盾构掘进速度与建筑物基础注浆加固对地表沉降与孔压变化影响的研究

周东伟，张远荣

(1.成都铁路局，四川成都 610081;2.中国铁道科学研究院深圳研究设计院，广东深圳 518034)

1 工程情况

深圳地铁2号线模拟计算段场地原属于海漫滩地貌，后填海形成陆地，计算区间砂层深厚，地下水丰富，场地内地下水主要有松散土层孔隙潜水及基岩裂隙水。

建立如图1所示盾构过富水砂层流—固耦合计算模型，模型宽×长×高为100 m×90 m×32 m。

本文模拟计算时各土层力学参数取值见表1。

2 流—固耦合相互作用计算流程

土体流—固耦合计算包括土体力学计算与渗流固结计算两部分，土体力学计算运用了有效应力的土体平衡方程和土体本构关系，渗流固结计算运用了孔隙水的渗流固结协调方程和孔隙水渗流连续方程。土体流—固耦合数值模拟计算模型和流程见图1和图2。

图1 盾构过富水砂层流—固耦合计算模型

图2 土体流—固耦合数值模拟计算流程示意

3 盾构掘进速度及建筑物基础注浆加固对地表沉降与孔压变化影响的模拟研究

3.1 概述

为了描述隧道掘进过程中和开挖后场地变形和孔压变化特征，在流—固耦合数值模拟计算模型上设定沉降和孔压记录观测点，观测点的位置和编号如图3。

3.2 盾构掘进速度对建筑物基础沉降与孔压变化的影响分析

为了研究盾构机在富水砂层中掘进速度对地表建筑物基础沉降与孔压变化的规律，本文以深圳地铁2号线2205标盾构在富水砂层中的实际施工速度作为正常掘进速度(以下简称常速掘进)，人为地设置比正常掘进速度慢一半的掘进速度(以下简称慢速掘进)及比正常掘进速度快一倍的掘进速度(以下简称快速掘进)两种情况，通过流—固耦合数值模拟计算，分析了在富水砂层中盾构掘进速度对地表建筑物基础沉降与孔压变化的影响，为在富水砂层中进行盾构施工选用何种掘进速度提供参考。

表1 模拟计算时各土层力学参数

图3 计算模型沉降与孔压观测点分布示意(单位:m)

快速掘进、正常掘进和慢速掘进隧道开挖后Y=45 m处横剖面竖向位移等值线图分别如图4、图5和图6所示。从以上图形中看出，开挖速度越快，基础下方土体沉降越小，基础横向两侧地表隆起值也越小。

图4 快速掘进后竖向位移三维等值线

图5 常速掘进后竖向位移三维等值线

如图7所示，横向上在离隧道中心一倍埋深位置以外地表竖向位移值几乎为零，即横向上在离隧道中心一倍埋深位置以外盾构掘进速度对地表建筑物基础竖向位移影响很少。

如图8所示，从隧道中轴线的纵剖面来看，三种掘进速度造成基础纵向沉降规律相似，其中慢速掘进产生的沉降值最大，快速掘进最小，常速掘进居于两者之间。基础沉降值越大其两侧土体隆起值越大，由于基础纵向两侧土体在隧道正上方，受隧道开挖扰动影响产生的沉降值大于因基础沉降引起的隆起值。

三种掘进速度工况下基础下方的孔压变化如图9所示，慢速掘进时土仓排水总量较大，基础下方土体屈服破坏程度较高，导致局部孔隙压力上升较大。在横向距隧道一倍埋深后孔压的恢复趋向一致。

图7 三种工况下Y=45 m处横剖面上地表沉降分布

图8 三种工况下X=0处纵剖面上地表沉降分布

3.3 建筑物基础注浆加固对基础沉降与孔压变化的影响分析

计算模型建筑物地基加固注浆范围如图10所示。注浆范围在隧道纵向长18 m、横向宽12 m，深度8 m，模拟计算时对注浆加固后土体弹性模量采用7.5 GPa，泊松比为 0.25。

图9 三种工况下Y=45 m处横剖面地下4 m孔压分布

地基注浆工况下隧道开挖后模型横向、纵向和竖向位移三维等值线图如图11、图12及图13所示。

地基注浆与未注浆情况下，基础中心地表横剖面与纵剖面沉降如图14和图15所示。与未注浆情况相比，地基注浆后基础最大沉降减小60%左右，注浆体地表各点沉降值相近。注浆体外侧地表有小幅度的隆起，隆起值比地基未注浆加固时小，地基注浆加固对远处地表竖向沉降影响较小。

图10 建筑物地基注浆加固示意

图11 地基注浆工况下隧道开挖后模型横向位移三维等值线

图12 地基注浆工况下隧道开挖后模型纵向位移三维等值线

图13 地基注浆工况下隧道开挖后模型竖向位移三维等值线

图14 基础中心横剖面地表横向沉降分布

图15 基础中心纵剖面地表纵向位移分布

在纵向上，地基注浆加固后，基础沉降最大值＜10 mm。与地基未注浆加固前对比，基础地表沉降值下降幅度较大。注浆后注浆体两侧土体地表的沉降值比注浆前大。

如图16所示，地基注浆加固后，加固区土体孔压渗透系数降低，盾构开挖对加固区孔压的影响减弱。

图16 Y=45 m处横剖面上地下4 m(Z=12 m)的孔压分布

4 结论

本文以深圳地铁2号线某段富水砂层为例，建立隧道盾构掘进三维仿真计算模型，考虑水土流—固耦合相互作用，采用有效应力法进行数值模拟计算。研究了盾构三种不同掘进速度、建筑物基础注浆加固与未注浆加固等不同施工条件与施工参数对环境影响的变化规律。取得了一些新的认识和具有指导施工意义的结论如下:

1)富水砂层盾构在快速掘进、正常掘进及慢速掘进时，对地表建筑物基础所产生的沉降与孔压变化的影响研究表明:三种掘进速度造成基础纵向沉降规律相似，其中慢速掘进产生的沉降值最大，快速掘进最小，正常掘进居于两者之间;三种掘进速度情况下基础下方的孔压变化趋势相同。为减少盾构开挖对建筑物基础沉降的影响，尽量加快盾构掘进的施工速度。

2)在建筑物基础注浆加固与未注浆加固时，盾构掘进对地表建筑物基础所产生的沉降与孔压变化的影响研究表明:建筑物基础注浆加固对减少基础沉降的作用明显，与基础未注浆加固相比，其沉降减小了55%左右。地基注浆加固前后，在注浆体范围内盾构开挖引起的孔压差异较大，地基注浆加固前孔压下降较大，加固后孔压下降较小。为减少盾构开挖对建筑物基础沉降的影响，尽可能在建筑物基础下方进行注浆加固处理。

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