吳全立，王夢(mèng)恕，殷明倫

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044； 2.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100088；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

盾構(gòu)施工下穿既有線(xiàn)隧道時(shí)，對(duì)運(yùn)營(yíng)線(xiàn)的影響主要是既有線(xiàn)隧道變形。國(guó)內(nèi)學(xué)者大多從地層損失、盾尾管片背后環(huán)向間隙同步注漿率[1-2]、跟蹤注漿[3]、沉降槽理論[4]、監(jiān)測(cè)控制[5]等方面研究盾構(gòu)施工對(duì)運(yùn)營(yíng)線(xiàn)的影響，成果也比較成熟。盾構(gòu)隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)線(xiàn)時(shí)，既有線(xiàn)隧道的安全保護(hù)技術(shù)措施與對(duì)策是施工首先要考慮的問(wèn)題[6]。盾構(gòu)施工對(duì)周?chē)馏w及構(gòu)筑物的擾動(dòng)影響機(jī)理，大多通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)近距離穿越擾動(dòng)影響問(wèn)題進(jìn)行定量分析，研究和分析運(yùn)營(yíng)隧道對(duì)各盾構(gòu)施工參數(shù)的敏感性。盾構(gòu)穿越對(duì)已建地鐵隧道的擾動(dòng)影響主要以隧道的豎向位移為主，盾尾通過(guò)后隧道段受盾構(gòu)穿越的影響顯著，但隆起峰值始終位于盾尾后方[7]。目前，多位學(xué)者根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，研究了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)橫向和縱向地表沉降的影響過(guò)程，并探討了盾構(gòu)掘進(jìn)各個(gè)階段的沉降占總沉降量的百分比，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)橫向地表沉降的影響范圍，以及各種施工因素對(duì)地表沉降的影響[8-10]。

由于盾構(gòu)機(jī)配備的同步漿液的注入點(diǎn)在盾尾后方，無(wú)法及時(shí)填充盾體與土體之間的間隙，無(wú)法抑制盾體周邊土體變形等。因此當(dāng)盾構(gòu)下穿既有線(xiàn)隧道時(shí)，盾殼環(huán)向間隙成為控制盾構(gòu)體上方的土體沉降亟待解決的技術(shù)問(wèn)題，本文采用數(shù)值模擬方法分析其對(duì)既有線(xiàn)隧道變形規(guī)律的影響。

1 盾殼環(huán)向間隙

以刀盤(pán)直徑為6.28 m的盾構(gòu)機(jī)為研究對(duì)象，該盾構(gòu)機(jī)前盾直徑6.25 m，中盾直徑 6.24 m，盾尾直徑6.23 m。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，盾體與土體之間存在30～50 mm的間隙(因盾體自重，盾體下部與土體緊密接觸，上部間隙最大)，每掘進(jìn)1環(huán)(1.2 m)，理論上在前盾周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生0.35 m3的空隙。在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中，盾尾以后管片背后環(huán)向間隙由同步注漿注入注漿材料充填，刀盤(pán)前端由土艙內(nèi)渣土進(jìn)行充填，而刀盤(pán)與盾尾之間將形成空隙，從而產(chǎn)生地層變形沉降。盾殼周邊形成的環(huán)向間隙如圖1所示。

圖1 盾殼周邊形成的環(huán)向間隙示意

通常工況下，盾殼環(huán)向間隙是不注入填充材料的，其填充的是泥土料、同步注漿料以及泥水甚至是空氣的混合物。由于受土艙泥土壓力與盾尾同步注漿壓力相互作用的影響，這些混合物會(huì)表現(xiàn)出不同的情況。也正是這種填充材料的不確定性，才會(huì)在盾尾未達(dá)到該區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生難以控制的沉降。

1.1 盾殼環(huán)向間隙對(duì)沉降的影響程度

通常根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)在推進(jìn)過(guò)程中所引起的地表沉降，按盾構(gòu)施工各階段對(duì)沉降的影響，地表沉降可大致分為5個(gè)階段[11-12]如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)施工過(guò)程中沉降發(fā)展規(guī)律和階段劃分

前2個(gè)階段的沉降，主要與地層參數(shù)、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)參數(shù)有關(guān)。最后2個(gè)階段是通過(guò)同步注漿、二次注漿以及跟蹤注漿來(lái)進(jìn)行限制和糾正。只有第3階段的沉降(約占總沉降量的15%～30%[13])是由于盾殼周?chē)h(huán)向間隙與土體之間無(wú)有效支承引起的。

1.2 盾殼環(huán)向間隙充填的意義

對(duì)盾構(gòu)殼體外周環(huán)向間隙注入一種填充材料，以達(dá)到完全填充這個(gè)空間，對(duì)隧道開(kāi)挖土體形成一種有效支承作用，如圖3所示。

