下枕膨胀地层大直径泥水盾构隧道注浆层的作用

杨东海周子扬莫雁冰董方晏陈治宇

1.广西南崇铁路有限责任公司，南宁 530021；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都610031

岩土的膨胀性是指其体积随含水量的增减而胀缩的特性［1］，如果岩土的外部受到约束，将产生一种内应力即膨胀力［2］。盾构隧道在膨胀地层施工时将破坏周围地层造成更多裂隙，从而导致岩土体中的含水率改变，地层产生不规律的局部膨胀，对隧道结构产生额外的膨胀压力［3］。如何确定膨胀荷载作用下的结构响应，减小局部膨胀荷载对管片结构的不良影响，是膨胀性岩土地层下盾构隧道施工参数确定的关键。

在膨胀土研究方面。1972年Grob基于Huder与Amberg的研究提出了Huder-Amberg一维本构模型，并得到世界范围的认可与广泛使用［4-5］。Anagnostou［6］提出的膨胀岩土本构模型，考虑了渗流条件，可计算隧道不同部位随时间的膨胀变化。缪协兴等［7］从温度场出发，提出采用湿度应力场理论作为膨胀岩土的本构模型，给膨胀岩土本构关系的研究提供了关键性的思路。

王清州等［8］基于河北承德地区泥岩重塑土，对圆柱体试件进行轴向和环向的膨胀力测试，研究了膨胀力与土体干密度和含水率的关系。刘述丽等［9］通过对不同膨胀性试样进行强度试验，揭示了裂隙充分发展的强度指标随自由膨胀率变化的关系。吕海波等［10-11］对南宁地区膨胀土进行了三轴不固结不排水剪切试验，结果表明膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加而降低，并最终趋于稳定。

隧道工程膨胀地层研究方面，陈有亮等［12］基于Mohr-Coulomb强度准则，考虑围岩的膨胀应力与剪胀的共同作用，探究了膨胀应力及剪胀对围岩应力场和位移场的影响规律。方勇等［2-3，13］分别对局部膨胀、环状膨胀及下伏膨胀岩层引起的附加膨胀荷载进行理论推导得出对应计算公式，结合数值分析与现场测试分析了不同形式膨胀荷载作用下的结构受力。张艺腾等［14］采用温度场模拟膨胀黄土增湿产生的湿度应力场，分析了局部膨胀对隧道结构安全性的影响规律。

从现有研究中可以发现，在膨胀机理与膨胀岩土本构关系方面的理论研究已经较为成熟。现阶段隧道工程中对膨胀岩土的研究主要聚焦于围岩的变形和隧道结构受膨胀荷载影响方面，对于如何削减膨胀荷载的影响、保护结构安全方面的研究较为缺乏。据此，本文以新建南宁至崇左铁路留村隧道工程为依托，建立数值计算模型，通过热-力耦合温度场等效模拟湿度场变化产生的膨胀应力，分析注浆层厚度变化对地层膨胀作用的影响规律。

1 模型的建立

1.1 工程概况

留村隧道盾构段全长3 920 m，隧道洞身主要穿越中风化泥岩、粉砂质泥岩、中风化泥质粉砂岩、粉砂岩以及含黏性土圆砾地层。其中泥岩地层具有南宁地区的典型膨胀性质。

盾构隧道主体结构采用单层装配式管片衬砌。管片外径12.4 m，内径11.3 m，厚55 cm，幅宽2 m。管片结构采用C50高强度混凝土，全环分为9块，采用1+2+6的分块形式。隧道断面结构见图1。

图1 隧道断面

1.2 模型建立

选取隧道穿越南宁地区典型膨胀性泥岩地层的断面（DK6+140）作为计算断面。隧道上覆地层从上至下分别为素填土、粉质黏土、泥质粉砂岩、中风化泥岩以及泥质粉砂岩。隧道开挖面上部为泥质粉砂岩、下伏膨胀性的中风化泥岩地层。隧道埋深36.09 m，地下水位在地面以下9.03 m处。地质剖面见图2。

图2 地质剖面（单位：m）

采用FLAC 3D软件，根据断面地质剖面信息建立有限元计算模型。根据圣维南原理，模型边界距隧道的距离取隧道直径的3~4倍，模型尺寸为80.00 m×20.00 m×82.29 m。模型前后左右以及底面边界施加法向约束。假设岩土体为均质各向同性材料，使用摩尔库伦本构模型；衬砌、注浆圈视为弹性实体，采用胡克弹性本构模型。

