盾构同步注浆对地表和隧道周围土体影响研究

董宏振

(山东交通学院,山东 济南 250357)

0 引言

随着近年来盾构法在隧道工程中的应用日益广泛,国内外学者对盾构法施工的各施工工艺进行了广泛的研究,其中就包括盾尾同步注浆,盾构工法施工中,对盾尾间隙的处理,即同步注浆是施工的关键工艺之一[1]。盾构法施工建造的隧道衬砌由管片组成,衬砌管片在盾壳内部拼装需要一定的净空进行拼装操作[2-3],同时盾壳存在一定厚度,盾尾脱出在后盾壳和管片之间形成空隙。该间隙若不能及时有效填充,隧道周围土体应力将会逐渐释放,或者造成地下水、泥浆等液体在该间隙环中集聚。依据周围土体本身地质条件的不同,会产生严重后果,如上覆土的下沉、隧道的局部或整体上浮,所以需要对同步注浆对周围土体应力和位移的影响进行研究。

张云等[4]针对缺少对衬砌脱出盾尾产生的空隙的填充、注浆后浆体的分布和隧道壁面受扰动的模拟方法提出以等代层替换衬砌周围土体及注浆浆体进行分析,有助于实现有限元分析软件模拟同步注浆施工过程[5]。邓宗伟等[6]使用FLAC3D2.0软件模拟不同压力下盾构壁后注浆对围岩和支护结构的影响,探讨了围岩和支护结构因注浆而产生的受力和变形规律。周宪伟等[7]使用ANSYS软件对盾构法单线隧道开挖过程进行模拟,由于注浆浆体为液态难以直接模拟,故采用等效均布力来模拟盾尾同步注浆。K Michael等[8]使用ABAQUS软件对土压平衡盾构的掘进过程进行模拟,其中盾尾同步注浆通过在衬砌脱出盾尾后激活环形注浆层实现。

本文使用FLAC3D6.0软件对盾构掘进过程进行模拟,研究不同注浆压力、盾构推进速度、地层条件下,盾尾同步注浆施工对周围土体的位移和应力的影响,并总结地表沉降、隧道周围土体位移和应力的变化规律,以期对工程实践提供参考。

1 建立数值模型

本算例整体尺寸X×Y×Z=60 m×50 m×40 m,半模型尺寸如图1所示,盾壳和管片的尺寸详见表1。隧道中轴线Z坐标和X坐标为0,盾构沿Y方向从Y=0处掘进进入计算区域,每次开挖一环为1.0 m,共开挖21环。采用(Null)模型模拟土体开挖,土体采用(Mohr-Coulomb)本构模型,盾构盾壳和管片采用(Elastic)各向同性弹性模型,相关参数见表2,表3。

表1 构件尺寸 m

表2 构件物理参数

表3 土体物理参数

模型边界条件设置如下:在Y=0 m和Y=0 m处对Y方向位移加以约束;在X=30 m和X=-30 m处对X方向位移加以约束;在Z=-20 m处对Z方向位移加以约束;模型Z=40边界为地表,为自由边界。

本算例模拟盾构从Y=0处边界进入模型区域并沿Y方向掘进的过程,分为两个阶段:第1环至第10环为阶段1,此阶段逐环开挖隧道范围内土体并激活盾壳对隧道周围土体进行支护,盾尾未进入模型区域;第11环至第21环为阶段2,随着开挖的进行盾尾进入模型区域并向开挖方向移动,当一环开挖完成后盾尾所在位置的单元变更为注浆体,同时在注浆体单元内侧生成一环管片。模拟过程中在开挖面施加均布力模拟盾构对开挖面的支护,在盾尾对盾尾周围土体施加与注浆压力相等的径向压力[9]模拟注浆压力对周围土体的作用。

