输水隧洞盾构穿越河谷段管片壁后注浆数值模拟研究

王 萍

(桓仁县水务局，辽宁 本溪 117022)

1 工程背景

辽宁省某重点输水工程是为了有效解决辽宁省西北部地区严重缺水现状而投资兴建的大型跨流域输调水工程，也是辽宁省构建“东水济西”输调水计划中北线的骨干性工程。该工程包括长度1 208.18 km 的隧洞和管线[1]。其中，输水隧洞长度532.55 km，输水管线长度675.63 km，可以将优质地表水全程自流输送到辽西北地区的6市27个县区，设计年输水量为20.75亿m3，受益人口1130万人。结合工程地质情况，在输水隧洞施工中采用TBM和钻爆法相结合的施工工艺。由于该工程输水隧洞的洞线长、围岩地质构造十分复杂且埋藏深度不一，最大埋深达到1100 m，穿越河谷地段的埋深仅有30～70 m。

该工程输水隧洞二标段穿越某河谷地段TBM施工采用D3400预制钢筋混凝土管片+二次衬砌结构。上部处于河谷冲淤积地带，埋藏深度为30～40 m，上部覆盖层比较复杂，自上而下分别为第四系全新统冲、洪积层和上第三系中新统弱胶结黏土岩、强风化到中风化泥质细粉质砂岩，地下水主要是上层滞水、孔隙承压水以及基岩裂隙水。由于该施工段上部存在重要的交通干线和建筑群，因此不仅要保证施工安全，还需要控制好施工过程中的地表沉降[2]。显然，在地下洞室工程盾构施工过程中，管片壁后注浆是控制地表沉降最为有效的方法，而管片壁后注浆的地表沉降控制效果也受到多方面因素的影响[3]。基于此，此次研究通过数值模拟的方式，探讨施工参数对管片壁后注浆效果的影响，以便对工程施工提供有益的支持和借鉴。

2 FLAC3D有限元模型

FLAC3D是美国ITASCA公司开发的一款三维有限元分析软件，该软件已经被广泛应用于各种岩土工程力学分析[4]。基于此，此次研究选择FLAC3D软件进行计算模型的构建。

2.1 模型的构建

由于背景工程的范围相对较大，此次研究仅针对穿越某河谷段的S1+203～S1+309段进行数值模拟计算。根据背景工程的勘察设计资料，取12个盾构开挖步进行FLAC3D计算模型的构建。模型的宽度为30 m、高60 m、长60 m。对构建的几何模型利用六面体网格进行网格单元剖分，混凝土管片采用实体单元，整个模型共划分为78 224个 计算单元，81 223个网格节点[5]。

2.2 边界条件与计算参数

计算过程中的本构模型采用弹塑性本构模型，盾构隧洞周围的岩土体材料定义为D-P弹塑性模型[6]。该模型的屈服准则和摩尔-库伦准则比较接近，其屈服面不会随着岩土体材料的逐渐屈服而改变，因此其塑性行为可以假定为理想的弹塑性。结合研究的目的和需要，对构建的计算模型施加位移约束条件[7]。其中，模型的底部施加全位移约束条件，模型的侧面施加水平位移条件，模型的上部为自由边界条件。

模型材料的物理力学参数对计算结果的科学性和准确性存在显著影响，在研究中根据现场采样分析，同时结合相关的工程实践经验，确定如表1所示的模型材料物理力学参数[8]。

表1 模型材料物理力学参数

2.3 计算方案

在地下洞室工程盾构施工过程中，经常需要采用壁后同步注浆的方式填充盾尾的孔隙，由于注浆材料注入该部位的孔隙之后，就会受到上覆岩土体的压缩作用，进而影响到隧洞周围岩土体的变形。当然，壁后注浆对施工区的地表沉降变形的控制效果的影响因素是多方面的，其中设计施工技术且容易有效调整的是注浆压力、注浆厚度以及注浆时间。基于此，此次研究中设置上述三个参数的不同水平值进行模拟计算。结合相关研究成果，设计1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa和3.0 MPa等5个不同注浆压力水平值；设计注浆及时(施加管片后随即注浆)和不及时注浆(施加下一循环管片后对上一循环管片进行注浆)；设计5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm和40 cm等8种不同的注浆厚度进行模拟计算，以获得最佳注浆施工参数组合。

