岩溶地层运营期地下水上涨引起管片上浮规律研究

李文,杨凡,吴圣智,刘越

(1.中铁十四局集团有限公司,济南 250000;2.山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司,济南 250013;3.山东建筑大学土木工程学院,济南 250101;4.山东建筑大学建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室,济南 250101)

盾构法施工是城市地铁隧道建设过程中的重要施工方式,已被应用于各类地层[1-2]。岩溶地层岩石溶隙发育严重,地下水流通性强,受季节性降水明显,地下水位变化较大。岩溶地层盾构施工过程中,浆液易流失,管片壁后存在空洞,管片缺乏有效的约束与支撑,一旦地下水位上涨,管片极易出现上浮、渗漏等灾害,严重影响隧道使用[3]。

管片上浮一直是盾构隧道常见的病害之一,引起了广大学者的关注与讨论。黄旭民等[4]基与弹性地基梁矩阵传递法理论,通过现场实测和模型计算,提出了一种施工期盾构隧道管片上浮预测方法。舒瑶等[5]对区间施工期管片上浮按地层进行分段,得到了同步注浆压力、浆配比等不同因素对管片上浮的影响。叶俊能等[6]通过有限元软件建立管片施工期上浮分析模型,确定了不同管片结构形式施工期容许上浮量不同。季昌等[7]通过现场试验分析不同单一因素对施工期管片上浮的影响。Geng等[8]针对泥浆盾构隧道施工期会出现管片上浮问题,通过理论计算,得到管片上浮计算表达式,并提出了针对性的抗浮措施。魏纲等[9]通过建立衬砌环受力模型和计算公式,得到隧道上浮对管片的受力不利。肖明清等[10]应用有限元法对影响管片上浮的各种因素进行了分析,提出了控制管片上浮的措施。叶飞等[11]用弹性地基梁方法分析了盾构隧道的纵向上浮,提出了控制盾构隧道管片上浮的最小上覆土厚度及最大注浆压力计算公式。邓日朗等[12]通过建立三维有限元模型分析分析了下卧地铁隧道随竖井开挖过程的变形规律。赵维等[13]通过两阶段分析法,研究基坑开挖对隧道的影响,并通过Euler-Bernoulli梁模型和Winkler地基模型,更加精确的得出了隧道的隆起变形。综上可见,中外学者对管片上浮影响研究多集中在隧道施工阶段,对隧道运营过程中关注较少。岩溶地层盾构同步注浆浆液易流失,注浆层出现空洞,管片缺乏有效约束,雨季地下水位上涨时管片会出现上浮,目前国内外学者在运营期管片上浮研究中未考虑注浆层填充质量及地下水位变化。

为探明岩溶地层盾构隧道运营期间,因注浆流失及地下水位变化导致的管片上浮规律,研究通过现场实测与数值模拟分析了隧道运营期间不同浆液流失条件下管片的上浮机制,以期为岩溶地层盾构隧道注浆质量控制提供指导。

1 工程概况

盾构隧道位于该地区东南部,隧道呈南北走向,隧道南部为山地,北部较为平坦,地势南高北低。隧道为标准单洞单线圆形断面,盾构法施工,长度约966 m,由直线段、2个半径分别为R=1 000 m、R=800 m的圆曲线段及缓和曲线段组成,线间距13～17 m,覆土厚度13.5～18 m。盾构隧道地层自上而下主要为素填土、杂填土、全风化泥灰岩、强风化泥灰岩、中风化石灰岩。隧道区域内存在发育溶孔、溶洞等溶蚀现象,主要表现为溶孔、溶隙及小型溶洞,属浅覆盖型岩溶,微发育,钻孔见洞率为27.3%,线岩溶率为7.0%,充填物以粘性土及碎石为主。隧道穿越区间主要中风化灰岩为主,单轴饱和抗压强度平均90 MPa,围岩等级为IV,如图1所示。该区域地下水埋深较深,雨季时地下水沿溶隙由南至北流动,该地区年平均降水量672.1 mm,其中夏季降水量平均在460 mm,占全年降水量的65%以上。

