盾构同步注浆对地表沉降的影响分析

吴贤国 姜 洲,2 方伟立 张立茂 陈跃庆 张 伟

(1.华中科技大学土木工程与力学学院,430074,武汉 ;2.湖南省安全生产监督管理局,410007,长沙∥第一作者，教授)



施工技术

盾构同步注浆对地表沉降的影响分析

*吴贤国1姜 洲1,2方伟立1张立茂1陈跃庆1张 伟1

(1.华中科技大学土木工程与力学学院,430074,武汉 ;2.湖南省安全生产监督管理局,410007,长沙∥第一作者，教授)

以武汉某长江越江隧道盾构施工为工程背景,利用FLAC3D分软件析了盾尾注浆参数对地表沉降的影响。研究结果表明:数值模拟结果与实际监测值结果吻合较好,验证了模型的正确性和科学性;影响地表沉降的盾尾注浆参数主要是注浆压力和注浆量,合理的控制盾尾注浆参数能有效地减小地表沉降;在一定范围内,地表沉降会伴随着盾尾注浆压力的减小而减小,而注浆压力过大会引起地表隆起,为避免地表沉降值或隆起值过大,建议注浆压力控制在原土体应力50%左右较为合适;用等代层的厚度模拟盾尾注浆量的变化，在一定范围内,等代层厚度线性增加会使地表沉降线性减小,而等代层过大使地表产生隆起,为使地表沉降或隆起值均较小,等代层厚度控制在30 cm左右较为合适。

盾构施工； 同步注浆; 地表沉降; 应力释放; 等代层; 数值仿真

First-author′s address Huazhong University of Science and Technology,430074,Wuhan,China

地铁建设具有质量要求高、施工难度大等特点。盾构法以其特有的施工技术和经济优越性等优点被广泛使用于地铁建设。在盾构施工过程中,管片衬砌与土体之间形成了盾尾空隙,在实际工程中以一定的压力向盾尾空隙注入浆体,使地表沉降控制在许可范围之内。盾尾注浆效果主要由盾尾注浆参数决定。盾尾注浆参数的改变对地表沉降具有明显效果,其主要有注浆量、注浆压力及注浆速度3个参数。注浆速度对地表沉降影响相对较小；注浆量的大小是以盾尾空隙为基础,保证达到充足密实的目的;而注浆压力取决于所在地层的土压力。注浆压力太小,土体之间的压力就不能有效地达到平衡,容易发生较大的土体变形；相反,如果注浆压力太大,就会导致水泥浆冲入周边土体,从而破坏周边土体的结构,产生劈裂现象,尤其是软黏土地质更为明显。因此,合理控制盾尾注浆参数成为隧道盾构施工过程中亟待解决的问题。

盾构隧道施工过程中施工参数是影响地表沉降的主要因素[1]。文献[2]认为较大的浆体压力会增大浆体的最终变形量。文献[3]通过分析盾构隧道壁后注浆的作用机理,并提出了合理确定壁后注浆压力的方法。文献[4]提出等代层的概念,并分析了等代层参数对地表沉降的影响。文献[5]分析了等代层弹性模量与Peck地表沉降计算公式中最大沉降量和沉降槽宽度之间的关系。文献[6]等研究表明，适当加大注浆压力能有效地控制地表沉降。文献[7]等利用数值模拟方法分析了注浆压力对隧道盾构施工沉降的影响规律。文献[8]认为盾尾应力释放引起的收敛变形是控制地表沉降的关键因素,而在弹性变形范围内,适当地增大注浆压力可以有效地减少地表沉降。但以上研究只是定性说明控制注浆压力和注浆量的重要性,本文主要从盾尾注浆参数角度来分析盾构参数对地表沉降的影响,并为实际工程提供具体的建议。

1 工程背景

武汉市某长江越江隧道为武汉市重点工程,是武汉市重要的过江通道,其地理位置如图1所示。隧道左、右线均采用直径为11.37 m的泥水盾构机施工,一次性长距离掘进3.1 km。该工程地下水丰富,主要为孔隙潜水,水位高且具有承压特征,江底段盾构隧道施工水土压力高达0.6 MPa。在这样复杂的富水地质条件下,施工难度大,风险性高。

图1 武汉某越江隧道平面布置图

隧道顶部埋深为9.7 m,底部埋深为21 m,所在场地土层自上而下依次为杂填土、粉土、黏土、淤泥质土、粉质黏土、粉质黏土、粉土、粉砂互层、粉细砂。土的各类参数见表1。

