三面围合盾构隧道底板注浆对地下通道结构的影响

2020-02-18传琦

四川水泥 2020年8期

关键词：板件损失率底板

传琦

（四川大学锦城学院，成都 611731；中国市政工程西南设计研究总院有限公司，成都 610081）

0 引言

城市化发展进程的加速使得人们更加重视城市地下空间的开发与利用，推动盾构隧道施工项目的数量大幅增加。盾构隧道底板注浆对地下通道底板结构的影响规律具有极高的现实价值。

1 隧道项目的选择

在本次研究中，主要选择了某地区地铁线路中两站地之间的盾构隧道工程进行分析。该地区为典型的软黏土地质区域，具体的土层参数有：黏聚力达到16kPa；压缩模量为3.14MPa；内摩擦角为14.5°；静止土压力系数为0.6。在进行施工变形计算时，使用的参数有：掌子面附加推力稳定在30kPa；盾尾注浆压力控制在278kPa。

在该盾构隧道的施工中，使用的混凝土型号为C35（地下道路结构施工，弹性模量为3.15e4MPa）、C50（隧道管片结构施工，弹性模量为3.45e4MPa）；注浆的弹性模量控制在1e3MPa。施工中，在地下道路的纵向方向以每间隔3米设定两个注浆孔的频率完成注浆孔位置与数量控制，且均设于中隔墙两侧。在本次研究中，主要目标在于计算底板注浆对道路结构变形所产生的影响，选择的分析整体结构为掌子面后方30 米范围内的地下道路。

2 注浆压力的计算

结合项目施工现场中实际测得的数据可以得出，在土体损失率稳定在千分之一与千分之十的范围内时，地下道路底板脱空宽度不高于1.5 米，且底板弯矩的增加量也相对较小。总体来说，在这样的情况下，底板脱空现象的发生不会对地下道路结构产生较大的影响，所以底板注浆的作用并未得到明显的体现。而在土体损失率增大（千分之十五）的条件下，底板注浆对地下道路结构产生的影响更大，研究也更有意义[1]。

对于底板注浆来说，其主要目的在于实现底板与下方脱空区域的填充，保证底板能够承受更多的负荷。但是，若是注浆的压力过大，则会引发盾构隧道结构以及底板产生新的变形。所以，必须要提前实现底板注浆压力上限值的确定[2]。有关行业规定要求，必须将地下钢筋混凝土结构的最大裂缝宽度控制在0.2 毫米以下，其与结构的最大裂缝宽度需控制在0.3 毫米以下。结合地下道路的配筋情况以及底板的截面尺寸，可以获取底板的极限承受力弯矩、混凝土开裂弯矩、裂缝宽度发展至0.2 毫米/0.3 毫米时的弯矩。在本次研究中，得到的结果如下：在底板注浆压力稳定在216kPa 时（1.2 倍底板深处土体的自重应力），底板的最大弯矩正好低于裂缝宽度发展至0.2 毫米时的控制弯矩，且地下道路的顶板弯矩的也未超过裂缝宽度发展至0.2 毫米时的控制弯矩。同时，出于富余量的考量，在本次施工中将底板下注浆压力稳定在180kPa 以下（1 倍底板深处土体的自重应力）。

结合上文的分析可得，地下道路底板脱空度在0.8-1.5 米的范围内。在本次研究中，取0.5 米、1 米以及1.5 米三个地下道路底板脱空度数据，以180kPa为注浆压力，对注浆后的底板浆液压力（底板下注浆压力）进行计算。此时，其他所需参数的控制如下：底板下方土体空隙率稳定在0.2；浆液扩散厚度范围内土体中的渗透系数取值为5×10-4m/s；浆液黏度与水的黏度比值为4；浆液注入率稳定在1.5。计算结果显示，在注浆时间为30 分钟、地下道路底板脱空度增大的情况下（注浆孔与中隔墙之间的距离越大），底板下注浆压力的数值就越小，且浆液的扩散范围更广，整体显示出更为均匀的注浆压力分布。在地下道路底板脱空度取值为1.5 米时，浆液对底板产生的压力分布更为均匀，且压力值平均为180kPa。延长注浆时间至60 分钟的条件下，底板下注浆压力的均匀性变差，在中隔墙附近能够观察到明显的压力剧增情况。