注浆液的压力随着盾尾逐渐远离、注浆液向土体中渗透以及注浆液的硬化而消散,其变化规律与注浆压力大小、土体性质、注浆浆体性质和孔隙水压力等因素有关[10]。

本算例应用文献[9]和文献[10]中关于注浆压力消散规律的成果,在进行每一环分析之间根据各工况的注浆压力、地层条件和掘进速度计算不同位置处的注浆体压力,并对施加在各环处用以模拟注浆压力的径向力进行修改,以此模拟注浆压力消散对隧道周围土体的影响,模拟工况如表4所示。同时为减少模拟难度认为注浆过程符合下列假定:盾尾脱出后在衬砌和周围土体之间形成均匀的环状空隙;在同步注浆过程中,浆液瞬间填充盾尾空隙,注浆压力均匀的作用于周围土体上,在模拟过程中为作用在周围土体表面上的径向均布力;浆液在盾构掘进至20环时未初凝,模拟过程中浆液性质不发生变化,注浆体的弹性模量为0.9 MPa,泊松比为0.3,密度为2 000 kg/m3。

表4 模拟工况

2 结果分析

2.1 注浆压力消散规律

盾构掘进过程中紧挨盾尾的注浆体的压力最大,注浆体压力沿掘进相反方向逐渐减少。当盾构掘进至21环时,各工况第10环至第20环注浆体压力如图2所示。注浆压力在注浆完成初期消散速度较快,然后趋于稳定。注浆压力消散速度与周围土体的泊松比、剪切模量和渗透系数有关,其中地层的渗透系数对浆液压力的消散速度起重要作用,故工况3的注浆压力消散速度比工况1快。

2.2 盾构掘进和同步注浆对地表沉降影响

选取Y=5 m处截面作为监测面,从隧道纵向轴线正上方开始,在隧道纵向轴线左侧(即-X方向)地表,以1 m 间隔共布置21个监测点,如图3所示。随盾构掘进,Y=5 m监测面各测点Z方向位移如图4所示。

随着监测点逐渐靠近隧道纵向轴线,各测点沉降量逐渐增加并在隧道纵向轴线上方达到最大值。地表沉降随着盾构开挖逐渐增大,地表沉降在开挖面与监测面距离6 m之前发展较快,之后沉降增加较为缓慢,原因是开挖与监测面距离5 m时盾尾进入土体并开始同步注浆。工况2在开挖面与监测面距离6 m之后各曲线距离较大,这是由于工况2的注浆压力较小,注浆开始之后沉降速度有一定下降,但比其他工况快,由此可见较大的注浆压力对地表沉降的发展有限制作用。盾尾经过监测断面后,距离隧道纵向轴线10 m之外的测点沉降量明显小于距离隧道纵向轴线10 m之内的测点,在本算例中,注浆对地表沉降的减缓在距离隧道纵轴线10 m之外最为明显。

2.3 盾构掘进和同步注浆对不同深度土体沉降影响

选取Y=5 m处截面作为监测面,从隧道纵向轴线正上方地表开始向下以2 m间隔共布置5个监测点,如图5所示。工况1—工况4随盾构掘进,Y=5 m监测面不同深度土体沉降如图6所示。

随着盾构掘进,隧道纵向轴线上方土体沉降总体呈现增大趋势,经历3个阶段:开挖面距离监测面-5 m～-3 m,此阶段盾构还未到达监测面,隧道纵向轴线上方土体沉降发展较慢,Z=10 m处监测点出现向上位移;开挖面距离监测面-3 m～4 m,此阶段盾构接近并经过监测面,沉降快速发展;开挖面距离监测面4 m～16 m,此阶段盾尾逐渐到达监测面开始同步注浆并逐渐远离,沉降仍在增加但发展较慢并趋于稳定。

Z=10 m处监测点在开挖面距离监测面5 m～15 m时的沉降曲线小幅向上拱起,这是由于此时盾尾开始经过监测面并进行注浆,注浆压力减缓了沉降速度,随着注浆压力的消散,沉降速度又逐渐加快。曲线上凸的幅度可以在一定程度上说明注浆压力的影响范围,在本算例中,注浆压力对隧道之外4 m范围内土体影响最为显著。

