盾构同步注浆量对地层变形的影响

林杰明，林世达

（中铁东方国际集团马来西亚公司,马来西亚吉隆坡 58100）

0 引言

地铁建设中广泛采用的盾构法，因盾尾间隙的存在，易引起地层的进一步沉降。为控制变形，一般采用同步注浆，对盾构管片外侧空间进行补强。

注浆量是影响注浆效果最重要的因素之一。以长沙市地铁4号线碧沙湖-黄土岭区间隧道为例，应用有限元分析软件ABAQUS，研究注浆量与地表沉降的关系。基于张云等提出的等代层[1]概念，将注浆区域理想化为等厚的等代层（包括盾尾间隙与浆液进入地层的部分），整圆周注浆，通过控制等代层厚度及其相关参数，模拟盾构施工过程中注浆前后地层的变化。

1 工程概况

长沙市地铁4号线碧沙湖-黄土岭区间内设计采用盾构法施工，管片外径6 m、厚0.3 m，使用C50混凝土。一般深埋区段的地层卸载拱效应明显，地表沉降较小，而较浅埋深区段有更大的地表沉降风险。以区间右线的最浅埋深横断面（图1）为例进行分析。

2 模型建立

在有限元分析软件ABAQUS中建立区间右线最小埋深处横断面二维模型，以等代层厚度作为自变量，分别为0 cm（不注浆），10 cm，20 cm，30 cm，40 cm，50 cm和 60 cm。将模型的地层范围由隧道水平端点向两侧延伸15 m，由隧道底部向下延伸15 m，模型平面尺寸为（36×30.55）m。

图1 区间右线最浅埋深断面地层

地层采用摩尔库仑模型，按表1赋予相关参数，表1中粘聚力的2个数值，分别对应场1、场3的参数；内摩擦角的2个数值，分别对应场1、场3的参数；变形模量的2个数，分别对应场2、场1的数据。土体饱和密度按天然密度计，考虑为平面应变单元。

表1 区间右线最小埋深处岩土参数

地层模型分为周围土体、待开挖土体与等代层。对待开挖土体设置场1，2，等代层为场1，3。场1中，土体参数与周围土体一致；场2将土体变形模量削减30%，模拟刀盘对掌子面的削弱；场3模拟注浆后等代层粘聚力、内摩擦角、变形模量值的改变。

衬砌采用弹性模型，根据规范[2]取密度2500 kg/m3，弹性模量3.45×104MPa，泊松比0.2，考虑为梁单元。

参照张友葩[3]的推导，在不考虑浆液水化与水解的影响时，注浆体的粘聚力c及内摩擦角Φ满足公式（1）。

式（1）中，Φag为注浆体内摩擦角,Φg为浆液内摩擦角，根据工程经验取30°；Φs为原土体内摩擦角，η为浆液注入率，一般取 130%～180%[4]，这里取 150%；cag为注浆体粘聚力；cg为浆液粘聚力，根据工程经验取100 kPa；cs为原土体粘聚力。注浆后，变形模量E0按提高40%计；等代层的场3参数取表1分号后的值。

定义a～e为5个分析步模拟盾构施工过程：a.实现地应力平衡；b.实现待开挖土体场1到场2的转化；c.激活衬砌单元，模拟管片安装；d.实现等代层场1到场3的转化；e.冻结待开挖土体单元，模拟地层开挖。同时约束模型两侧的水平位移与底部的竖向位移，对模型整体施加重力荷载，其中衬砌荷载在c步激活。

3 结果分析

由ABAQUS计算结果得施工流程结束时的地层变形云图如图2所示。由软件结果可知在不注浆情况下，地层最大沉降发生于拱顶，为5.72 cm；最大隆起发生在拱底，为1.26 cm；地表中心点沉降为4.41 cm，超出规范[5]限制的3 cm；地表最大隆起为0.21 cm，未超限。

图2 不同等代层厚度的地层变形

在等代层厚度为（10～60）cm时，随着等代层厚度增加，地层沉降区域缩小；地层隆起区域扩大，并有在地表延伸趋势。

根据图3，随等代层厚度增加，地表中心点沉降与拱顶沉降减小。当等代层厚20 cm时，地表中心沉降为2.95 cm，低于规范[5]限值；地表隆起逐渐增大，当等代层厚60 cm时，地表隆起值接近拱底隆起值，拱底隆起值全程变化不大。这可能是由于拱底位于中风化泥质粉砂岩地层，地层本身变形模量较大，当浆液填满盾尾间隙后，已基本形成稳定结构，能抵抗较大变形，并将应力传递到邻近地层区域。

图3 不同等代层厚度下的地层变形值变化曲线

图4 横坐标单位长度以均分模型地表线确定，对应实际的1.1 m。无论注浆多少，地表最大沉降均发生于中心点,距中心点约10个单位长度距离，地表变形值接近0，形成“稳定线”，其两侧地层变形方向相反。

4 结论

（1）同步注浆在控制地层沉降上具有明显效果。随着注浆量增加，地层沉降区域缩小，沉降值减小；但当注浆量超过一定范围之后，其值增加反而会导致地层隆起区域的扩大和隆起值增大。

（2）本案例适用的地质条件，当注浆厚度达到20 cm时，已能将地表沉降控制在规范[5]允许的范围内。从经济及安全角度考虑，建议将此种情况下注浆厚度设置为（20～30）cm。

图4 不同等代层厚度下的地表沉降曲线

（3）本案例适用的地质条件，隧道结构下部地层地质较好，注浆厚度达10 cm后拱底隆起基本不变。故对此类地层，在填充盾尾间隙的基础上，少量注浆稳定即可。当注浆量过大时，可能给地层带来较大应力，并传导到地表。从安全角度考虑，不宜过多注浆。实践中，应紧密结合监控量测数据，反馈模型修正及指导现场施工。