某水利工程引水隧洞EPB盾构施工注浆压力与地表沉降关系研究

杨柏超，张 超

(1.深圳市鹏城水务技术有限公司，广东 深圳 518000；2.深圳市水务工程检测有限公司，广东 深圳 518000)

0 前 言

EPB盾构施工方法在隧洞施工中广泛采用，且施工效果良好，正逐步取代其它诸如泥水平衡盾构施工方法而在施工中占据主导地位。郭彩霞等通过提出对土压平衡盾构机的关键部件进行改进，实现了EPB在无水全断面卵漂石地层中的顺利施工掘进，为该类地层中进行隧洞施工时对土压平衡盾构的选型和改造提供了借鉴[1-2]。彭磊等针对砾砂地层中EPB盾构机遇到的刀盘及其它旋转部件的磨损严重问题以及掌子面易出现冒顶塌方的想象，提出采用改良泡沫剂配合掘进施工的方法加以解决，并成功开发出了一种改良泡沫剂，在北京地铁16号线的施工中应用，证明了其提出的方法和开发的泡沫剂能够有效解决上述问题，为该类地层中的EPB盾构机的高效率掘进施工提供了极大帮助[3-4]。王英学等认识到刀盘形式一定程度上会影响施工掘进时的地表沉降，因此开展了圆弧和直角刀盘两种盾构机形式掘进施工的FLAC3D数值模拟，分析了两种刀盘形式下盾构机掘进的地层沉降差异，并提出了两种刀盘形式对地表沉降的影响系数，数值结果与其提出的影响系数一致[5-6]。蔡兵华等针对土压平衡盾构在红黏土掘进时遇到的各种特殊问题，研制了一种由两种表面活性剂和添加剂配置成的改良添加剂用于一工程实例中，有效的解决了土压平衡盾构在红黏土中掘进时所遇到的复杂问题[7-9]。江玉生等为加强EPB掘进时的风险管控，设计并研发出一套风险监控管理系统，实现盾构施工掘进过程中各参数变化时的超限报警，为盾构施工中的掘进参数的精细控制提供了实现方法[10-11]。

文章通过隧洞施工中将勘测资料中获得的土层各个参数在Plaxis3D中进行建模赋值，并通过设计盾构开挖步骤模拟，研究盾构机不同注浆压力下，掘进过程中的地表沉降状况，为大直径盾构隧道在类似地层中的掘进施工盾尾同步注浆压力的设置提供了参考。

1 工程地质

某水利工程引水隧洞全长24.488km，如图1所示，据勘测资料揭示，主要穿越地层上层为砂土，中间层为黏土，最下层为坚硬砂土，各土层的物理力学参数如表1所示。设计埋深13.5m，掘进过程中，拟采用两种同步注浆压力，但是两种同步注浆压力对预防地表沉降的效果尚不清楚，文章对两种注浆压力条件下的地表沉降进行数值计算分析。

图1 盾构掘进土层

表1 各土层相关试验计算参数

2 Plaxis3D软件

PLAXIS3D是基于有限元法的得到了国际上学术界和工程界长期的验证和考核的三维数值软件，PLAXIS3D中由于复杂的土体和结构可以定义为两种不同的模式，分别是土体模型和结构模型，施工顺序模式可以对施工过程和开挖过程进行真实模拟，应用于地铁盾构施工的相关模拟具有可靠优势。

3 构建岸坡模型

依据实际地层特征，进行建模分析，所构建模型如图2所示，按照表1中所示各个土层参数对Plaxis3D中的各土层材料进行赋值，并增加结构材料混凝土，其物理力学参数有弹性模量1e6kPa，泊松比为0.1，重度29kN·(m3)-1，设置其为弹性模型。

图2 引水隧洞盾构施工模型

4 模拟结果

下面主要通过对两种注浆压力下的地表沉降位移的分析比较，获得地表沉降与注浆压力之间的关系。

4.1 注浆压力为100bar时

图3所示是设置盾尾注浆压力为100bar时，盾构掘进过程中的上方土体Z方向位移变化云图，由图中可知，上方土体最大沉降位移为3.8cm左右，小于该地层掘进的地表位移控制值5cm，满足施工要求，且最大位移值主要分布于隧道顶部，由顶部位置向上层地层延伸逐渐变小，在地表的沉降值约为2.3cm，同样满足规范规定的地表沉降位移控制要求。

图3 注浆压力为100bar时的地表沉降

图4 注浆压力为100bar时的总位移

图4所示是设置盾尾注浆压力为100bar时，盾构掘进过程中的上方土体总的位移变化云图，由图中可知，上方土体最大的总位移为3.6cm左右，小于该地层掘进的总位移控制值5cm，满足施工要求，且最大的总位移值主要分布于隧道顶部，由顶部位置向上层地层延伸逐渐变小，在地表的总的位移值约为2.0cm，同样满足规范规定的地表沉降位移控制要求。

4.2 注浆压力为50bar时

图5所示是设置盾尾注浆压力为50bar时，盾构掘进过程中的上方土体Z方向位移变化云图，由图中可知，上方土体最大沉降位移为7.2cm左右，大于该地层掘进的地表位移控制值5cm，不满足施工要求，且最大位移值主要分布于隧道顶部，由顶部位置向上层地层延伸逐渐变小，在地表的沉降值约为5.2cm，同样大于规范规定的地表沉降位移控制要求，不满足施工控制要求。

图5 注浆压力为50bar时的地表沉降

图6 注浆压力为50bar时的总位移

图6所示是设置盾尾注浆压力为50bar时，盾构掘进过程中的上方土体总的位移变化云图，由图中可知，上方土体最大的总位移为7.2cm左右，大于该地层掘进的总位移控制值5cm，不满足施工要求，且最大的总位移值主要分布于隧道顶部，由顶部位置向上层地层延伸逐渐变小，在地表的总的位移值约为5.2cm，同样不满足规范规定的地表沉降位移控制要求，不满足施工控制要求。

5 结 论

1)地表总沉降位移随着盾尾注浆压力的增大而相应减小，地表Z方向沉降位移随着盾尾注浆压力的较小而相应增大。

2)盾尾注浆压力为50bar时，盾构掘进过程中的上方土体Z方向沉降位移和总的位移超过规范规定的地表沉降位移，不满足施工控制要求。

3)盾尾注浆压力为100bar时，盾构掘进过程中的上方土体总的位移和Z方向沉降位移在规范规定的地表沉降位移之内，建议在该地层中进行掘进时采用100bar的注浆压力。