以注浆层厚度0.10、0.15和0.20 m的情况分别建立计算模型。对于衬砌结构下部膨胀性泥岩地层考虑膨胀范围1 m及2 m的工况分别划分膨胀区域。数值模型如图3所示。

图3 数值模型

1.3 工况设置

根据地质勘测资料，隧道沿线区域中风化泥岩自由膨胀率δ在37%~71%，平均孔隙比为0.515。通过孔隙比可大致推算地层从干燥状态吸水至天然含水时的体积膨胀率δ0最大约为34%（岩土孔隙由水填充计算而来）。岩土吸水膨胀规律为

式中：ϑ为岩土体的体积膨胀率。

由式（1）计算得到ϑ的理想状态大致取值范围是3%~37%。

据此设计18组计算工况，具体内容为

1）在地层膨胀范围内取线膨胀率为3%、6%与9%。体积膨胀ϑ与线膨胀ε满足

由式（2）计算出膨胀地层的体积膨胀率为9.3%、19.1%与29.5%。

2）注浆圈厚度h取0.10、0.15、0.20 m。

3）隧道下部膨胀地层厚度H分别取1 m与2 m。

计算中膨胀岩土采用摩尔库伦本构模型，土体的膨胀应变用体积力来模拟［3］，在FLAC 3D软件中通过设置线性热膨胀系数αt与温差ΔT两个参数，控制岩土体的膨胀。计算公式为

考虑到膨胀岩土在吸水膨胀后会有软化效应，岩土体黏聚力、弹性模量和屈服强度指标都将有一定程度的衰减［15］。根据文献［9］可知，膨胀岩土体的黏聚力随着岩土体自由膨胀率的增大而减小，但是内摩擦角变化不大。由此引入公式

式中：C'为软化后的岩土黏聚力；C0为初始的岩土黏聚力。

根据弹性理论，室内测得的膨胀应力与膨胀应变的关系公式［13］为

式中：σp为膨胀应力，ν为膨胀土泊松比。

根据室内试验结果［16-17］，自由膨胀率在60%左右，线膨胀ε达到1%时将产生50 kPa左右的膨胀应力，带入式（5）中近似求得软化之后的岩土体弹性模量为3.75 MPa。泊松比在计算中视为常量。数值计算中材料参数见表1。

表1 材料参数

2 计算结果分析

2.1 位移监测结果分析

监测点布置见图4，分别提取各个工况中隧道中轴线-30~30 m内每5 m间隔的地表位移与隧道底部地层位移数据。选取注浆层厚0.1 m的工况进行分析。不同膨胀地层厚度与不同线膨胀率下地层位移分布见图5。

图4 监测点布置（单位：m）

图5 0.1 m厚注浆层工况地层位移分布

由图5可知：

1）对于隧道底部地层位移，在膨胀荷载的作用下，隧道中轴线产生向上的位移，管片结构底部有向上拱起的趋势。由于管片刚度远大于周围地层刚度，膨胀岩层应变向周围地层释放，此时靠近膨胀区域地层产生向下位移。随着膨胀应变的增大，监测点的位移变化规律相似，变形幅度随着膨胀性增强而同步增大；同时膨胀范围的扩大导致地层变形加剧。在ε=9%，H=2 m工况下位移达到最大，约2.5 mm，地层沉降与隆起变形位移差近3.5 mm。

2）对于地面沉降而言，在膨胀荷载的影响下地面整体处在向上隆起的状态，隆起幅度在隧道中轴线±5 m左右达到最大。随着膨胀率与膨胀范围的增大，地表位移明显增大，在ε=9%，H=2 m的工况达到最大，此时的地面隆起约1.8 mm。对于此工程来说，隧道埋深较大，土体局部膨胀产生的地面位移较小，可不作为施工设计的关键参数。

壁后注浆浆液能有效填充盾尾间隙，达到弥补地层损失的作用［18］。本文选取膨胀率为9%，膨胀地层厚度2 m作为计算工况，通过设置不同注浆层厚度，探讨壁后注浆对缓解地层变形的作用。

