盾构隧道同步注浆壁后空洞缺陷对地表沉降和结构变形影响分析

沈荣俊,路开道，蹇蕴奇, 王先明，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)

盾构法是城市地铁隧道修建的主流方法。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存在着壁后空洞缺陷，地表沉降和隧道结构受空洞缺陷的存在的影响尤为突出。

目前，已有部分学者对盾构隧道同步注浆技术作了一定的研究。杜军[1]利用有限元软件模拟壁后浆液分布对地表以及隧道沉降影响。韩日美等[2]利用有限元软件模拟盾构盾尾注浆效果对地表沉降的影响，并将模拟结果与现场监测结果进行对比，验证模拟的合理性。许彦平等[3]利用有限元软件的生死单元法，模拟全断面盾构掘进过程中岩土的受力以及变形情况。王晖等[4]结合相应工程施工经验，对盾尾注浆工艺和施工过程进行分析，提出施工控制措施。丁文其等[5]利用有限元软件对盾构掘进过程进行模拟，分析盾构隧道施工材料的力学形态。夏洋洋等[6-8]通过有限元软件对盾构隧道进行数值模拟，分析其对地表沉降的影响。石建泽[9]利用有限元软件ANSYS建立三维实体模型，分析盾构下穿施工对既有地铁的影响。徐方京等[10-12]对盾构隧道盾尾间隙以及注浆分布进行分析，提出减小地层移动的方法。

以往的研究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，对壁后注浆空洞缺陷的研究相对较少。鉴于此，本文依托某过江隧道工程，采用有限元数值模拟的方法，建立隧道开挖的地层及隧道模型，对比不同位置的空洞缺陷对地表沉降的影响，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

此过江隧道外径为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，地层从地表往下依次为粉细沙地层、圆砾地层、粉土地层和圆砾地层，隧道埋深为18.2m，隧道整体贯穿圆砾地层，地上水位线高度为5.2m。计算断面选取以及断面地层分别为图1和图2。

图1 沅江过江隧道地质纵断面

2 数值模拟

2.1 计算模型的建立与参数选取

三维数值模拟示意图如图3所示。尺寸为：99.8m(长)×3m(宽)×74.7m(高)。共计生成1 248个单元。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；(3)注浆压力为0.3MPa；(4)上部水层用等效水压力0.52MPa代替；(5)壁后注浆过程中，为计算方便，将浆体简化为均质等厚的注浆层，厚为0.2m，且盾尾空隙为0.2m；(6)目前盾构隧道在施工过程中，地层损失量一般控制在2.5 %以内。而注浆量在90 %时，其地面沉降曲线与地层损失量为2.5 %时的曲线非常相近[1]。将缺失的10 %的注浆量完全转化成空洞缺陷，会形成对应圆心角为36°的弧形缺陷。

图2 计算断面示意

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，该工况土体采用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 %，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

2.2 工况的设置

隧道壁后注浆体分布是非均匀的，往往会导致局部出现空洞缺陷，从而不可避免的很大程度上影响地表沉降。注浆体单元分布如图4所示，依照空洞缺陷出现的位置分为五种工况：工况一～工况四分别表示空洞缺陷出现在拱顶、拱肩、拱腰和拱底时，工况五表示无注浆缺陷。

3 计算结果分析

3.1 地表沉降

隧道壁后不同位置注浆空洞缺陷产生的地层竖向变形计算结果如图5所示。当无注浆圈空洞(工况五)时，地表出

(a)工况一：拱顶

(b)工况二：右拱肩

(c)工况三：右拱腰

(d)工况四：右拱脚

(e)工况五：无缺陷图4 计算工况

现的最大沉降值最小，为4.98mm；当注浆圈空洞出现在隧道拱顶(工况一)时，地表出现的最大沉降值为10.78mm；当注浆圈空洞出现在隧道拱肩(工况二)时，地表出现的最大沉降值为13.23mm；当注浆圈空洞出现在隧道拱腰(工况三)时，地表出现的最大沉降值为18.81mm；当注浆圈空洞出现在隧道拱脚(工况四)时，地表出现的最大沉降为15.78mm。在出现注浆圈空洞缺陷时的这四种工况中，工况一地表沉降最大值最小，但相比于工况五，地表沉降最大值增大了5.8mm，说明空洞缺陷的存在对地表沉降控制有着不利影响。随着空洞缺陷出现位置的不同，发生最大地表沉降的位置逐渐向右侧发生偏移，并且最大地表沉降的大小也随之改变。相比于工况一的情况，工况二的地表沉降最大值增大了2.45mm，比工况四增大了5.00mm，而工况三增幅的最多，达到8.03mm。对其分析，主要原因为：砂卵石在自然情况下内部会形成叠瓦式排列的骨架结构，当注浆圈空洞缺陷出现在拱顶时，由于注浆缺陷地表会出现一定的沉降，但是受拱顶上方冒落拱效应的影响，地表沉降会出现一定的增大。当空洞缺陷出现在拱腰时，由于砂卵石地层的叠瓦式排列的骨架结构，拱腰附近的土体在受到水平方向的挤压力时，会填充拱腰处的空洞缺陷，因而产生较大的地表沉降，并且发生最大地表沉降量的偏移。而空洞缺陷出现在拱肩、拱脚位置时，是上述两种情况的综合，因而最大地表沉降量出现的位置发生偏移，并且大于空洞缺陷出现在拱顶位置时的最大地表沉降。