圖3 盾殼周邊環(huán)向間隙注入充填材料示意

當(dāng)盾構(gòu)施工穿越既有線(xiàn)時(shí)，這種充填更加必要?？四嘈Чしň褪窃谠摫尘跋乱M(jìn)應(yīng)用的，在北京地鐵14號(hào)線(xiàn)阜通西站—望京站區(qū)間下穿運(yùn)營(yíng)的15號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道工程中，運(yùn)營(yíng)線(xiàn)隧道沉降控制在允許范圍內(nèi)[14]。本文以克泥效充填為研究對(duì)象，采用ABAQUS軟件建立盾構(gòu)施工二維數(shù)值計(jì)算模型，分析環(huán)向間隙充填對(duì)穿越既有線(xiàn)隧道變形規(guī)律的影響。

2 依托工程概況

2.1 區(qū)間概況

深圳地鐵9號(hào)線(xiàn)梅村至上梅林區(qū)間(簡(jiǎn)稱(chēng)梅上區(qū)間)采用2臺(tái)盾構(gòu)自上梅林站始發(fā)，下穿地鐵4號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間隧道，最后到達(dá)梅村站接收。目前上跨段廣深港客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)尚未開(kāi)通，地鐵4號(hào)線(xiàn)已運(yùn)營(yíng)。

2.2 4號(hào)線(xiàn)(龍華線(xiàn))隧道與線(xiàn)路關(guān)系

深圳地鐵4號(hào)線(xiàn)位于上梅林站西側(cè)，中康路下方，為直徑6 m的盾構(gòu)隧道。隧道拱頂覆土約8.5 m，軌面標(biāo)高9.048 m。

梅上區(qū)間隧道與4號(hào)線(xiàn)類(lèi)似正交，4號(hào)線(xiàn)右線(xiàn)外緣距離9號(hào)線(xiàn)上梅林站基坑16.7 m，4號(hào)線(xiàn)右線(xiàn)外緣距離9號(hào)線(xiàn)上梅林站基坑19.1 m。9號(hào)線(xiàn)隧道頂部與4號(hào)線(xiàn)隧道底部?jī)艟嘧钚?.497 m，最大3.108 m。9號(hào) 線(xiàn)隧道圍巖主要為可塑砂礫質(zhì)黏性土、硬塑砂礫質(zhì)黏性土及全風(fēng)化混合巖。4號(hào)線(xiàn)與9號(hào)線(xiàn)交叉區(qū)域平面位置如圖4所示。

圖4 4號(hào)線(xiàn)與9號(hào)線(xiàn)交叉區(qū)域平面位置示意

3 本構(gòu)模型建立與參數(shù)選取

利用ABAQUS大型通用有限元軟件進(jìn)行分析，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，如圖5所示。分別定義了直線(xiàn)AB和BC的破壞包絡(luò)線(xiàn)

圖5 Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則

根據(jù)所依托工程的地質(zhì)詳勘報(bào)告，本次計(jì)算所采用的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

4 二維數(shù)值分析模型及計(jì)算結(jié)果

4.1 二維數(shù)值模型建立

采用ABAQUS軟件建立盾構(gòu)施工二維數(shù)值計(jì)算模型。假定其他盾構(gòu)參數(shù)按最理想的狀態(tài)設(shè)置，即土壓力、推力以及同步注漿是最佳參數(shù)，不會(huì)因?yàn)槠渌麉?shù)而導(dǎo)致土體失穩(wěn)超挖。模型中，土體用二維平面應(yīng)變單元(CPE3，CPE4)模擬，x方向?yàn)樗淼篱_(kāi)挖方向，y方向?yàn)樯疃确较?。模型尺寸?6 m(x方向)×50 m(y方向)，既有線(xiàn)直徑取6 m，開(kāi)挖直徑取6.3 m，其中6.23 m為盾殼外徑，0.07 m為盾構(gòu)開(kāi)挖間隙，用克泥效填充?？四嘈в商厥馀驖?rùn)土漿液(A液，膨潤(rùn)土∶水=1∶2)和水玻璃液(B液，水玻璃∶水=1∶1)2部分組成。模擬中采用剛度遷移法模擬開(kāi)挖，在開(kāi)挖步中增大開(kāi)挖區(qū)土體的彈性模量，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開(kāi)挖前。在需要克泥效填充的地方進(jìn)行剛度衰減，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖模擬。

4.2 開(kāi)挖步序的模擬

盾構(gòu)開(kāi)挖是一個(gè)逐步推進(jìn)的過(guò)程，如圖6所示。根據(jù)盾構(gòu)施工推進(jìn)中刀盤(pán)與既有線(xiàn)的相對(duì)位置確定各斷面，選擇9個(gè)斷面研究既有線(xiàn)隧道的沉降情況。規(guī)定以既有線(xiàn)左右線(xiàn)的中心點(diǎn)為0點(diǎn)，盾構(gòu)推進(jìn)方向?yàn)閤正方向(下同)。斷面1位于既有右線(xiàn)隧道外輪廓最右側(cè)點(diǎn)45°延長(zhǎng)線(xiàn)與開(kāi)挖隧道輪廓上沿交點(diǎn)處，x=-15.57 m，刀盤(pán)進(jìn)入影響區(qū)；依次類(lèi)推至斷面9(位于既有左線(xiàn)隧道外輪廓最左側(cè)點(diǎn)135°延長(zhǎng)線(xiàn)與開(kāi)挖隧道輪廓上沿交點(diǎn)向左10 m，x=25.57 m)，此時(shí)盾尾脫離影響區(qū)。