图1 工程地质示意图Fig.1 Schematic diagram of engineering geology

隧道采用单层混凝土圆形衬砌,管片外径6 400 mm、内径5 800 mm、管片厚度300 mm、环宽为1.2 m,错缝拼装,管片防水材料采用氯丁橡胶及三元乙丙弹性橡胶或遇水膨胀橡胶,如图2所示。该区间采用复合式土压平衡盾构机,开挖直径为6 680 mm,隧道开挖后中风化石灰岩变形较小,管片壁后间隙为12～14 cm,采用浆液填充。

图2 管片示意图Fig.2 Segment diagram

2 运营期管片上浮原因分析

盾构隧道右线道床上浮区域位于XK4+759～XK4+814里程,该段平面基本位于半径800 m的曲线段,隧道所处地层主要为中风化石灰岩。管片上浮发生在盾构隧道右线705环-751环范围之间,上浮管片数量为46环,如图3所示,XK4+787位置最大上浮量约为110 mm,10月份上浮情况如图4所示,管片上浮导致管片环之间出现明显的错台,如图5所示。

图3 隧道上浮区域示意图Fig.3 Schematic diagram of the floating area of the tunnel

图4 盾构隧道727环管片变化曲线Fig.4 Shield tunnel 727 ring segment change curve

图5 隧道上浮Fig.5 Tunnel floating

由图3～图5可知,由于10月14—20日发生强降雨,地下水位出现明显上涨,导致管片发生大幅度上浮,接近管片壁后间隙厚度,该地区10月份降水后地下水位上涨至管片顶部约7 m,现场检测显示管片顶部与底部基本脱空,管片上浮量达100 mm。针对管片上浮问题,10月20日采用泄水等措施来释放管片壁后积水,随着水位下降管片逐步回落。通过分析初步得出管片上浮主要原因有,地下水位上涨、隧顶空洞和隧底填充不密实[14],如图6所示。统计资料显示,该时间段内该地区平均降水量为219.2 mm,是常年同期的3.6倍,为1950年以来降水量最大的一年,强降水量导致地下水位大幅增加,同时隧道所处地势南高北低,南部为山地,北部为平原,隧道所处地层存在岩隙和溶隙,地下水会顺着岩隙自南向北流,而且山前存在黏土层,地下水会在隧道北端汇集,造成隧道北端地下水位进一步上涨。该区域为岩溶发育密集地段,存在较多溶洞和溶隙等,连通性好,如图7所示,施工过程中极易发生浆液流失造成管片壁后空洞,一旦隧顶存在空洞将缺乏对管片上浮的约束。隧底注浆填充不密实,管片与注浆层粘结力丧失,不能有效抑制管片上浮[15]。

图6 地下水位上涨管片上浮原因Fig.6 Reason for the rise in the water table and the rise of the segment

图7 灰岩岩溶Fig.7 Limestone karst

3 管片上浮机制数值分析

3.1 计算模型及参数

管片出现上浮严重影响隧道质量,为了进一步分析管片上浮及其上浮因素,建立有限元数值模型,隧道模型尺寸如图8所示,模型尺寸为25 m×25 m。模型顶部为自由面,其余各面施加法向约束。数值模型中地层、注浆层和管片均采用实体单元进行模拟,地层的本构模型采用摩尔-库伦模型,管片和注浆层均采用弹性模型,空洞部分通过实体单元钝化来模拟。其中管片外径为6.4 m,内径为5.8 m,注浆层厚度为14 cm,开挖洞径为6.68 m,管片外侧与地层之间为注浆层。考虑到存在接缝,管片弹性模量的取值考虑了强度折减[16],地层、注浆层和管片力学参数如表1所示。

表1 计算参数Table 1 Design conditions

图8 数值模型Fig.8 Numerical model

盾构隧道在施工时造成管片壁后空洞,当地下水位上涨时,会造成管片上浮。隧顶空洞、隧底填充不密实和地下水位上涨是造成管片上浮的3种因素,以此重点考虑3个因素对管片上浮的影响,探究管片的上浮规律。