相较于其他工况,工况4中盾构的掘进速度较快。本次模拟过程中较快的掘进速度是通过减少每环掘进一定的分析步来实现的,同时也增加了对开挖面的支护力。掘进速度增加同时也影响注浆压力的消散速度,进而改变了每一步作用在隧道周围土体的径向力。综合以上因素可以看到工况4各测点沉降阶段1和阶段3相较于其他工况更为明显。阶段1各测点出现较大的向上位移,这是由于盾构快速掘进的更大的推力对前方土体产生更大的挤压作用,距离隧道越近的土体受到的挤压越强,故Z=10 m和Z=12 m处的测点的沉降曲线出现在其他曲线上方。盾构掘进至21环时工况4各测点的总沉降比工况3更小,但曲线的波动幅度更大,说明加快掘进速度有利于对沉降的控制但对周围土体的扰动更大。

2.4 盾构掘进和同步注浆对隧道侧面土体水平位移影响

选取Y=5 m处截面作为监测面,在隧道右侧(X正方向)布置3个测点,如图7所示。工况1—工况4随盾构掘进,Y=5 m监测面各测点X方向位移如图8所示。

各测点X方向位移随盾构开挖呈现先减小后增大的趋势,其发展过程分为三个阶段:开挖面距离监测面-6 m～0 m,此时各测点由于受到盾构开挖的扰动而产生朝向隧道一侧的位移;开挖面距离监测面0 m～10 m,此时盾壳经过监测面,同时盾尾在开挖面距离监测面5 m处进入土体,各测点位移变化放缓,并开始出现反方向位移;开挖面距离监测面10 m～16 m,此时盾尾经过监测面进行注浆并逐渐远离,各测点受注浆压力的影响向远离隧道一侧移动。

在第3阶段中随着注浆压力的逐渐消散各测点位移逐渐放缓,直到注浆压力降低到一定程度时各测点位移方向发生改变。这种现象在工况2和工况3中最为明显,原因是工况2注浆压力较低而更容易消散至对土体支持能力较弱的程度,工况3的地层条件使注浆压力消散速度更快。工况1和工况3在第3阶段的位移转折点分别是13 m和12 m,这与注浆压力的消散规律相符,表明土体参数不仅从力学层面也通过控制注浆压力的消散规律影响盾构开挖对周围土体的扰动。

工况4通过增加开挖面支护力、减少分析步和改变注浆压力消散规律模拟掘进速度改变的影响。其各测点曲线在图中的上下位置与其他工况不同,越靠近隧道的监测点曲线越靠上,这表明加快掘进速度有利于控制周围土体的变形。

2.5 盾构掘进和同步注浆对周围土体应力的影响

选取Y=5 m处截面作为监测面,对隧道右侧土体的X方向应力和隧道上方土体的Z方向应力进行监测,测点布置如图9所示,Y=5 m截面,X方向应力如图10所示,Y=5 m截面,Z方向应力如图11所示。

距离隧道较近的测点1和测点3其应力随盾构开挖的波动幅度较大,X方向应力和Z方向应力随盾构开挖的变化过程基本一致:开挖面距离监测面-5 m～0 m,随着开挖面逐渐靠近监测面,各测点应力先由于开挖造成的扰动而出现应力释放,然后因为盾构开挖面接近而受到挤压产生应力上升;开挖面距离监测面0 m～10 m,此阶段盾壳从监测断面经过对周围土体起支持作用,土体应力缓慢增加;开挖面距离监测面10 m～16 m,此阶段盾尾到达监测断面开始同步注浆并远离,周围土体应力随着注浆压力消散而减小。

3 结论

1)分析了土体参数、注浆压力和掘进速度对注浆压力消散的影响。结果表明土体参数中的渗透系数对注浆压力消散速度起重要作用,渗透系数越大注浆压力消散速度越快,注浆压力消散速度还与注浆压力成正比、与掘进速度成反比。

2)地表沉降随盾构掘进表现出逐渐增大的趋势,同步注浆对地表沉降的发展起一定的抑制作用。

3)监测面隧道右侧土体测点的水平方向位移随盾构掘进分为三个阶段,在水平位移变化的第3阶段随着注浆压力的逐渐消散各测点位移逐渐放缓,直到注浆压力降低到一定程度时各测点位移方向发生改变,表明土体参数不仅从力学方面也通过注浆压力的消散规律方面影响盾构开挖对周围土体的扰动。

4)同步注浆引起盾尾周围土体应力上升,距离盾构越近的土体受盾构开挖和同步注浆的扰动越大。