楊洪杰

（上海申通地鐵集團(tuán)公司技術(shù)中心，201103，上海∥高級(jí)工程師）

1 工程概況

上海軌道交通2號(hào)線東延伸段的川沙站到凌空路站，采用雙圓盾構(gòu)進(jìn)行施工；隧道埋深約為11m，主要位于④號(hào)土層內(nèi)。2010年4月22日，該區(qū)段發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生較大差異沉降，即運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的不均勻沉降。沉降發(fā)生地的地層情況見(jiàn)圖1，土的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。其離川沙站洞口100環(huán)左右上下行隧道和近川沙站的泵站處下行隧道局部沉降較大，分別為34.6mm和41.8mm，平均沉降速率約為0.3～0.4mm／d，并于5月3日發(fā)展為43.2mm和50.7mm；導(dǎo)致洞口附近和泵站附近隧道局部斜率較大，為0.14%左右（見(jiàn)圖2和圖3）。2010年4月23日開(kāi)始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察和組織召開(kāi)專家會(huì)議，決定進(jìn)行注漿加固。

圖1 雙圓隧道地質(zhì)剖面圖

圖2 上行線實(shí)測(cè)沉降曲線

圖3 下行線實(shí)測(cè)沉降曲線

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注漿施工通過(guò)管片預(yù)留注漿孔進(jìn)行，位置為上下行隧道道床中心處附近，實(shí)際注漿時(shí)如果原預(yù)留注漿孔不能進(jìn)行注漿，應(yīng)考慮在上下行隧道道床中心向雙圓隧道中間立柱方向偏約15～20cm的位置重新開(kāi)孔，每環(huán)等距上下行各一個(gè)孔，圖4為雙圓襯砌尺寸圖。注漿單節(jié)高度為17.5cm，單次注漿時(shí)間為4min，注漿總量80L，雙液漿流量為20L／min，每分鐘進(jìn)行一次拔管操作，拔管高度為4.4～4.5cm。

圖4 雙圓管片尺寸圖

2 注漿影響分析

主要采用有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)和土體及注漿作用進(jìn)行分析。鑒于雙圓襯砌分塊復(fù)雜，在建模時(shí)考慮用整體殼單元模擬襯砌，管片接頭方面的成果可參考文獻(xiàn)［1］及［2］。

2.1 有限元計(jì)算模型

首先根據(jù)隧道的埋深建立有限元計(jì)算模型，如圖5所示。

圖5 有限元計(jì)算網(wǎng)格

所建立的計(jì)算模型共有41 000個(gè)六面體單元，來(lái)模擬盾構(gòu)隧道周?chē)耐馏w。表1為有限元計(jì)算的土體物理力學(xué)參數(shù)。進(jìn)行初始位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算，作為進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)。

表1 土的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 襯砌管片的安裝

計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)后，進(jìn)行雙圓區(qū)域的土體開(kāi)挖，計(jì)算模型見(jiàn)圖6，并拼裝混凝土襯砌（用殼單元模擬襯砌），重新進(jìn)行力學(xué)平衡計(jì)算。

圖6 雙圓隧開(kāi)挖模擬

模型中的殼單元是用liner單元來(lái)模擬的。liner單元屬于殼單元的一種，可以考慮殼與土體之間的相互作用，本計(jì)算中采用2 400個(gè)三角形殼單元來(lái)模擬一環(huán)雙圓襯砌。

2.3 雙圓管片拼裝后的初始計(jì)算結(jié)果

雙圓管片拼裝好后，在土壓力的作用下，管片內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力、彎矩和位移。由于管片在土壓力作用下，管片呈現(xiàn)橫鴨蛋形，變形后的片（變形量放大100倍）如圖7所示。

圖7 雙圓襯砌變形前后形狀比較

2.3.1y方向的彎矩（注漿前）

y方向?yàn)樗椒较颍掖怪庇谒淼垒S線，見(jiàn)圖8和圖9。計(jì)算結(jié)果表明，該方向的彎矩很小，拱頂海鷗塊的彎矩最大，立柱彎矩最小，只有102Nm的量級(jí)，基本可以忽略不計(jì)。

2.3.2x方向的彎矩

x方向?yàn)樗椒较颍移叫杏谒淼垒S線。圖10、圖11顯示了x方向上雙圓管片拱頂、拱底的彎矩。結(jié)果表明，該方向的彎矩是y方向彎矩的10倍，拱頂海鷗塊的彎矩最大，達(dá)到約105Nm的量級(jí)，立柱的彎矩最小，只有101Nm的量級(jí)，基本可以忽略不計(jì)。

