土仓压力及注浆压力对深埋盾构施工影响分析

张家齐

(华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南郑州 450046)

盾构是暗挖法修建隧道的大型综合性工具，有施工快速、安全、对周围环境影响小等优点，同时也会因施工过程不当造成事故。影响施工时隧道稳定性的因素有很多，其中施工所采用的土仓压力以及注浆压力对工程的安全性有着重要影响。通过选取不同的土仓压力及注浆压力，对施工过程进行数值模拟，为超大直径深埋隧道工程的土仓压力及注浆压力取值提供参考［1-8］。

1 工程概况

本节依托某盾构隧道。隧道外径15.2 m，管片厚度0.65 m，隧道拱顶距离地表35 m。模型Y轴负方向为重力方向，Z轴负方向为隧道开挖方向。沿线地基土主要由粘质粉土，粉质粘土和辉长岩组成。处理深度内地基土层自上而下为:①粘质粉土，厚约20 m;②粉质粘土，可塑，厚约34 m;③辉长岩，厚约11.4 m。土层具体计算参数见表1，其中压缩模量由室内实验获得。工况选取准则:通过普通盾构隧道的经验，对注浆压力及土仓压力取值，不断增大至数值模拟过程无法收敛。土仓压力及注浆压力取值如表2所示。

2 数值模拟

2.1 建立模型

模型采用D-P模型计算，考虑到模型边界的影响，取左右边界为盾构隧道外径的3倍，下边界为隧道外径的1倍，即隧道水平方向计算范围为106.4 m，下边界为15.2 m，竖向总高度65.4 m，隧道模拟掘进方向长50 m。施加的边界条件为:X方向左右两侧的约束，Z方向前后面方向的约束，Y方向下边界的约束，Y方向上边界为自由面。计算模型如图1所示。

表1 不同压力段下的土层参数

表2 土仓压力及注浆压力取值 MPa

图1 隧道模型示意图

2.2 结果处理

图2 ～图4分别为6个工况对应的云图，图5～图7为结果对比图。

图2 工况1~工况6地层位移云图

图3 工况1~工况6地表位移云图

如图2所示，从隧道开挖到隧道贯通的过程中，工况1～工况6条件下拱顶所产生的最大下沉量分别为10.5 cm，7.2 cm，5.7 cm，10.8 cm，6.6 cm，4.4 cm，拱底最大上隆量分别为4.2 cm，2.6 cm，2.5 cm，4.1 cm，2.5 cm，2.5 cm。

如图3所示，工况1～工况6条件下地表最大沉降量分别为4.0 cm，2.8 cm，2.2 cm，4.4 cm，3.2 cm，2.28 cm，最大上隆量分别为 0.02 cm，0.3 cm，0.54 cm，0.22 cm，0.49 cm，0.75 cm。

如图4所示，工况1～工况6条件下管片衬砌最大等效应力分别为 23.2 MPa，19.9 MPa，17.1 MPa，23.2 MPa，19.1 MPa，19.1MPa，最小等效应力分别为 0.9 MPa，1.2 MPa，1.67 MPa，0.83 MPa，0.72 MPa，1.48 MPa。

3 结果分析

图4 工况1~工况6管片Mises等效应力云图

图5 拱顶及拱底位移对比

图6 地表位移对比

图7 管片衬砌受力对比

通过云图以及对比图可以看出:1)注浆压力的增大大幅度的影响了隧道拱顶和拱底的下沉以及上隆，相比之下，土仓压力的增加影响程度相当的小;2)与隧道沉降相同，随着盾构机的推进，注浆压力的增加也大幅度的降低了开挖过程中地表产生的最大下沉，同时略微的增加了地表产生的最大上隆，而土仓压力的增大，则使得地表产生的最大下沉和最大上隆值都有一定程度的增加;3)管片衬砌方面，注浆压力的增大降低了管片所受最大应力，管片所受最小应力增加，土仓压力的增大对于管片衬砌的受力影响程度很小，尤其是注浆压力数值较小时，基本没有变化，而随着注浆压力的增大，管片所受最小应力会有一定幅度的减小，所受最大应力会有一定幅度的增大。最终可以得出土仓压力0.6 MPa，注浆压力为0.9 MPa，是适合此工程的工况取值。

4 结语

对于超大直径深埋盾构隧道，采用通常的土仓压力及注浆压力显然是不可取的，应根据实际工程，通过监控量测适当增大土仓压力和注浆压力，避免出现重大事故。此外，管片衬砌也要根据应力变化选择合适的材料，达到安全和成本的共赢。