2 盾构区间注浆参数数值模型

本文以地表沉降为监测指标,建立注浆参数数值模型。计算时其他参数不变,仅改变注浆压力和注浆量的大小。计算模型长63.0 m、宽35.9 m、高20.0 m,开挖模型上边界至地面,隧道距下边界和左右边界的距离均为隧道半径的6倍。模型中设置的参数均参考越江区段的实际地质参数。计算模型见图2。在进行数值模拟时对该模型进行了简化处理,并未考虑地下水的作用,且初始应力仅考虑了自重应力,结构土体采取实体单元,隧道衬砌采用壳单元。

表1 土层物理力学参数表

图2 计算模型

盾尾注浆过程中,注浆压力与应力释放率成反比例线性关系。当注浆压力为允许注浆压力的100%时,应力释放率为0%。在研究注浆压力试验时,保证其他参数不变,分析注浆压力为允许注浆压力的0%、50%、75%和100%时的地表沉降变化规律。在盾尾注浆过程中,浆液与土体之间相互渗透,并在空隙内形成一层复杂的过渡圈层。前人将过渡圈层概化为等代层的概念。本文以等代层的厚度来衡量注浆过程中注浆量的大小,在保证其他参数不变时,分析等代层厚度为10 cm、20 cm、30 cm及40 cm时地表沉降的变化规律。

3 模拟与实测数据对比

模型采用越江段隧道实际工程地质参数,建立盾构开挖模型(地质参数、尺寸、地质条件等与前文所建模型相同),以实际盾构工程中设置的注浆压应力的50%和等代层厚度35 mm进行数值模拟。观测地表横向和纵向沉降,将数值模拟得到的数据与实际工程监测数据对比,从而验证该方法的科学性与准确性。

模拟段隧道为左右双线,长度为20 m,每步开挖1.5 m,先开挖左线10环,再开挖右线10环,利用FLAC3D软件后处理功能,分别提取左、右线的第1环、第5环和第10环这6个关键截面开挖时的地表沉降数据(如图3和图4所示)。图中所对应的计算值分别为选取开挖10环之后,两拱顶中间截面的纵向地表沉降值和中挖面Y=7.5 m处横向地表沉降值;监测值为对应的地表监测片段中DK14+792处的数据。

图3 模拟段地表纵向沉降曲线监测值与计算值

图4 模拟段地表横向沉降曲线监测值与计算值

从图3可以看出,监测值与模拟值的沉降趋势基本相同,均为一端较大,逐渐向另外一端递减。最大沉降监测值为56.1 mm，与最大沉降计算值53 mm较为接近。同时,最小沉降监测值为29 mm,也与最小沉降计算值21 mm差距较小。从图4来看,整个曲线符合正态分布,隧道正上方的地表沉降最大。此处最大沉降监测值43 mm与最大沉降计算值46 mm比较吻合。纵向沉降和横向沉降曲线的监测结果均与计算结果比较吻合。

4 注浆参数数值分析

4.1 注浆压力对地表沉降影响分析

4.1.1 应力释放率数值模拟

盾构开挖时,从力学角度看等效于除去了开挖部分的土体应力,破坏了原来整个土体的应力结构。往衬砌后面注入一定压力的浆液之后,相当于恢复了土体一部分应力。而原有土体应力与注浆应力之间差值就是土体的应力释放。本研究分析了盾尾注浆应力释放率为0%、50%、75%和100%时的地表沉降变化规律。相应的应力释放沉降云图如图5～图8所示。

图5 应力释放0%沉降云图

图6 应力释放50%沉降云图

图7 应力释放75%沉降云图

图8 应力释放100%沉降云图

观察云图颜色可直观分析隧道开挖所引起的地表沉降规律,并且能准确判断出土体发生最大沉降的位置,以及整个土体沉降分布情况。

分析4上述种应力释放工况下的沉降云图可以看出：①盾构开挖会引起隧道上部土体沉降,且越靠近隧道部分沉降越大,在拱顶处达到最大。②在隧道下部的土体会发生一定的隆起,且在隧道底部隆起值最大,并向两边扩散；注浆压力的改变对地表隆起值基本无明显影响；最大隆起值基本稳定在12 mm左右。③相对上部土体沉降而言,应力释放率在0%到75%缓慢增加时,地表最大沉降值在60 mm到70 mm之间且缓慢增加,应力释放继续增大到100%时,地表沉降迅速增大至130 mm左右。在实际工程中应避免注浆压力过小的情况发生。

4.1.2 应力释放率数值模拟数据综合分析

为了能更科学地分析注浆应力对地表沉降变化规律,本文对地表横向和纵向沉降值的变化进行分析。整个模拟均是左右线开挖10环,左线开挖完成后再开挖右线,每步开挖1.5 m。在分析地表横向沉降变化时,选取第1环的中间截面(Y=0.75 m)为开挖端和第10环的中间截面(Y=14.25 m)为终挖端,提取两个截面在不同注浆压力下的地表沉降值(如图9和图10所示)，并在分析纵向沉降时提取整个盾构过程中的地表沉降值(如图11所示)。