3.2 空洞范围影响

以隧顶无空洞地下水位在管片底部时,隧顶无空洞地下水位在管片中部时,隧顶空洞60°地下水位在管片中部时,隧顶空洞120°地下水位在管片中部时,隧顶空洞180°地下水位在管片中部时5种工况,管片的位移如图9所示。

图9 管片位移计算结果Fig.9 Segment displacement calculation results

由图9可知,注浆层无空洞,地下水位在管底以下时,管片基本不受浮力,管片隧顶表现为沉降,隧底表现为隆起,该规律为隧道开挖引起的。当地下水位上涨至管片中部时,管片受到水的浮力增大,管片最大上浮量为1.8 mm,上浮量较小,可见隧顶无空洞时能够对管片上浮提供足够的约束,抑制管片上浮。当隧顶存在180°空洞时,管片最大上浮量为55 mm,是无空洞时管片上浮量的36倍,可见隧顶存在空洞,隧顶会丧失对管片上浮的约束,是导致管片上浮的关键因素。对此,研究给出了地下水位位于管片中部时,管片上浮量与隧顶空洞范围的对应关系,如图10所示。

图10 隧顶空洞管片上浮规律Fig.10 Float law of tunnel roof cavity segment

由图10可知,随着隧顶空洞范围的不断扩大,隧顶对管片上浮的约束越来越小,管片的上浮逐渐增大。当隧顶的空洞范围大于120°时管片的上浮量出现明显增加,对此提升注浆质量,降低空洞范围对控制运营期管片上浮具有重要意义。研究进一步提取注浆层的受力情况,如图11所示。

图11 注浆层受力计算结果Fig.11 Result of calculating the force of the grouting layer

由图11可知,注浆层无空洞,地下水位在管片底部时,在重力场的作用下,注浆层隧顶和隧底均受拉。当地下水位上涨至管片中部时,管片受到水的浮力上升,此时注浆层隧顶所受拉力减少,隧底所受拉力增加,这表明管片上浮后,隧底管片会拉拽注浆层,导致隧底注浆层的应力增加。当隧顶存在180°空洞时,隧底所受拉力为540 kN/m2,是不存在空洞时所受拉力的2倍,说明管片上浮量越大,管片对注浆层的拉力越强。由于注浆层与管片之间的黏结力有限,管片对注浆层的拉力一旦超过黏结力的极限,管片与注浆层之间不密实的范围将扩大,导致管片出现进一步上浮。研究进一步分析了空洞范围与注浆层受力的关系,如图12所示。

图12 注浆层所受拉应力最大值变化规律Fig.12 The law of change of the maximum tensile stress of the grouting layer

由图12可知,随着隧顶空洞范围的不断增大,注浆层隧底所受拉力在不断增大,且在隧顶空洞范围达到120°时,注浆层所受拉力增大明显,这与管片上浮量的规律一致。

3.3 隧底填充不密实的影响

隧道底部注浆极易出现注浆不密实的情况,管片与注浆层黏结力退化,导致管片上浮增加。对此,进一步分析了管片底部填充不密实对管片上浮的影响,如图13、图14所示。

图13 隧顶180°空洞时底部填充不密实管片位移Fig.13 The bottom of the 180° cavity at the top of the tunnel is filled with undense segment displacement

图14 管片底部填充不密实的上浮规律Fig.14 The bottom of the segment is filled with undense floating rules

由图13、图14可知,地下水位上升至管片中部,隧顶存在空洞180°时,隧底不密实范围120°时管片的上浮量是60°的2倍,隧底不密实导致管片与注浆层之间黏结力丧失,注浆层底部对管片的拉力降低,管片上浮量增加。研究进一步给出了隧底不密实时注浆层与管片上浮的关系,如图15、图16所示。

图15 底部不密实范围扩大注浆层受力Fig.15 The bottom is not compact,and the range expands the force on the grouting layer

图16 注浆层所受拉应力最大值变化规律Fig.16 Law of change of the maximum tensile stress of the grouting layer

