盾构隧道同步注浆充填率对地表沉降影响分析

林志宇, 路开道, 王先明, 蹇蕴奇, 鲁茜茜

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；2.中铁十四局集团有限公司，山东济南 250014)

为了保证隧道工程的安全掘进与控制地表建构筑物的沉降，往往采取同步注浆的方式对盾构开挖所形成的盾尾间隙进行填充，同步注浆所形成的注浆圈包裹住隧道管片结构，这对于保证隧道工程的安全性、耐久性、控制地表沉降等尤为重要。但是往往受地层条件、注浆方式、检测手段等方面的限制，同步注浆完成后所形成的注浆圈往往没有完全填充盾尾间隙，所以地表沉降受注浆充填率的影响尤为突出。

目前，针对不同工况采用的不同数值模拟计算已有研究。杜军[1]利用有限元软件模拟注浆施工，研究注浆工艺对地层变形的影响。韩日美等[2]利用数值计算软件模拟盾尾间隙的注浆效果对地表沉降的影响，提出降低地表变形的理论方法。王晖等[3]结合相应工程施工经历，对盾构隧道注浆工艺和施工过程进行理论研究，提出盾构隧道的地层变形控制措施。徐方京等[4]对隧道盾尾间隙引起地表变形的原因进行理论研究，得出减小地层移动的方法。陈亮等[5]基于随机介质理论，在壁后间隙注浆等因素条件下，提出盾构隧道的沉降公式。叶飞[6]等盾构隧道壁后注浆的浆液分布以及注浆压力进行分析推导，得出增大浆液的压力以及注浆时间将增大浆液扩散范围以及管片压力。刘军等[7]利用有限元的方法，分析盾尾间隙大小对地表沉降的影响，提出盾尾间隙大小与地表沉降呈线性变化关系。林明杰等[8]利用有限元软件ABAQUS建立盾构隧道施工模型，分析不同注浆量对地层的影响，得出地层的位移曲线图。尤玉云[9]通过有限元软件，通过对盾构隧道同步注浆施工进行数值模拟分析，得出地表的隆起值随注浆充填率以及开挖的半径的增大而增大。朱才辉[10]在实际工程背景下，采用有限元软件ANSYS，在盾构注浆工艺、地层条件以及地表荷载等因素条件下研究地表变形以及地表上修建物的变形规律。

以往的研究侧重点各有不同，但主要针对隧道掘进过程对地表沉降和隧道管片受力进行分析，对壁后注浆充填率的研究相对较少。鉴于此，本文依托常德市沅江过江隧道工程，利用有限元数值模拟的方法，建立盾构隧道的地层及隧道模型，对比不同注浆充填率对地表变形的影响，以期为近似工程提供参考。

1 工程概况

常德市沅江过江隧道外径为11.3m，内径为10.3m，管片结构厚为0.5m，该工况地处于沅江过江隧道中段。

地层从上往下依次为粉细砂、圆砾、粉土以及圆砾，隧道地下埋深18.2m,下穿段位于圆砾地层，地上水位线高度为5.2m。计算断面选取以及断面地层分别如图1和图2所示。

图1 沅江过江隧道纵断面

图2 计算断面地层示意

2 数值模拟

2.1 计算模型的建立与参数选取

模拟整体如图3所示。该工况计算尺寸为：99.8m(宽)×3m(长)×74.7m(高)。计算时假定：(1)地层分布为水平层状；(2)盾构掘进施工影响范围为隧道外径的4倍，即为45.2m；(4)上部水层用等效水压力0.52MPa代替；(5)壁后注浆过程中将浆体与土层混合物简化为均质等厚的注浆层；(6)注浆材料取28d固化后的弹性模量E0；(7) 查阅文献[10]可知：当注浆充填率为100 %时，δ=(D-d)/2，式中δ为理论盾尾间隙厚度值；D为盾构外径；d为管片外径，本文取注浆层厚度为15cm[10]；当注浆充填率降低1 %时，注浆层的弹性模量为96 %E0，同理当注浆充填率降低n%时，注浆层的弹性模量为0.96%nE0；当注浆充填率超过100 %时，认为是超注浆，多余浆液会进入土体的空隙中，当注浆充填率增加n%时有：S=n%×15/e,S为浆液侵入的土体的面积；e为土体的空隙率。此时含有浆液的土体圈的弹性模量取混合弹性模量。