图5 不同位置空洞缺陷工况下的地表沉降曲线

3.2 净空收敛

同步注浆空洞缺陷会对管片的变形造成较大的影响，因此对不同空洞缺陷位置下管片各部分的变形进行数值模拟，结果如表2所示。当壁后注浆无缺陷时，隧道拱顶沉降2.24mm，拱底上隆2.20mm，左、右拱腰向左水平位移均为2.66mm。当空洞缺项出现在拱顶时，隧道拱顶沉降4.54mm，拱底上隆8.98mm。而空洞缺陷出现在拱肩、拱腰、拱脚这三个位置，拱底变形比拱顶变形大5mm左右，右拱腰变形比左拱腰变形大6mm以上，这主要是空洞缺陷的存在导致隧道受力不平衡所致。

表2 不同空洞缺陷位置下管片各部分的变形 mm

在出现壁后注浆缺陷这四种工况中，工况一的竖向收敛值和水平收敛值均为最小，分别为13.52mm和-16.23mm，但相比于工况五的竖向收敛值4.45mm和水平收敛值-5.32mm，分别增大了9.07mm和10.91mm，所以当出现空洞缺陷时的管片变形显著增大。

比较不同位置的空洞缺陷时的竖向收敛值，工况一的竖向收敛值为13.52mm，相比于工况二～工况四分别小4.32mm、 6.55mm和4.86mm。分析其原因为：上方有空洞缺陷，砂卵石地层会形成冒落拱，上方土体的压力不直接作用于上方管片上，大部分荷载通过冒落拱传递到结构洞身其他部分，拱顶位置仅有冒落拱以内范围的荷载作用管片上，因而管片竖直方向受到的压力较小，竖向收敛值较小。

而在水平收敛值上，工况三最大，达到22.21mm，分别比工况一、工况二、工况四增加了5.98mm、2.59mm和 2.00mm。分析其原因：在管片受到竖向压力作用时，管片会有水平方向的变形趋势，接触的土体会提供反作用力来抵抗这种水平变形。但拱腰处产生注浆空洞缺陷，右侧的土体无法给管片提供足够的反力，所以无法限制用拱腰的水平变形，因而拱腰处的空洞缺陷引起的水平收敛值较大。

4 结论

本文采用ANSYS有限元软件研究了盾构隧道掘进过程中不同位置同步注浆空洞缺陷对隧道周围地层变形及管片变形的影响，主要得到以下结论：

(1)在砂卵石地层，当壁后注浆无缺陷时，最大地表沉降为4.98mm，当存在壁后注浆空洞缺陷时，壁后空洞缺陷出现在拱顶时的地表沉降最小，但相比于无缺陷的情况大5.8mm，空洞缺陷位于其他位置时地表沉降和管片变形均显著大于无空洞缺陷的情况，说明壁后注浆空洞缺陷的存在会很大程度上影响盾构隧道的稳定和安全。

(2)壁后注浆时，壁后注浆不同位置空洞缺陷对地层沉降和管片变形有不同程度的影响。在地层沉降方面，由于冒落拱效应的影响，空洞出现在拱顶的位置时地表沉降最小，为10.78mm；空洞缺陷出现在拱腰时，由于侧向土体收到挤压作用会有填补空洞的趋势，故空洞出现在拱腰处时最大，为18.81mm。

(3)在管片的变形方面，由于空洞缺陷而导致盾构隧道侧向土体对管片结构所提供的反力不足，空洞缺陷出现在拱腰处时竖向收敛值和水平收敛值达到最大，分别为20.07mm和-22.21mm，而当空洞缺陷出现在拱顶处时竖向收敛值和水平收敛值分别为13.52mm和-16.23mm，均为最小，故同步注浆时应保证拱腰处的填充率，避免出现空洞缺陷。