由图15、图16可知,管片底部填充不密实,会导致不密实处注浆层和管片之间的黏结力丧失,不密实处管片上浮对注浆层的拉拽力消失,并向不密实处两端转移,不密实处两端出现拉应力集中。底部不密实60°时,不密实处两端注浆层最大拉应力为564 kN/m2,隧底不密实120°时,不密实处两端注浆层最大拉应力为1 100 kN/m2,约为隧底不密实60°时的2倍。管片和注浆层之间存在黏结力,当管片上浮量过大时,引起的管片与注浆层之间的拉应力超过黏结力,管片与注浆层之间不密实的范围将扩大,导致管片出现进一步的上浮,隧底不密实范围也将进一步增加,甚至造成底部整体脱空,极不利于控制管片的上浮。

3.4 地下水位影响

地下水位上涨是管片上浮的重要因素,地下水位上涨对管片上浮和注浆层受力的影响如图17～图19所示。

图17 隧顶180°空洞隧底120°不密实时地下水位的影响Fig.17 Influence of 180° hollow tunnel bottom 120° undense real-time groundwater level

由图17可见,随着地下水位的上涨,管片所受的浮力增大,管片的上浮量也在不断增大。该地区10月份降水后地下水位上涨至管片顶部约7 m,现场检测显示管片顶部与底部基本脱空,管片上浮量达100 mm,与计算结果接近。地下水位对注浆层应力影响如图18、图19所示。

图18 随地下水位上涨注浆层受力Fig.18 Stress of grouting layer as groundwater level rise

图19 注浆层所受拉应力最大值变化规律Fig.19 Law of change of the maximum tensile stress of the grouting layer

由图18、图19可知,地下水位上涨导致管片上浮,管片对注浆层拉拽力增加,注浆层的拉应力增加,地下水位上涨是管片上浮的重要影响因素。

4 管片上浮防控措施

数值模拟得出了隧顶空洞、隧底填充不密实和地下水位上涨对管片上浮的影响规律,研究综合以上3种因素,建立了管片上浮与隧顶空洞、隧底填充不密实和地下水位上涨的对应关系,以指导岩溶地层盾构隧道注浆施工,如图20所示。

图20 管片上浮规律Fig.20 Law of segment upward moving

由图20可知,造成管片上浮的3个原因为隧顶空洞、隧底填充不密实和地下水位上涨,其中隧顶空洞对管片上浮造成的影响最大,其次是地下水位上涨,隧底填充不密实对管片上浮造成的影响相对较小,可见盾构隧道施工过程中注浆质量对管片上浮具有重要意义。

盾构隧道施工和验收规范规定管片上浮量不超过10 mm,对此当管片上浮量小于6 mm时(图20绿色区域),可不采取措施;当管片上浮量处于6～10 mm时(图20黄色区域),应加强观测随时注意地下水位变化,一旦管片出现上浮应采取壁后注浆等措施;当管片上浮量超过10 mm时(图20红色区域),此时管片上浮不可接受,应进行二次注浆。盾构施工中可以此为基准,通过多重手段对管片壁后注浆质量进行监控,指导盾构同步注浆施工。

5 结论

针对岩溶地层盾构隧道在运营期因地下水位变化造成的管片上浮问题,研究通过数值模拟和现场监测,分析盾构隧道在运营期因地下水位上涨引起管片上浮的规律,得出以下结论。

(1)注浆层隧顶空洞、隧底填充不密实和地下水位上涨是影响岩溶地层盾构隧道运营期间管片上浮的主要因素,其中隧顶空洞会丧失对管片上浮的约束,对管片上浮影响最大。

(2)管片隧顶注浆流失越严重,上部注浆层对管片的约束越小,地下水位上涨造成的管片上浮越明显,当隧顶的空洞范围大于120°时管片的上浮量明显增加,提升注浆质量,降低空洞范围对控制运营期管片上浮具有重要意义。

(3)隧底填充不密实导致管片与注浆层之间粘结力降低,管片上浮量增加,同时不密实处管片上浮对注浆层的拉拽力消失,导致不密实处两端拉应力集中,将进一步增大隧底不密实范围。

(4)地下水位上升越大,管片上浮量越大,研究给出了岩溶地层盾构隧道管片上浮量与隧顶空洞、隧底不密实范围和地下水位的对应关系,可为盾构同步注浆质量控制提供支撑。