图3 三维有限元数值模型

模型前后两侧施加z方向约束，左右两侧施加x方向约束，底面施加y方向约束，顶面为自由面。在数值模拟过程中，土体采用Druker-Prager屈服准则，注浆层、隧道管片等视作弹性体，管片结构及地层均以实体单元[11]予以模拟。

管片结构采用C50钢筋混凝土，弹性模量为32.5GPa，针对管片对结构刚度的影响，将结构刚度折减为85 %[12]，地层以及结构物参数依据地质勘察报告确定(表1)。

表1 地层及结构物参数

数值模拟过程中，采用“单元生死控制法”实现对隧道施工过程中土体开挖的模拟，并通过修改参数的方式实现管片和注浆层的施作。

为实现注浆层不同的充填程度，本文采用充填率来代表其充填程度，通过等效弹性模量的方法对填率为60 %，80 %，100 %及120 %的注浆层弹性模量进行等效改变[13]，达到注浆层充填程度的改变。

2.2 工况的设置

分别取注浆充填率为60 %，80 %，100 %及120 %的模型进行计算，分析在不同注浆充填率条件下盾构隧道壁后注浆对地表沉降的影响。

3 结果分析

考虑到模型尺寸的限制，选取四种工况模型的中间断面(z=1.5m)来进行变形分析，得到不同充填率下产生的地层竖向位移计算结果(图4)。分别提取四种工况盾构隧道在不同注浆充填率条件下的地表沉降曲线(图5)。

(a)注浆充填率为60%

(b)注浆充填率为80%

(c)注浆充填率为100%

(d)注浆充填率为120%

图5 不同注浆充填率时地面上各点沉降曲线

由图4及图5可知，当浆液的注浆充填率为60 %时，隧道上方的最大地表沉降为18.1mm；当注浆充填率为80 %时，隧道上面的最大地表沉降为13.3mm；当浆注浆充填率为100 %时，隧道上面的最大地表沉降为4.98mm；当注浆充填率为120 %时，隧道上面的最大地表沉降为3.79mm，最低注浆充填率与最高注浆充填率的最大地表沉降差值为14.31mm。由此可知：注浆充填率的大小对地表沉降有十分重要的意义，是决定地表变形的重要原因之一；地表沉降随注浆充填率的增大而迅速减小，所以控制地表的沉降变形，应增大壁后注浆充填率，工程上注浆充填率一般为120 %至140 %。分析原因可知在浆液未完全填充盾尾空隙时，即注浆充填率未达到100 %时，隧道上方土体会填充注浆圈空洞，导致地表沉降；而浆液完全填充盾尾空隙后，注浆体的压缩变形是地表的主要变形之一，所以当注浆充填率达到100 %后，地表沉降的变化较小。

4 结论

本文采用ANSYS有限元软件对盾构隧道施工掘进过程中不同同步注浆充填率下的地层及地表沉降进行了计算分析，得出以下结论：

(1)隧道壁后浆液充填率是控制地表变形的重要影响因素，地表沉降随注浆充填率的增大而减小，注浆充填率为60 %，80 %，100 %以及120 %时，最大地表沉降分别为18.1mm、13.3mm、4.98mm以及3.79mm。

(2)当注浆充填率由100 %增加至120 %，地表最大沉降值仅减小1.19mm，而当注浆充填率由100 %减少至80 %时，地表最大沉降则增加8.32mm，由此可见，注浆充填率不足100 %时，地表沉降将会明显增大。

(3)实际工程中理论注浆充填率一般均超过100 %，但是由于地层渗透性及地下水赋存的差异性，会导致实际注浆充填率偏低，工程中应结合注浆压力实现对地表沉降的综合控制。