图9 不同应力释放率的开挖端(Y=0.75 m)地表横向沉降曲线图

图10 不同应力释放率的终挖端(Y=14.25 m)地表横向沉降曲线图

图11 不同应力释放的地表纵向沉降曲线图

分析图9和10可以看出,4条曲线基本符合沉降槽的正态分布规律。在图9中,应力释放率100%时地表的最大沉降值达到130 mm左右。这可能是由于应力释放率增大,盾构对周边土体的扰动就相应的增大,从而引起地表较大沉降。而从图10可以看出,同样是在应力释放率100%时，在隧道的中间位置沉降达到最大,但此时沉降值与开挖端相比变化不大,仅为125 mm左右。

从图11分析可以看出,应力释放率控制在75%以内时,随着应力释放率的增加,地表沉降值均匀增加；而当应力完全释放时,整个盾构施工过程中地表沉降急剧增加,其最大沉降值达到125 mm左右。同时,随着盾机向前开挖,盾机后方的地表沉降区域在逐渐增大,最后逐渐趋于稳定。而在盾机的前方出现了相对较小的沉降，这主要是因为盾构向前开挖过程中会对前方的土体造成扰动而引起的。

综合分析不同注浆压力下的地表横向和纵向沉降变化曲线，可以得出下面结论：①注浆压力大小与地表沉降有直接关系。在一定范围内,盾尾注浆压力越大,盾构机开挖过程中对周围土体带来的扰动就越小,从而相应的减小了地表沉降。②应力释放率控制在75%以内时,随着应力释放率逐渐增大,地表沉降均匀增加；但应力完全释放时,会导致沉降急剧增加,工程中应避免这种情况。

因此,为保证地表沉降值和地表隆起值都在较低的范围,在实际工程中,建议注浆压力控制在50%左右比较合适。

4.2 注浆量对地表沉降影响分析

4.2.1 等代层数值模拟

盾构施工过程中,土体将向盾构空隙移动,为避免周围土层发生过大移动,需向盾尾空隙内注浆。由于注浆时浆体和周边土体之间存在一个相互渗透的过程,浆体在空隙内形成一层复杂的过渡圈层,所以衡量注浆厚度也就是衡量浆液和土体的混合层厚度。前人研究中将过渡圈层称为等代层,本文用等代层厚度的变化来模拟注浆量的变化。FALC3D软件数值模拟时所需考虑的等代层参数主要包括等代层厚度、等代层弹性模量和泊松比。由于弹性模量和泊松比的变化很小，因此,仅需单独对等代层的厚度进行模拟。为分析注浆量的变化对地表横向沉降和纵向沉降的影响,本研究模拟了等代层厚度分别为10 cm、20 cm、30 cm及40 cm四种情况下的盾构施工过程,相应的地表沉降云图如图12—图15所示。

图12 等代层厚度为10 cm时地表竖向沉降云图

图13 等代层厚度为20 cm时地表竖向沉降云图

图14 等代层厚度为30 cm时地表竖向沉降云图

图15 等代层厚度为40 cm时地表竖向沉降云图

观察云图颜色可以直观分析隧道开挖所引起的地表沉降规律,并能准确判断出土体发生最大沉降的位置及整个土体沉降分布情况。从图12—图15可以看出,盾构开挖会引起隧道上部土体沉降。沉降值在隧道顶部达到最大,之后逐步减小,且沉降值随等代层厚度的增加而减小。而隧道下部土体有一定的隆起,隆起值在隧道的底部达到最大值,然后向四周呈现出减小趋势。从横向看,两隧道沉降量自中间向两边逐渐减小,到一定距离后,基本无明显沉降；从纵向看,未开挖段与开挖段相比,其沉降值明显较小。

4.2.2 等代层数值模拟数据综合分析

为了更科学地分析不同注浆量下地表变化规律,本文从横向沉降和纵向沉降二个方面进行分析。在分析地表横向沉降时,每隔4.5 m提取从开挖端(Y=0.75 m)到终挖端(Y=14.25 m)共计4个关键截面处的地表沉降值,如图16—图19所示。

图16 不同厚度等代层在Y=0.75 m处地表横向沉降曲线图

在分析纵向地表沉降时,主要提取不同等代层下,隧道中心正上方的地表沉降曲线(如图20所示)。

图17 不同厚度等代层在Y=5.25 m处地表横向沉降曲线图

图18 不同厚度等代层在Y=9.75 m处地横向表沉降曲线图

图19 不同厚度的等代层在Y=14.25 m处地表横向沉降曲线图

图20 不同等代层厚度下隧道纵向地表横向沉降曲线图

通过4条曲线对比可以看出,每条曲线均符合中间大两边小的正态分布。在同一厚度的等代层下,距离盾构机越远,地表沉降越大。随着等代层增加,其盾构过程中纵向沉降值越趋平稳。在相同位置处,地表沉降值随着等代层厚度的增加而减小。

