注浆压力对盾构隧道管片变形及受力特性的影响研究

冯宏朝　高　锋　王少鹏

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州　450001)



注浆压力对盾构隧道管片变形及受力特性的影响研究

冯宏朝高锋王少鹏

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州450001)

以深圳地铁7号线为工程背景，通过建立数值计算模型，探究了管片衬砌在非均匀注浆压力作用下的变形及受力情况，结果表明：在非均匀注浆压力的作用下，盾构隧道管片衬砌结构产生明显的上浮现象，管片上浮值较大，管片应力值在可控范围内。

盾构隧道，管片，注浆压力，上浮力

随着我国城市化进程的不断加快，地铁成为了缓解城市内部交通拥堵问题的有效措施。盾构法凭借其施工速度快、对环境及周围建筑的扰动小等优点，在地下铁道的建设过程应用更加广泛。但是，当盾构隧道穿越各类复杂地层时，其面临诸多问题与挑战。当盾构隧道埋深较浅时，上覆土压力等不足以抵抗注浆压力等效应所形成的上浮力对管片衬砌的作用时，管片会出现上浮现象，从而导致管片出现一定程度的破损，削弱了隧道结构的承载能力及耐久性。本文以深圳地铁7号线为工程依托，探究盾构隧道穿越浅覆土地段时，在施工阶段非均匀分布的注浆压力对管片衬砌结构变形及受力特征的影响规律，对现场施工提供指导。

1　工程概况

深圳地铁7号线全长30.41 km，其中西丽湖站—西丽站区间位于深圳市南山区，本文以隧道埋深较浅的DK0+882.836～DK0+942.836长度为60 m的区段进行研究。该段隧道覆土平均厚度6.4 m，从地面向下各地层分别为素填土、砾质粘性土、全风化花岗岩及微风化花岗岩等地层。

2　建立数值计算模型

2.1计算基本假设

为了方便建立数值计算模型，同时使计算结果与实际情况更加接近，做出以下假定：1)不考虑管片衬砌之间的相互作用，将管片衬砌环按照一个整体考虑，对刚度进行折减；2)不考虑地下水对计算结果的影响；3)将地层进行适当的简化，物理力学参数取该范围内地层的平均值。

2.2选取计算参数

盾构隧道施工过程中，在管片脱离盾构机后，管片环失去了盾构机的压重作用，同时由于浆液还没有凝结，受到注浆压力的作用，此时的管片上浮量最大，施工过程控制难度最大，本文即采用ANSYS软件选择管片脱离盾构机后在最浅覆土断面上浮这一过程进行模拟，利用三维有限元模型对施工期盾构隧道的上浮特性进行了数值模拟。根据地质勘查报告选取地层参数，各地层的物理力学参数见表1。

表1　地层及结构参数表

2.3建立计算模型

根据区间内所选区段的地质分布情况建立数值计算模型，其中模型长60 m(隧道轴线方向)，宽58 m，高30.4 m，取隧道埋深为6.4 m，均能满足开挖土体影响范围3倍～5倍洞径的要求，单元类型为六面体8节点Solid45实体单元，每个节点都具有X，Y，Z三个方向的自由度，具有塑性、大变形和大应变的能力。管片外径为6.0 m，内径为5.4 m，管片厚30 cm，注浆层厚度为20 cm。有限元计算模型如图1所示。

2.4模拟开挖及施加注浆压力

模拟隧道开挖时，采用软件程序提供的“生”与“死”及材料参数变换功能进行模拟，通过分次杀死和激活单元、变换不同位置的材料参数来模拟盾构隧道的掘进、管片拼装及同步注浆的过程。为减少计算工作量，模型取2环衬砌作为一个计算开挖步，即每个开挖步长3 m，共40个开挖步。当管片脱离盾尾之后，管片失去了盾尾的约束作用，管片上方和两侧的土体在盾构掘进扰动及重力作用下坍落到管片上，导致注浆浆液聚集在管片下半部。因此，管片在非均匀分布的注浆压力作用下会出现上浮现象，计算中在管片下半部分的外侧施加径向的上浮力。

3　计算结果分析

考虑到边界效应对计算结果的影响，本文选取15 m～51 m范围内的管片进行分析，对管片衬砌结构的位移及受力状态进行分析，对隧道结构的安全状态进行评价。

3.1管片位移

考虑注浆压力对管片结构的作用，左线和右线管片竖向位移云图分别见图2，图3。从图2，图3可以看出，管片在上浮力作用下，在管片发生上浮的区段，底部位移比顶部位移要大，整个管片呈“横鸭蛋”型。考虑到边界效应的影响，左线管片的最大上浮值为3.91 cm，右线管片的最大上浮值为 3.56 cm(管片顶部的上浮量)。管片在距离掘进面较远的区段，基本不再上浮，其原因是周围土体及浆液变形趋于稳定，管片变形也趋于稳定。

管片衬砌发生整体上浮现象的位移图如图4所示。可以看出盾构管片发生了明显的上浮现象。从图4可知管片在上浮力作用下整体向上移动；管片在距离掘进面6 m的区域内上浮量较大，其主要原因是注浆浆液还未凝结，受到的约束较小，在上浮力的作用下管片急剧上浮。

3.2管片受力状态

当左线、右线隧道贯通后，管片衬砌结构的竖向应力云图分别见图5，图6。从图5，图6中可以看出，管片在上浮力的作用下，拱腰附近的区域内受到的应力较大(负值为压)，从提取的数据来看，管片受到的最大压应力为6.60 MPa，最大拉应力为2.98 MPa。最大压应力满足混凝土的抗压强度，实际工程中管片布置了受力钢筋，最大拉应力不足以对管片结构安全构成威胁。

4　结语

本文借助数值计算对盾构穿越浅覆土地段时的管片衬砌结构在非均匀的注浆压力作用下的位移及受力状态进行了分析，对施工具有一定的指导借鉴意义。1)在非均匀的注浆压力作用下，脱离盾尾的管片衬砌结构会产生明显的上浮问题，这对隧道结构的承载及防灾能力是不利的；2)管片衬砌在上浮之后，最大应力值均在可控范围内，对衬砌结构的应力影响较小。

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Study on the impact of deformation and stress characteristics of grouting pressure upon shield tunnel duct piece

Feng HongchaoGao FengWang Shaopeng

(China Hydropower 11th Engineering Bureau Co., Ltd, Zhengzhou 450001, China)

Taking Shenzhen subway line No.7 as the engineering background, through establishing numerical calculation model, the paper explores the deformation and stress conditions of duct piece lining under uneven grouting pressure. Results show that: the shield tunnel duct piece lining structure will occur obvious floating phenomenon under uneven grouting pressure action, the duct piece floating value will be bigger, duct piece stress value is within controllable range.

shield tunnel, duct piece, grouting pressure, floating force

1009-6825(2016)25-0162-02

2016-06-27

冯宏朝(1963- ),男,工程师

U455.43

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