总体来说，控制注浆时间为30 分钟、将地下道路底板脱空度稳定在1.5米，能够保证底板注浆对地下通道结构产生压力的均匀分布；此时的注浆压力分布在底板横向±5 米的范围内，所以几乎不会对侧墙产生压力。要求在施工过程中，全面控制各项注浆参数，尤其是对于注浆时间、地下道路底板的脱空度方面，专业性的施工过程，必要时要持续性检查该设施的各类施工参数，以提高整个系统的施工质量，另外也要监测注浆压力的分布情况，当发现超出了压力限制范围时，需要及时调整该设备的运行方案。

3 结果分析

3.1 土体损失率为15‰时的结果分析

在土体损失率为千分之十五时，确定不同底板注浆压力条件下的底板与地下道路顶板变形情况，结果表明：底板脱空问题的发生促使地下道路顶板在中隔墙附近所产生的变形降低，且在跨中附近可以观察到更大的下沉变形，并使得底板变形下降；与之相反的是，受到底板注浆的影响，地下道路顶板在中隔墙附近所产生的变形增加，且在跨中附近可以观察到较小的下沉变形，并使得底板变形升高，换言之，利用底板注浆，可以得到与底板脱空方向相反的板件附加变形。具体有：在注浆压力为0 时，顶板的附加变形比例为-43.08%、底板的附加变形比例为-40.81%；在注浆压力为0.25 倍底板深处土体的自重应力时，顶板的附加变形比例为-19.55%、底板的附加变形比例为-18.51%；在注浆压力为0.5 倍底板深处土体的自重应力时，顶板的附加变形比例为7.3%、底板的附加变形比例为6.98%；在注浆压力为0.75 倍底板深处土体的自重应力时，顶板的附加变形比例为30.04%、底板的附加变形比例为28.44%；在注浆压力为1 倍底板深处土体的自重应力时，顶板的附加变形比例为55.44%、底板的附加变形比例为52.49%。

此时，在注浆压力值为0.5 倍的底板深处土体的自重应力的情况下，由于注浆操作所产生的附加变形与因底板脱空引发的附加变形可以基本抵消，促使板件的变性值基本回归初始状态。在注浆压力值高于0.5 倍的底板深处土体的自重应力的情况下，由于注浆操作所产生的附加变形与因底板脱空引发的附加变形相互抵消，同时会促使板件在相反的方向产生新的附加变形[3]。

3.2 土体损失率为20‰时的结果分析

在土体损失率为千分之二十时，确定不同底板注浆压力条件下的底板与地下道路顶板变形情况，结果表明：由底板脱空所引发的板件变形情况更加严重，需要注入更多的浆液，所以底板注浆对结构（板件变形）的影响也有所增加。具体有：在注浆压力为0 时，顶板的附加变形比例为-100.86%、底板的附加变形比例为-95.38%；在注浆压力为0.25倍底板深处土体的自重应力时，顶板的附加变形比例为-42.5%、底板的附加变形比例为-40.22%；在注浆压力为0.5 倍底板深处土体的自重应力时，顶板的附加变形比例为13.42%、底板的附加变形比例为12.67%；在注浆压力为0.75倍底板深处土体的自重应力时，顶板的附加变形比例为67.5%、底板的附加变形比例为63.83%；在注浆压力为1 倍底板深处土体的自重应力时，顶板的附加变形比例为125.48%、底板的附加变形比例为118.64%。

总体来看，在土体损失率升至20‰时，底板注浆与底板脱空对板件的影响基本相同，且影响效应有所增大；此时，底板注浆与底板脱空不仅影响了中隔板附近的板件，对其他位置的板件也产生一定影响；在施工过程中，通过对整个工程系统土体损失率、底板注浆工作要求、其他各类板件的调整，降低注浆压力对底板造成的影响。