3 计算结果与分析

3.1 注浆压力

固定注浆厚度20 cm、及时注浆两个参数不变，对不同注浆压力下的6个循环之后的地表沉降变形进行模拟计算，从模拟计算结果中提取S1+203典型断面的沉降变形量，结果如表2所示。由表中的结果可以看出，随着注浆压力的增大，沉降变形量呈现出逐渐减小的变化特征，当注浆压力达到3.0 MPa时，与隧道中线距离较远的部位出现了隆起趋势。从隧道中心点部位的沉降变形量来看，当注浆压力达到2.0 MPa后，沉降变形量随注浆压力增大而减小的幅度极为有限。由此可见，注浆压力大于2.0 MPa后，提高注浆压力对地表沉降的影响不大，而大于3.0 MPa后，隧道中线部位的地表沉降量反而有所增大。由此可见，对背景工程而言，注浆压力应该设定为2.0 MPa。

表2 不同注浆压力地表沉降量计算结果

3.2 注浆时间

研究中固定2.0 MPa的注浆压力和20 cm的注浆厚度不变，对注浆及时和注浆不及时两种方案下的地表沉降变形进行模拟计算，从模拟计算结果中提取S1+203典型断面的沉降变形量，绘制出如图1所示的不同注浆时间下的地表沉降曲线。由图可以看出，在不同注浆时间方案下，典型断面的地表沉降曲线的变化特征基本一致，主要是沿着轴线方向向两侧逐渐减小，在距离超过18 m之后逐渐趋于稳定。两种方案的计算结果相比，不及时注浆的地表沉降变形量明显偏大，两者之间的最大差值出现在隧道中线部位，达到了7.2 mm。因此，不及时注浆对隧洞上部岩土体的扰动和周边地表建筑的影响相对较大，在注浆施工过程中应该尽量做到及时注浆。

图1 不同注浆时间下的地表沉降曲线

3.3 注浆厚度

在盾构施工掘进过程中，进行盾尾同步注浆以有效填充管片与周围土层之间的孔隙，可以有效阻止土层的向下移动，从而控制地表的沉降变形。因此，注浆的饱满度直接影响上方土体的位移变形情况，如果注浆填充的厚度较小，仅能阻止土体的部分沉降变形，如果填充量较大，则会造成上方土体的隆起。因此，确定合理的注浆厚度尤为重要。利用构建的数值计算模型，在保持2.0 MPa注浆压力、及时注浆的条件下，对不同注浆厚度方案下的地表沉降量进行计算，并从计算结果中提取出最大沉降量，绘制出如图2所示的最大沉降量随注浆厚度变化曲线。由图可知，地表最大沉降量随注浆厚度的增加而减小，但是减小的幅度也逐渐降低。当注浆厚度小于25 cm时，沉降量的减小幅度相对较大，当注浆厚度大于25 cm 时，沉降量的减小幅度较为有限。因此，结合计算结果和工程的经济性，其最佳注浆厚度应为25 cm。

图2 不同注浆厚度地表沉降曲线

4 结 论

(1)注浆压力大于2.0 MPa后，提高注浆压力对地表沉降的影响不大，而大于3.0 MPa后，隧道中线部位的地表沉降量反而有所增大，因此注浆压力应该设定为2.0 MPa。

(2)不及时注浆与及时注浆相比地表沉降变形量明显偏大，对隧洞上部岩土体的扰动和周边地表建筑的影响相对较大，因此在注浆施工过程中应该尽量做到及时注浆。

(3)地表最大沉降量随注浆厚度的增加而降低，但是减小的幅度也逐渐减小，结合计算结果和工程的经济性，其最佳注浆厚度应为25 cm。

(4)综合计算结果，建议在施工中采用2.0 MPa的注浆压力，25 cm的注浆厚度和及时注浆的施工模式。