地面深孔注浆范围对盾构地铁隧道开挖的影响研究

吴 冬，张 乾

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

在城市中修建地铁时，出于方便乘客使用的目的，其线路多沿人口密集区进行敷设。而人口密集区一般高楼林立，地下管线密集，当地铁盾构在地下穿行时，稍不注意，其引起的地面沉降就会对周边建筑的安全造成威胁。为了降低地面沉降带来的风险，常使用地面深孔注浆方式对土体进行加固。在这种情况下，如何在保证安全的前提下，提高经济效益，即研究出合理的注浆加固范围，就变得极为有意义。

在注浆加固范围方面，国内已经有一些学者做了相关研究。李璋[1]等针对西安地铁9号线某区段横通道风井施工中的注浆问题，采用二维有限元分析，探讨了注浆加固范围对地表沉降和侧向位移的影响。崔蓬勃[2]等针对膨胀围岩的施工问题，以秀山隧道为背景，研究了不同膨胀情况下最大的注浆加固范围，并对相应的支护力学特性进行了阐述。张明伟[3]等针对马蹄形深埋引水隧洞，利用数值分析方法，分析了不同注浆加固厚度情况下的围岩松动压力和边墙收敛值，得到了最佳的注浆加固厚度。王小林[4]针对西安地铁某线穿越饱和软黄土段，利用有限元数值模拟方式，研究了全断面注浆下不同注浆半径对围岩竖向位移的影响，确定了合理的注浆范围。许有俊[5]等以北京地铁4号线某车站上穿既有地铁隧道为背景，使用数值模拟方法，对既有隧道周围土体的注浆加固范围进行了研究，得到了合理的加固深度和高度。

已有的研究大多针对隧道开挖过程中的地面位移变化进行讨论，且部分使用二维有限元进行计算。本文通过三维有限元对盾构地铁隧道开挖过程中的土体及结构位移和支护力学特性变化进行分析，综合得到更为全面的开挖变化规律。

1 浅埋隧道数值模拟

1.1 模型建立

利用FLAC3D有限差分软件建立浅埋盾构地铁隧道模型，其中隧道外径为6 m，内径为5.4 m，衬砌厚度为0.3 m。为尽量降低边界对位移和应力求解的影响，设置隧道左右两侧土层宽度为两倍隧道宽度，即各12 m。地表即模型顶部距离隧道顶部为6 m，底部距离隧道底端也为6 m。因研究对象不涉及纵向位移，为了方便计算，纵向设置为8 m，模型总体尺寸为30 m(长)×18 m(高)×8 m(宽)(图1)。

图1 有限元计算模型

因模型为浅埋隧道，所以初始应力场仅考虑自重应力场。边界条件采用固定位移边界，固定模型的左右、前后及下边界位移，即x=-15m，x=15m，y=0m，y=8m，z=-9m五个面的位移。

1.2 计算参数及工况

计算时盾构隧道衬砌使用弹性本构，土层使用摩尔-库伦本构。本文主要探讨不同注浆深度下的开挖变化，因此不同工况的区别仅为地面深孔注浆层的厚度不同，各工况保证注浆宽度相同，注浆宽度范围为模型的x坐标从-5～5 m。工况共分为5组，1组为不注浆开挖，2～5组为注浆开挖，注浆深度范围为y=[4m,5m]，y=[4m,6m]，y=[4m,7m]，y=[4m,8m]。开挖工法为全断面开挖，每次纵向开挖2 m，开挖后以Step命令控制应力释放，然后安装衬砌。土层，衬砌，注浆层的参数见表1。

1.3 监测点布置

为尽量避免开挖引起的边界效应，选择监测断面位于模型纵向的中部，即y=4m处。在拱顶正上方地表处布置监测点，在此监测点左右两侧每2 m布置一个监测点，地表共计布

表1 计算参数

置11个监测点，监测地面沉降。同时在隧道的拱顶及拱底布置监测点监测拱顶下沉及仰拱抬升，在右拱腰处布置监测点监测收敛情况。

2 结果分析

2.1 深部土体沉降

五种工况下的土体最大沉降值分别为2.9 mm、1.39 mm、1.13 mm、1.09 mm、1.08 mm。对不同注浆深度下的土体沉降结果进行对比，可以发现随着注浆深度的增加，土体的最大沉降值在不断减小，从注浆深度为0 m时的2.9 mm下降到了注浆深度为4 m时的1.08 mm，下降比例超过50 %，说明注浆对降低土体沉降有着较为显著的作用。但是将注浆的四组工况和无注浆工况进行对比，其沉降降低量分别为1.51 mm、1.77 mm、1.81 mm和1.82 mm，下降趋势并不是特别显著。特别是工况五与工况四相比，沉降仅降低了1 mm。这一点从图2注浆深度为0 m、2 m、4 m时的土体沉降云图也可以看出来。注浆深度为2 m时的土体沉降云图相比无注浆时的云图，有很大的变化。浅层土体的沉降相对较均匀，且同一位置沉降也得到了较好的控制。但注浆深度为4 m时的云图和注浆深度为2 m时的云图相比，呈现出大致相同的分布特征，说明注浆深度的增加对沉降控制的作用在逐渐降低。

图2 注浆深度为0m、2m、4m时的土体沉降

2.2 监测点位移

将地表沉降、隧道位移变化情况绘制成图，结果如图3、图4所示。

图3 地表沉降分布

图4 盾构隧道不同位置的位移变化

从注浆前后的地表沉降分布图来看，注浆并未改变地表沉降的分布情况，地表沉降依旧服从越靠近隧道中线，其值越大的规律。但是从沉降分布曲线的分布规律来看，其呈现出和深部土体沉降分布情况相同的趋势，即随着注浆深度的增加，注浆对降低地表沉降的作用在逐渐降低。另外，随着注浆深度的增加，可以看到，地表不均匀沉降的现象得到了显著改善。

从隧道结构不同位置的位移变化情况来看，深孔注浆对抑制隧道拱顶沉降有较好的作用，但同样表现出注浆深度越大，抑制作用越不明显的趋势。而对于边墙和仰拱，地表注浆并未表现出较强的影响，由于拱顶沉降降低的影响，拱腰收敛略微加大。

2.3 支护结构受力

绘制不同工况下的支护结构最大主应力变化情况(图5)。

图5 支护结构最大主应力随注浆深度变化情况

由支护结构的最大主应力变化情况可以看出，当注浆深度过大或者过小时，均不利于支护受力，存在一个合理的注浆深度，使得支护结构处于一个较好的受力状态。

3 结论

通过对不同注浆深度下盾构隧道土体及结构位移和支护受力特性的分析，得到以下结论：

(1)地表深孔注浆对控制地表和拱顶沉降有较好的作用。

(2)当注浆深度过大时，注浆的作用开始变得不明显，且支护受力开始变得不利。