盾构施工中隧道地层位移与土压力研究

兰 宇/LAN Yu

（广东华隧建设股份有限公司，广东 广州 530300）

现代城市的各种地下交通和设施越来越复杂，若在市区进行明挖隧道施工，会对居民生活造成严重影响，采用盾构法施工隧道具有很大的优点。盾构法施工时采取地层与衬砌结构相结合的方式进行施工，随着盾构的推进，在管片和土体之间会出现空隙，为了对这些空隙进行填充，必须在盾构空隙处注入浆体，刚注入的浆体还是流体，随着时间的推移不断固化，力学性质也随之发生变化，从而对地层位移和衬砌土压力造成一定的影响。以下探究注浆体固化过程对土压力和地层位移造成的影响。

1 盾构壁后注浆体的力学性质

由于盾构施工过程中测试条件的限制及各种外界因素的影响，注浆体的力学性能很难直接进行现场测试，要想通过实验模拟现场施工过程，同时观察随着施工进行注浆体的力学性质还不能实现。因此，对于这个问题的探究只能通过室内试验来进行研究。根据注浆体的特征，凝固过程主要是水与水泥反应从而使得注浆体的强度逐渐增加，所以室内试验可采用无侧向抗压实验进行探究，笔者以参与的某工程实例进行研究。工程中采用盾构刀盘直径、管片外径分别为6.280m、6.0m，这样施工过程中当管片脱离盾尾后，管片与洞壁之间会出现大约0.14m的空隙，即可进行注浆体的灌注，在工程中具体施工方式为同步注浆方式。浆液的成分与配比：砂875kg、水泥180kg、膨润土37kg、粉煤灰310kg、水310kg。试验中采用的浆液试样高度为H＝8cm，D＝3.91cm，对不同龄期浆体的应力-应变关系进行拟合可以得出经过8h、24h及28d浆体的弹性模量分别为0.9MPa、4MPa、400MPa。

2 有限元模拟盾尾注浆体的处理

2.1 盾构注浆过程的非线性有限元模型

在地下隧道施工中，由于岩土结构体的应力-应变关系的非线性及边界条件的复杂性，对此类问题采用微分方程比较困难，因此在多数情况下都采用灵活、通用的有限元分析法。这种方法即适用于复杂的边界问题，又能反映材料的不均匀性。同时由于隧道施工过程属于长形结构，因此盾尾注浆对隧道土压力和位移的影响问题，可以采用二维有限元进行模拟。本文计算中采用ADINA通用商业有限元软件，同时采用的是程序中自带的Mohr-Coulomb弹塑性模型。

2.2 有限元模拟盾尾注浆体的处理方法

由于注浆过程的复杂性和特殊性，因此在采用有限元法进行模拟时，做了以下几点近似：第一，注浆厚度小于盾尾空隙的理论值；第二，将浆体看作是变刚体。对于变刚体也进行了近似化处理，将其看作是弹性材料。基于此，变刚体的参数通常取厚度、弹性模量及泊松比。厚度通常按下式计算：

上式中，Δ、η分别表示盾尾空隙的理论值及折减系数。折减系数对于不同土质取值不同，通常在0.7～1.5，对于硬土层，取0.7，对于极软的土层，取1.5。弹性模量的取值要结合具体工程施工中洞周释放荷载考虑，由于变刚体的组成主要包括水泥、砂及粉煤灰，同时泊松比的取值范围比较小，因此参考水泥土的泊松比，取值为0.2。

3 隧道地层位移与土压力变化规律

某工程土压平衡式盾构直径6.28m，管片外径、厚度、宽度分别为6.0m、0.3m、1.2m。施工时采用混凝土的标号为C50，采用同步注浆方式，施工开挖场地的土层分别为素填土、粉质粘土、砂土、全风化花岗岩。注浆组成配比如前所示，隧道深埋15m，计算时采用有限元分析法的Mohr-Coulomb弹塑性模型，衬砌材料为钢筋混凝土，泊松比为0.17，折减系数为0.6，衬砌的弹性模量为20.7GPa。

在用有限元法进行模拟分析时，土层计算深度为40m，水平方向的计算宽度为60m，分4个阶段进行模拟：第一，开挖阶段；第二，注浆和盾尾管片脱开阶段；第三，短期固化阶段；第四，长期固化阶段。计算结果如图1、图2所示。

根据图1、图2可知，在同一水平面，位置不同的地方隧道地层竖向位移数值不同，隧道顶部最大，距离隧道轴线越远的地方越小，距离地表越深的位置越小；同时任何深度的竖向位移都不是固定的，而是随着施工过程增加，其中第二阶段竖直方向位移增加的幅度最大，随后增幅逐渐减小。

根据计算结果可知，衬砌上竖直方向和侧向土压力随着施工过程的进行持续不断增加，在施工的前两个阶段，地应力、衬砌竖向和侧向土压力值都比较小，随着时间的推移，逐渐进入固化阶段，此时地应力、竖向和侧向的土压力都逐渐增加，但并不是等值分布。不同位置处压力大小不同，对于竖向地层压力来说，顶部压力值大于水平直径处；对于侧向土压力，顶部和底部压力值小于水平直径处。

图1 隧道顶上方土层的竖向位移

图2 隧道水平直径处地层水平位移分布

4 各种计算方法的比较

现阶段盾构施工数值模拟中对于注浆体的考虑通常有以下2种：第一，作为弹性等刚体考虑，忽略施工过程注浆体力学性质的变化情况；第二，完全忽略注浆体的影响，认定隧道壁面土体产生径向相等的位移，并且位移大小与盾尾空隙相等。下面笔者对上述2种方法及本文中提到的将注浆体作为变刚体的计算结果进行比较，并和实际地表沉降测量值进行比较。

第一种计算方法是将注浆体作为弹性等刚体考虑，因此注浆体的弹模为400MPa，泊松为0.2；

第二种计算法完全忽略注浆体的影响，因此将注浆体的弹模设为5kPa，泊松比取0.2；

第三种计算方法为本文将注浆体作为变刚体处理，参数与前面实验数据相同。

采用有限元分析法计算结果如图3、图4所示，A、B、C分别表示上述3种方法。

图3 不同计算方法的地表沉降与实测值结果

图4 不同计算方法衬砌上土压力分布

根据图3结果可知，前2种方法计算出的地表沉降和实测值之间存在较大误差，而本文提出的将注浆体看作变刚体的方法与实测值比较接近；根据图4可知，B方法的计算结果小于A、C方法，若将注浆体作为弹性等刚体考虑，则施工时弹模相对较大，衬砌不易发生变形，因此竖向和侧向压力的差值变化较小；若将注浆体作为变刚体考虑，与弹性等刚体相比，衬砌的竖向土压力变小而侧向土压力增加，这样就导致竖向和侧向的土压力呈现比较均匀的分布状态。

5 结 语

综上所述，以往采用盾构隧道法施工时，很少考虑施工过程注浆体随施工过程固化对位移和土压力造成的影响。笔者根据参与的工程实例，结合现场实际情况，提出了弹性变刚体模型，采用有限元分析法模拟盾构隧道法的施工过程，分析了随着施工过程的进行，注浆体力学性质的变化对地层位移和衬砌压力的大小、分布的变化规律，并对不同计算方法进行了比较探讨，希望能对同仁起到一定的借鉴作用。

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