2.3.3 襯砌上的正壓力

襯砌上的正壓力是指垂直于襯砌外表面的土壓力。圖12、圖13顯示了襯砌上正壓力的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果顯示，雙圓襯砌拱頂上的正壓力最大值約為0.36MPa，拱底的最大正壓力約為0.4MPa，與拱頂相近。這說(shuō)明在雙圓隧道剛剛建成的時(shí)候，由于雙圓襯砌的特殊形狀，在土體中形成了明顯的拱作用，從而導(dǎo)致了拱底的正壓力略大于拱頂?shù)恼龎毫?。同時(shí)，結(jié)果還表明，上下海鷗塊凹槽處的正壓力很小，立柱上的正壓力明顯為0。

圖12 襯砌上部的正壓力

圖13 襯砌下部的正壓力

2.4 注漿對(duì)結(jié)構(gòu)影響計(jì)算

在一側(cè)襯砌的拱底進(jìn)行雙液注漿，計(jì)算注漿對(duì)襯砌拱底土體的影響和對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的受力和位移。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，注漿的模擬非常困難，采用的方法是對(duì)拱底注漿區(qū)域內(nèi)的土壓力做重新初始化處理。在計(jì)算過(guò)程中對(duì)正下方拱底注漿范圍內(nèi)初始化豎向土壓力為5MPa，同時(shí)在垂直向下方向上取梯度效應(yīng)，即每向下1m土壓力增加2×104Pa；取水平土壓力系數(shù)為0.6，水平方向無(wú)梯度效應(yīng)。該土壓力的力學(xué)效果是使模擬注漿范圍內(nèi)土體的膨脹，計(jì)算由于注漿引起的土體位移、襯砌位移、襯砌內(nèi)力及其它相關(guān)效應(yīng)。計(jì)算開(kāi)始時(shí)，把土體位移及襯砌位移歸零，以便考察純粹由注漿引起的相關(guān)結(jié)果。

圖14顯示了注漿后的土體位移場(chǎng)，圖15為注漿后襯徹結(jié)構(gòu)的位移。可以看出由于注漿作用引起對(duì)土體的擾動(dòng)擠壓，注漿區(qū)域影響范圍內(nèi)土體明顯發(fā)生擠壓位移，以注漿區(qū)為中心土體向四周移動(dòng)，最大位移量近1cm。同時(shí)，由于注漿的擠壓作用，注漿中心區(qū)域產(chǎn)生了明顯的高于臨近區(qū)域的應(yīng)力。故注漿對(duì)于軟土特別是淤泥質(zhì)軟黏土的擾動(dòng)作用非常明顯，這也是在注漿過(guò)程中采用“少量、多次”原則的主要原因。

圖14 雙液注漿引起的土體位移場(chǎng)

圖15 注漿后的襯砌隆起

2.4.1 注漿后雙圓襯砌中的彎矩

2.4.1.1y方向的彎矩

圖16和17分別為注漿引起的拱頂和拱底y方向的彎矩。從圖中的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，與注漿前的襯砌內(nèi)力相差較大。注漿前和注漿后，拱頂?shù)膟方向彎矩差別不大，這是因?yàn)橐r砌的上浮位移主要發(fā)生在底板，而襯砌頂部位移很小，故而上部y方向彎矩差別很小。而注漿后襯砌拱底的結(jié)構(gòu)上浮位移較大，達(dá)到3mm以上，故拱底的最大y方向彎矩相差很大，注漿后的彎矩是注漿前的6倍。而拱頂海鷗塊在注漿前后相差較小，注漿后的y方向彎矩是注漿前的10%。同時(shí)拱側(cè)的y方向彎矩相差也更大，由于襯砌呈現(xiàn)橫鴨蛋方向變形，變形后y方向的正應(yīng)力分布更加均勻，注漿后的y方向彎矩反而變小。

圖16 拱頂y方向的彎矩My

圖17 拱底y方向的彎矩My

由計(jì)算結(jié)果可知，拱頂、拱側(cè)、上下海鷗塊中間立柱的彎矩My，在注漿前后相差不大，拱底處My結(jié)果相差較大。

2.4.1.2x方向的彎矩

從圖18、圖19的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，注漿前后結(jié)構(gòu)的x方向的彎矩差別較大，且由于注漿作用僅僅發(fā)生在襯砌的拱底，故結(jié)果對(duì)拱底、下海鷗塊、及中間立柱的下部影響比較大。而拱頂、拱側(cè)及上海鷗塊注漿前后的x方向彎矩變化比較小。計(jì)算結(jié)果表明，在注漿前后，拱頂、拱側(cè)及上海鷗塊的Mx變化（增長(zhǎng)）很小，增長(zhǎng)在1%～2%。而拱底、下海鷗塊、及中間立柱的x向彎矩Mx分別是注漿前的3.5倍、2.1倍和40倍。

