水下砂卵石地层盾构隧道越江段注浆压力研究

路开道

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司 江苏南京 211899）

1 引言

近年来，随着全国隧道大规模建设，隧道施工周边环境和地质越来越复杂，盾构法以其对周围建（构）筑物扰动小、适应性好和安全性高等优势成为隧道建设的主要施工方法［1］。同步注浆是盾构法施工过程中的重要步骤，能够及时填充盾尾后的空隙，减小对周围土体的扰动。经过学者研究和现场监测数据表明，同步注浆质量直接影响施工引起的地表沉降大小［2］。注浆压力过小，会引起地表沉降过大；注浆压力较大时，会引起浆液渗进盾构内部即盾尾漏浆，且超出地层所能承受的最大压力最终导致不可恢复的变形［3］，尤其是受力不稳定的砂卵石地层，施工过程极易破坏初始平衡状态，使临空面失去支撑而产生大变形，给工程施工、设计带来极大困难［4］。

赵天石［5］等和韦良文［6］等依托上海市西藏南路越江隧道等工程对泥水盾构同步注浆材料配比、浆液性能及施工土体稳定性进行分析，研制出适合工程的同步注浆浆液。梁小英［7］对渗透系数大的富水地层盾构隧道同步注浆材料性能及配比进行了研究。张亚彬［8］结合实际工程对富水砂层盾构隧道进行变形监测，研究表明同步注浆量、注浆压力、注浆时机等因素为盾构施工中引起地表沉降的主要影响因素，并提出严格控制同步注浆压力、保障同步注浆量、减小施工扰动的建议。张海涛［9］等针对上海西藏南路越江隧道进行浆液配比试验，并根据翔殷路隧道上浮监测数据，对隧道上浮机理和控制对策做了详细研究。王成［10］等通过分析管片上浮的主要原因，提出改进同步注浆设备方案，在盾尾处采用常规同步浆液与双液浆相混合注入管片与开挖面之间的空隙，并通过实验证明该新型注浆材料的有效性。张金龙［11］等通过理论推导和数值模拟相结合的方法，对盾构隧道壁后注浆浆液扩散机理与管片受力特征进行了研究。冯士杰和来永玲［12］等基于浆液的流动方程和连续方程推导出浆液压力梯度与上浮力的关系，并结合现场监测数据分析其合理性。

上述研究在一定程度上可对水下砂卵石地层盾构隧道注浆压力提供参考，但由于各工程地形地貌、气候条件以及水文条件之间的差异，既有研究成果尚不能对相关盾构隧道同步注浆工作提供定量指导。因此，本文依托常德沅江过江隧道工程，采用有限元软件FLAC3D，探讨了盾构施工扰动下地层孔隙水压力的空间分布特性，并结合盾构隧道拱顶、拱腰及拱底等不同位置的孔隙水压数据，对管片外侧孔隙水压力场分布规律进行研究，为确定渗流作用下拱顶、拱腰及拱底等位置的注浆压力合理值提供依据。

2 工程概况

该水下隧道位于常德市城区，大体呈南北走向，南起鼎城阳明路，北接皂果北路。进口段主要位于皂果北路，出口段位于阳明路，工程路线全长2 240 m，其中过江隧道段长度1 680 m。过江段采用盾构法施工，盾构内径为10.3 m，外径为11.3 m。管片采用C50钢筋混凝土平板型管片，采用砂浆进行注浆，注浆层厚0.2 m。两岸地面高程为30.0～34.0 m，沅江大堤高程为42.5 m，河床高程为14.0～26.0 m。常德沅江过江隧道纵断面如图1所示。

图1 常德沅江过江隧道纵断面

3 合理计算流域界限的确定

3.1 计算流域界限的研究

本次数值模拟主要运用FLAC3D中的渗流模块，将岩土体视为多孔介质，流体在孔隙介质中流动符合Darcy定理。在建立模型之前，通过FLAC3D建立四个同样地层条件而纵向长度不同的模型进行盾构开挖，为后文模型合理流域界限提供依据。分别建立长度为60 m、80 m、100 m、120 m的模型，由于模型只是长度不同，故以图2（Y分别取60、80、100和120 m）进行示例，取平均水深10 m进行计算。

图2 流域确定复合地层模型

3.2 计算流域界限的验证结果

由于模型沿开挖方向（Y向）从前侧向后侧开挖，所以前侧和后侧的有效计算边界有所差别。为了能够合理确定模型有效边界，提取60 m、80 m、100 m和120 m模型计算出的孔隙水压力，并绘制模型长度为60 m、80 m和100 m的拱顶、左拱腰、拱底和右拱腰的水压相对模型长度为120 m的水压误差曲线，如图3所示。

图3 各模型拱周各处孔隙水压误差比较曲线

既有研究表明，模型有效水压计算误差小于0.5%处可定为合理边界条件最低限界，通过对图3各模型之间拱顶、左拱腰、拱底和右拱腰水压相对误差的分析，将合理边界条件最低限界值进行汇总，如表1所示。

表1 合理边界限界 m

对表1和图3进行综合分析，确定削减边界为20 m，能够精确合理设置计算长度，削减边界产生的误差，故每个模型沿着开挖方向前后多建20 m的长度进行计算，取得计算结果后舍弃前后多取的20 m长的数据，从而得到有效计算结果。

