等于1，这与实际情况差别很大。

本文采用的基本假定为：

(1)注浆压力能从径向直接作用在围岩上；

(2)管片的强度足够大，能承受巨大的注浆压力，即使管片注入口处的注浆压力过大，管片也不会破坏，连接管片之间的螺栓也不会剪断[5]；

(3)浆液100 %填充盾构壁后间隙；

对于洞室结构分析，由于洞室横向尺寸往往比其纵向尺寸小得多，在所谓“标准段”的范围内，沿纵向承受的荷载以及横断面的形状和尺寸不变，一般可按平面应变问题进行计算[6]。

地下圆形衬砌结构，设洞周半径为a，衬砌轴线半径为R，衬砌截面厚度为h，地层和圆形衬砌介质的应力-应变关系为弹性，地层介质弹性模量为E，泊松比为μ，衬砌介质弹性模量为E1。设洞室为深埋洞室，故可以不考虑地表边界影响，地层取为无限大弹性平面[7]。地层初始应力的垂直应力σv=p，水平应力为σH=λp，λ为侧压力系数。

结构位于地层之中，因原始地层中存在初始应力场，在力学原理上，地下洞室的开挖为在具有初应力的的地层介质中开孔。将地层的初始应力场称为一次应力状态，洞开挖后，毛洞周边及附近地层中将产生应力重分布现象，通过同步注浆来实现对地层的同步约束，此时洞室周围的应力状态便是下文中所求的应力状态。

应力函数为：

应力分量表达式为：

地下洞室的开挖与同步注浆是在存在初始应力场的地层中进行的，理论计算时可认为围岩的应力状态是围岩初始应力场与由开挖洞室和同步注浆引起的附加应力场的叠加。由开挖和同步注浆引起的附加应力场称为开挖注浆效应。沿毛洞周边加上释放荷载，即得到计算开挖注浆效应的计算简图。在概念上，释放荷载是洞室中被挖去的岩体对原岩底层作用力的反向平衡力减去注浆压力，因而它的量值可由围岩初始应力场减去注浆压力计算。

一般来说，与此时围岩应力场相对应的位移场也是围岩初始位移场与洞室开挖注浆引起的附加位移场的叠加。但围岩的初始位移场在洞室开挖前早已形成，对工程并无实际影响，因而，在计算中需确定的仅是由洞室开挖注浆引起的附加位移场。

假定注浆压力为P，将径向释放荷载记为Δσra，切向释放荷载记为Δτrθa，则由释放荷载的定义可写出其计算式为：

式中：σv、σH为洞室中心初始应力场的应力分量。由边界条件σr2|r=∞=0得2B-2C×cos2θ=0，可得B=0，C=0；由σθ2|r=∞=0得D=0。因为σr2|r=a=Δσra，τrθ2|r=a=τrθa，由此可得：

将上述常数代入，即得：

设洞室开挖注浆引起的径向位移为μ2，切向位移为v2，则由几何方程、弹性平面物理方程可得：

将上式对r积分一次得：

洞室周边径向位移为：

洞周径向位移即为径缩量的理论值。