2.4.2 注漿后襯砌上的正壓力分布

襯砌上的正壓力是指垂直于襯砌外表面的土壓力。本計(jì)算給出了雙圓襯砌上部、下部、側(cè)面的正壓力，如圖20、圖21所示。

結(jié)果顯示，雙圓襯砌上拱頂?shù)淖畲笳龎毫s為0.36MPa，拱底部位正壓力最大值約為0.67MPa，是拱頂?shù)募s2倍。這說(shuō)明由于拱底注漿的作用，土體產(chǎn)生擠壓而導(dǎo)致襯砌上浮，使拱底襯砌正壓力增大，這與雙圓隧道剛剛建成的時(shí)候，由于雙圓襯砌的特殊形狀，在土體中形成了明顯的拱作用的情況明顯不同。特別是拱底區(qū)域內(nèi)有一批正壓力明顯大于周?chē)r砌的區(qū)域，此處即為拱底注漿的注漿孔的位置。同時(shí)與注漿之前相比，拱底的正壓力明顯增大，拱頂?shù)恼龎毫t沒(méi)有發(fā)生變化。

圖21 襯砌下部的正壓力

2.5 加固體強(qiáng)度提高對(duì)襯砌再次發(fā)生沉降的作用

考慮注漿體的強(qiáng)度提高、襯砌進(jìn)一步沉降，加固體對(duì)襯砌的作用。雙液注漿結(jié)束后，在襯砌底部深度為4m的范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)可以形成直徑約為1m的加固體。該加固體的強(qiáng)度指標(biāo)、彈性模量明顯高于原狀土體。由于地鐵列車(chē)的振動(dòng)荷載、土體流變等原因，襯砌在注漿結(jié)束后還會(huì)發(fā)生一定量的沉降。監(jiān)測(cè)表明，注漿期間，襯砌會(huì)發(fā)生一定量的隆起，注漿結(jié)束后又會(huì)發(fā)生回落沉降，通過(guò)控制注漿參數(shù)和注漿量，可以使隆起量控制在1mm范圍內(nèi)，主要目的是控制注漿環(huán)襯砌與周?chē)r砌的差異沉降，從而保證襯砌受力安全。注漿后的襯砌回落沉降一般小于注漿隆起量，盡管很小，但是由于加固體的強(qiáng)度和模量提高，該回落沉降量對(duì)襯砌受力的具體影響如何，襯砌是否安全，在此通過(guò)有限元計(jì)算詳細(xì)分析了加固體對(duì)襯砌的影響，為實(shí)際施工提供了理論依據(jù)。按照施工參數(shù)，雙液注漿體可能在襯砌底部形成深度約4m、直徑約1m的加固體?？紤]隧道襯砌周?chē)馏w強(qiáng)度因施工擾動(dòng)作用有一定程度的降低，按照實(shí)際測(cè)定，列車(chē)荷載的輪壓為8t，該荷載為集中力，把該荷載均勻施加在襯砌底部的相關(guān)節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)考慮該荷載為動(dòng)力荷載，本計(jì)算中按照靜力荷載考慮，故采用2.25的荷載系數(shù)。施加車(chē)輛荷載后，可以發(fā)現(xiàn)襯砌底部產(chǎn)生了大約0.75mm的沉降。

2.5.1 襯砌中的彎矩

2.5.1.1y方向的彎矩

關(guān)于y方向彎矩在襯砌沉降前后的比較：

根據(jù)圖22、圖23的計(jì)算結(jié)果，拱底、上下海鷗塊、中間立柱的My在襯砌沉降前后相差不大，變化量在5%以內(nèi)，拱側(cè)和拱頂處My結(jié)果相差較大，最多相差20%。

圖22 襯砌沉降后拱頂y向的彎矩

圖23 拱底y向的彎矩

2.5.1.2x方向的彎矩

圖24、25分別為拱頂和拱底x方向的彎矩。從圖的計(jì)算結(jié)構(gòu)來(lái)看，注漿前后結(jié)構(gòu)的x方向的彎矩差別較大，且由于注漿作用僅僅發(fā)生在襯砌的拱底，故結(jié)果對(duì)拱底、下海鷗塊、及中間立柱的下部影響比較大。而拱頂、拱側(cè)及上海鷗塊注漿前后的x方向彎矩變化比較小。拱頂、拱側(cè)、中間立柱及上海鷗塊的Mx變化（增長(zhǎng)）較大，立柱的Mx最多增長(zhǎng)了50%。而拱底、下海鷗塊x向彎矩Mx分別略有降低，但是變化幅度很小。