4 盾构隧道注浆压力分布特性分析

4.1 数值计算模型

由于该段过江隧道纵断面过长（盾构段长1 680 m），且纵断面方向地形十分复杂，一次性建模计算分析难度大，目前的计算能力难以满足，故根据纵断面不同地形将模型分为多段进行建模计算。综合考虑计算能力、各区段衔接部位及两侧纵向边界范围优化，将模型分为6段（0～192 m、192～378 m、378～712 m、712～1 150 m、1 150～1 452 m、1 452～1 680 m）进行建模计算，纵向边界取在数据变化不明显的位置，从而削减边界产生的误差，然后将分段模型的有效计算结果拼接在一起，得到整个断面开挖扰动下的孔隙水压分布。图4分别为6段模型。

图4 各区段计算模型

4.2 计算参数分析

本依托工程主要穿越圆砾、卵石、粉细砂、粉质黏土等地层，在有限元分析过程中，采用Shell单元模拟管片，实体单元模拟地层，其中土体采用摩尔－库伦模型，管片与注浆部分采用弹性模型。由于管片的渗透系数很小，可以将管片近似设为不透水层。各地层物理力学参数及渗透系数如表2所示。

表2 地层土体及结构材料物理力学参数

4.3 荷载及边界条件

实际工程和理论研究表明，隧道开挖扰动在3倍隧道开挖跨度处的应力变化一般在10%以下，在5倍开挖跨度处的应力变化一般在3%以下，故模拟具体工程开挖时，可以认为在3～5倍开挖跨度的边界上因开挖引起的位移为零。因此，在模型建立过程中，模型的边界取至隧道洞径的3～5倍处。

模型建立后，在模型前后及左右边界设置水平约束，在底面设置竖直位移边界约束，地面为自由边界条件，同时在模型四周和地面设置孔隙水压边界约束。根据常德越江隧道工程条件，盾构隧道所承受的主要荷载为地层自重和渗透水压。重力加速度按9.8 m/s2考虑，渗透压力取该地区的平均水位29.69 m。

4.4 孔隙水压力分布特性

去除前后边界20 m无效值，提取剩余水压计算结果，如表3所示，然后将6个部分计算的剩余水压进行整合并沿开挖方向绘制整个区间内盾构隧道开挖扰动下的水压力分布曲线，如图5所示。

表3 整个断面开挖扰动下的水压力

图5 整个盾构区间开挖扰动下的孔隙水压力分布曲线

从图5中可知，随着隧道开挖过程的进行，拱顶、拱腰和拱底孔隙水变化规律几乎一致，同一掘进距离下，拱底的孔隙水压力最大，其次是左右拱腰处，拱顶处的孔隙水压力最小，比左右拱腰处孔隙水压力小0.045～0.35 MPa，左右拱腰孔隙水压力比拱底孔隙水压力小0.04～0.02 MPa。当盾构开挖到约450 m和1 200 m时，拱周出现孔隙水压力剧变，这是由于450 m和1 200 m处是江水与陆地的交界部位。

由于水下段水压力比岸边段的水压力约大0.03 MPa，故可以分别按水下段（450～1 200 m）与岸边段（0～450 m和1 200～1 680 m）分析其孔隙水压力，结果如表4所示。

表4 整个断面水下及岸上开挖扰动下的水压力

根据《盾构施工技术规范》可知，注浆出口压力应稍大于注浆出口处的静止土压力，注浆压力一般大于出口压力0.1～0.2 MPa。由于该盾构隧道处于砂卵石地层，地层渗透性较好，注浆压力不应过大，以免出现浆液溢出地面或造成地表隆起，也不应过小而降低注浆作用，故取注浆压力大于出口压力0.1 MPa。若通过拱顶、拱腰以及拱底位置注浆，根据FLAC3D计算结果可给出对应注浆压力，如表5所示。

表5 整个断面水下及岸上开挖扰动下的注浆压力

5 结束语

本文以常德市沅江隧道为工程依托，采用FLAC3D数值模拟方法对该段越江隧道分区段建模，对拱顶、左右拱腰以及拱底进行动水压分析，得出以下结论：

（1）通过FLAC3D对盾构隧道的流域界限进行研究，综合考虑各种因素确定削减的边界为20 m。流域界限的确定能够使数值模拟结果更真实反映越江隧道围岩各处的孔隙水压力，所得出的结论也更为可靠。

（2）盾构隧道掘进过程中，拱顶、拱底和左右拱腰处的动水压随掘进距离的变化趋势大致相同，在量值上，拱底动水压最大，其次是左右拱腰，拱顶最小。

（3）针对本工程平均水位29.69 m，给出建议注浆压力：岸上区域1（0～450 m）拱顶、拱腰和拱底注浆压力分别为0.12～0.125 MPa、0.15～0.16 MPa和0.175～0.2 MPa；水下区域（450～1 200 m）拱顶、拱腰和拱底注浆压力分别为0.15～0.155 MPa、0.185～0.195 MPa和0.19～0.23 MPa；岸上区域2（1 200～1 680 m）拱顶、拱腰和拱底注浆压力分别为0.12～0.145 MPa、0.15～0.18 MPa和0.18～0.22 MPa。