由图20可以看出,在同一厚度等代层下,随着盾构机不断向前开挖,会出现后方沉降增大的现象。经过一段时间后,沉降值逐渐趋于平稳,而在盾机前方有相对较小的沉降。这主要由于隧道开挖会对前方土体有扰动。

结合图16—图20,可以得出如下结论:注浆量的大小能直接影响地表沉降；在一定的范围内,注浆量越大,地表沉降越小；但注浆量也不能过大,以免加大周围土体的扰动,使土体产生劈裂。随着注浆量均匀增加,地表沉降也相应均匀减小;为避免地表沉降值或隆起值都过大,建议在实际工程中将等代层的厚度控制在30 cm左右较为合适。

5 结论

本文以武汉某长江越江隧道盾构施工为工程背景,利用FLAC3D软件建立地铁区间盾尾注浆数值模拟,并且将数值模拟结果与实际工程监测数据作对比,分析盾尾注浆过程中注浆压力与注浆量对地表沉降的影响。针对土质疏松、富水充足的地质条件,可得出以下结论:

(1) 盾尾注浆过程中,影响地表沉降的盾尾注浆参数主要是注浆压力和注浆量。合理地控制盾尾注浆参数能够有效地减小地表沉降。

(2) 针对本工程土质疏松的地质条件,盾尾注浆压力的大小直接影响地表沉降。当注浆压力控制在原土体压力的25%～100%时,地表沉降值随注浆压力减小而增大;当注浆压力在原土体压力的25%以内时,减小注浆压力将急剧增大地表沉降。因此,为同时保证控制地表的沉降值和隆起值都在一个合适的范围,建议将注浆压力控制在50%左右较为合适。

(3) 增大注浆量可减小地表沉降。盾构施工过程中,注浆量越多,盾尾间隙越容易被填充,对应的地表沉降就越小。地表横向和纵向沉降值随等代层厚度的均匀增加而均匀减小,超过一定范围后,继续增大等代层厚度,容易引起土体产生较大隆起。因此,在实际工程中,为避免地表的沉降值或隆起值过大,建议将等代层厚度控制在30 cm左右较为合适。

(方伟立为本文通讯作者)

[1] 方勇,杨斌,杨志浩.地铁盾构隧道施工对地层扰动的影响因素分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2014(1):36.

[2] 范昭平,袁小会,韩月旺.盾构隧道壁后注浆浆体变形特性[J].土木建筑与环境工程,2009(5):65.

[3] 徐小华.盾构管片壁后注浆作用机理的数值解析[J].西部探矿工程,2008(1):169.

[4] 张云,殷宗泽,徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析[J].岩石力学与工程学报,2002(3):388.

[5] 张吉宏.古土壤地层盾构施工引起的地表沉降分析[J].防灾减灾工程学报,2013(1):78.

[6] 张恒,陈寿根,邓稀肥.盾构掘进参数对地表沉降的影响分析[J].现代隧道技术,2010(5):48.

[7] 王非,缪林昌,黎春林.考虑施工过程的盾构隧道沉降数值分析[J].岩石力学与工程学报,2013(S1):2907.

[8] 谷拴成,李敏.西安地铁盾构施工地表沉降随机介质预测研究[J].铁道工程学报,2014(3):110.

Impact of Shield Synchronous Grouting over Rail Transit Ground Subsidence

WU Xianguo, JIANG Zhou, FANG Weili, ZHANG Limao, CHEN Yueqing, ZHANG Wei

Based on the shield tunnlling on Wuhan rail transit Line 2 which crosses under the Yangtze River, the ground subsidence influenced by the parametors of shield tail grouting is analyzed by using FLAC3D. The result shows that the numerical simulation data is in agreement with the practicaly monitored data, which verifies the correctness of the simulation. The result also demonstrates that the grouting pressure and grouting volume could influence the parameters of shield tail grouting, therefore, reasonable control of shield tail grouting parameters could effectively reduce the ground subsidence. Within a certain scope, the ground subsidence will decrease linearly with shield tail grouting pressure decreasing, and higher growing grouting pressure will cause the surface uplift. So in order to reduce the value of surface subsidence and uplift simultaneously, the grouting pressure should be controlled by 50% of the ground stress. To reduce the ground subsidence and uplift simultaneously, the equivalent layer thickness should be control within 30 cm.

shield construction; synchronous grouting; ground subsidence; stresss release; equivalent layer; numerical simulation

*国家自然科学基金项目(51378235);湖北省自然科学基金项目(2014CFA117)

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.06.021

2015-05-04)