ε=9%，H=2 m工况不同注浆层厚度下地层位移分布见图6。当注浆层厚度较小时，随着注浆层厚度的增加能有效减小隧道周围地层的变形。当注浆层厚度从0.10 m增至0.15 m时，隧道底部中轴位置位移从2.37 mm降至0.87 mm，减小63.3%；地表位移在±5 m处削弱最大，最大减小约45.1%。注浆层厚度增至0.20 m时，地层变形缓解效果减弱。

图6 ε=9%，H=2 m工况不同注浆层厚度下地层位移分布

对于地表沉降的削弱同样如此，注浆层厚度从0.10 m增长至0.15 m时，缓解地层变形效果明显。随着注浆层再次增厚，缓解地层变形的效果并未增强。在注浆层厚度为0.20 m的工况中，部分位置地表位移反而大于注浆层厚度为0.15 m的工况，说明注浆层厚度大于0.15 m时，厚度与地表位移相关性减弱。

2.2 结构受力分析

结构受力方面主要考虑不同注浆层厚度下管片结构外部径向受力以及荷载作用下结构的力学响应。ε=9%，H=2 m工况不同注浆层厚度下衬砌外部径向压力分布见图7。横坐标表示管片环向位置，以隧道拱顶处为0°起始位置，0°~180°为隧道右侧，180°~360°为隧道左侧；纵坐标为管片外部所受径向压力与不考虑注浆层保护时所受径向压力的比值。

图7 ε=9%，H=2 m工况不同注浆层厚度下衬砌外部径向压力分布

由图7可知，注浆层可一定程度上分担隧道衬砌结构所受的荷载，减小管片径向所受压力。考虑注浆层保护后，管片环向径向压力减小范围大致在0~35%，在45°、135°、225°和315°位置（隧道拱肩与拱脚），径向压力的减小幅度更大。相反在拱顶、拱底及拱腰位置，变化相对较小。管片所受的外部径向压力随注浆层厚度的增大进一步减小，0.10 m注浆层厚度时径向压力比在0.72~0.99，0.15 m注浆层厚度时径向压力比在0.66~0.95，0.20 m注浆层厚度时径向压力比在0.63~0.95。可以推测随着注浆层厚度的持续增大管片受到的径向压力逐渐减小，但注浆层对膨胀荷载的削弱作用将逐步减小。

ε=9%，H=2 m工况不同注浆层厚度下膨胀附加荷载见图8。由图8（a）可知，在膨胀荷载的作用下，管片下部150°~210°内产生附加正向弯矩，在管片105°~150°与210°~255°内产生附加负向弯矩；管片上部规律相似，只是变化幅度相对较小。由图8（b）可知，膨胀荷载施加后管片环向轴力增大，轴力的增大效果在管片拱肩与拱脚处更加明显。随着注浆层厚度的增加，隧道附加弯矩、附加轴力变化规律一致。最大附加弯矩从9.77 kN·m变化为6.15 kN·m再到7.95 kN·m，最大附加轴力从-23.5 kN变化为-14.13 kN再到-0.12 kN。可见注浆层可以对附加弯矩轴力产生一定的削弱，但是削弱效果不会随注浆层的持续增大而增大。

图8 ε=9%，H=2 m工况不同注浆层厚度下膨胀附加荷载

过厚的注浆层缓解地层变形、削弱管片结构受力的效果并不明显；而注浆量的提高增加了施工成本，加剧注浆期上浮错台风险。可见，工程中同步注浆并不是注浆量越多越好。

3 结论

本文针对多种注浆层厚度，在不同膨胀性能、不同膨胀地层厚度工况下，对隧道断面地面沉降、管片底部地层位移及结构附加受力做了分析。得出以下结论：

1）增大注浆层厚度能有效缓解隧道周围土体的变形，注浆层厚度从0.10 m增大至0.15 m，使周围地层位移峰值减小63.3%；同时将减小隧道周边地表约45.1%的沉降。

2）注浆层厚度的增大可以削弱管片结构外侧荷载，并减小地层膨胀作用产生的额外荷载。

3）随着地层膨胀率和膨胀地层厚度的增大，地层变形将增大，管片结构受到附加荷载也将增大。随着注浆层厚度的增大，注浆层缓解地层变形与减小附加荷载的效果不是线性增加的，注浆层厚度较大时，厚度继续增大将不再起作用。

4）实际施工时可根据地层勘探结果，对于膨胀性较强，膨胀地层厚度较大的地段采用适当增加注浆量的方式减小膨胀岩土对隧道的危害。