圖24 拱頂x方向的彎矩

2.5.2 襯砌沉降后襯砌上的正壓力分布

襯砌上的正壓力是指垂直于襯砌外表面的土壓力。本計(jì)算給出襯砌因受到列車(chē)荷載作用后雙圓襯砌上部、下部、側(cè)面的正壓力，如圖26、27所示。

圖25 拱底x方向的彎矩

圖26、圖27顯示了雙液注漿后強(qiáng)度形成，襯砌沉降后考慮加固體對(duì)襯砌的正壓力的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果顯示，由于加固體的反作用，注漿點(diǎn)處正壓力最大值約為0.76MPa，拱頂?shù)淖畲笳龎毫s為0.38 MPa。這說(shuō)明由于拱底注漿體的反作用，使拱底襯砌正壓力增大，此處即為拱底注漿的注漿孔位置。而在雙圓隧道剛剛建成的時(shí)候，拱底區(qū)域正壓力約為0.38MPa，即由于加固體的反作用，拱底的正壓力增加了一倍。

圖26 襯砌上部的正壓力

圖27 襯砌下部的正壓力

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)雙圓襯砌的注漿影響進(jìn)行了全過(guò)程的分析和模擬，詳細(xì)分析了注漿之前隧道襯砌剛剛施工完畢、雙液注漿后、雙液加固體強(qiáng)度提高后襯砌進(jìn)一步發(fā)生回落沉降的過(guò)程中，雙圓襯砌的各種內(nèi)力變化，包括襯砌的x方向和y方向的彎矩、襯砌外表面的正壓力、注漿引起的襯砌結(jié)構(gòu)的隆起和車(chē)輛荷載引起的襯砌結(jié)構(gòu)的回落沉降大小、加固體對(duì)襯砌的反作用。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得到如下結(jié)論。

（1）在管片拼裝后、二次注漿之前，管片內(nèi)力有下述規(guī)律：①初始y方向彎矩很小，拱頂海鷗塊的彎矩最大，立柱的彎矩最小，可以忽略不計(jì)；②雙圓襯砌上拱頂部位的正壓力最大值約為0.36MPa，拱底的最大正壓力約為0.4MPa，與拱頂相近。

（2）襯砌經(jīng)過(guò)二次注漿之后，內(nèi)力會(huì)發(fā)生變化，表現(xiàn)在：①由于注漿作用引起對(duì)土體的擾動(dòng)擠壓，注漿區(qū)域影響范圍內(nèi)土體明顯發(fā)生擠壓位移，以注漿區(qū)為中心土體向四周移動(dòng)；②注漿前的襯砌內(nèi)力相差較大；③注漿前后結(jié)構(gòu)的x方向的彎矩差別較大，注漿對(duì)拱底、下海鷗塊、及中間立柱的下部影響比較大。而拱頂、拱側(cè)及上海鷗塊的注漿前后的x方向彎矩變化比較??；④雙圓襯砌上拱頂?shù)淖畲笳龎毫s為0.36MPa，拱底部位正壓力最大值約為0.67MPa，是拱頂?shù)募s2倍。

（3）再次沉降后襯砌受力分析：①y方向彎矩在襯砌沉降前后的比較：與注漿前的襯砌內(nèi)力相差較小。拱底、上下海鷗塊及中間立柱的My幾乎沒(méi)有變化；②x方向的彎矩差別較大，且由于注漿作用僅僅發(fā)生在襯砌的拱底，故結(jié)果對(duì)拱底、下海鷗塊、及中間立柱的下部影響比較大。而拱頂、拱側(cè)及上海鷗塊注漿前后的x方向彎矩變化比較??；③雙液注漿強(qiáng)度形成后，由于加固體的反作用，注漿點(diǎn)處局部正壓力為0.76MPa，拱頂?shù)淖畲笳龎毫s為0.37MPa。這說(shuō)明由于拱底注漿體的反作用，使拱底襯砌正壓力增大。而在雙圓隧道剛剛建成的時(shí)候，拱底區(qū)域正壓力約為0.40MPa，即由于加固體的反作用，此處的正壓力增加了45%，但是襯砌此時(shí)還是安全的。

［1］鄭永來(lái)，韓文星，童琪華，等.軟土地鐵隧道縱向不均勻沉降導(dǎo)致的管片接頭環(huán)縫開(kāi)裂研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，12，24（24）：4552.

［2］袁金榮.雙圓盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型研究［C］∥城市軌道交通工程最新技術(shù)—2003上海國(guó)際隧道工程論文集.同濟(jì)大學(xué)出版社，2003，165.