圖6 開(kāi)挖步序9個(gè)斷面與既有線(xiàn)的位置關(guān)系

4.3 盾殼環(huán)向間隙填充材料模擬

盾殼環(huán)向間隙填充物參照現(xiàn)在常用的克泥效，為便于計(jì)算設(shè)定彈性模量E=10 000 kPa，泊松比ν=0.25，黏聚力c=10 kPa，其余參數(shù)與砂質(zhì)黏土相同。

4.4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.4.1 盾殼環(huán)向間隙注入率對(duì)既有線(xiàn)影響

保持ν,c不變，變換E，以不同E值代表環(huán)向間隙的注入率。原狀土彈性模量為40 000 kPa，其中E=500 kPa 時(shí)，表示無(wú)注入，其值遠(yuǎn)小于原狀土，即盾殼環(huán)向間隙中自然充填泥水渣土(圖1所示)；E=5,10,20,40 MPa時(shí)，表示環(huán)向間隙注入率(盾殼環(huán)向間隙注入的飽滿(mǎn)度)分別為12.5%,25%,50%,100%。

E=500 kPa時(shí)，相當(dāng)于盾殼環(huán)向間隙無(wú)填充時(shí)，既有雙線(xiàn)隧道最大累計(jì)沉降約4.5 cm。以注入率自12.5%至100%時(shí)對(duì)既有線(xiàn)右線(xiàn)的影響為例進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖7?？芍?，注入率對(duì)既有線(xiàn)隧道沉降影響明顯。盾殼外環(huán)向間隙注漿充填可大大降低該階段的沉降，注入率越大，既有線(xiàn)隧道沉降越小，反之沉降越大。

圖7 不同注入率時(shí)既有線(xiàn)右線(xiàn)隧道沉降曲線(xiàn)

4.4.2 填充材料泊松比對(duì)既有線(xiàn)沉降的影響

保持E,c不變，變換ν。泊松比ν分別取0.20，0.25，0.30，模擬計(jì)算其對(duì)右線(xiàn)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 不同泊松比時(shí)既有線(xiàn)右線(xiàn)隧道沉降曲線(xiàn)

由圖8可知，填充材料的泊松比對(duì)沉降的影響較大，泊松比越大，沉降越小。泊松比反映了材料限制橫向變形的能力，因此要求材料注入后快速發(fā)揮作用。這說(shuō)明需要選擇在動(dòng)壓力下具有一定的流動(dòng)性與可注入性以及在靜壓力下具有較好抗壓縮性能的材料，即限制橫向變形能力強(qiáng)、泊松比大的材料。

4.4.3 填充材料黏聚力對(duì)既有線(xiàn)沉降的影響

保持E,ν不變，c變換。黏聚力c分別取5，10，20 kPa，模擬計(jì)算其對(duì)右線(xiàn)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 不同黏聚力時(shí)既有線(xiàn)右線(xiàn)隧道沉降曲線(xiàn)

由圖9可知，填充材料的黏聚力在5～20 kPa時(shí)，對(duì)既有線(xiàn)沉降的影響基本可以忽略不計(jì)，說(shuō)明環(huán)向間隙填充材料的黏聚力不是主要影響參數(shù)。

5 應(yīng)用驗(yàn)證與分析

盾構(gòu)施工下穿4號(hào)線(xiàn)時(shí)，利用盾構(gòu)機(jī)前盾的超前注漿孔向盾構(gòu)機(jī)外殼注入克泥效，達(dá)到填充防止沉降與止水的目的。克泥效可與同步注漿同時(shí)注入，以保證盾殼外殼周邊環(huán)向間隙填充的及時(shí)性及有效性。采用2臺(tái)可調(diào)節(jié)流量的泵在前盾向外注入，在注入過(guò)程中，通過(guò)Y型注漿頭混入A，B 2種漿液，B液的注入率約為5%～6%。漿液混合后在40 s內(nèi)達(dá)到初凝，形成黏性較高且難以稀釋的膏狀物?？四嘈ё⑷胄Ч鐖D10所示。

圖10 克泥效注入效果示意

以既有線(xiàn)右線(xiàn)盾構(gòu)施工為例，自11月14日23時(shí)開(kāi)始推進(jìn)第9環(huán)(此時(shí)刀盤(pán)進(jìn)入4號(hào)線(xiàn)影響區(qū))至1月18日8時(shí)推進(jìn)至第31環(huán)(此時(shí)盾尾脫出4號(hào)線(xiàn)西線(xiàn))，右線(xiàn)盾構(gòu)穿越4號(hào)線(xiàn)用時(shí)約3 d，共計(jì)注入克泥效14.5 m3。根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)[15]，過(guò)程中既有線(xiàn)最大累計(jì)沉降量為6.53 mm，地表最大累計(jì)沉降量為7.88 mm。說(shuō)明克泥效注漿有效地控制了第3階段即盾殼通過(guò)階段的地層沉降。

6 結(jié)論

通過(guò)分析盾構(gòu)下穿既有線(xiàn)盾殼環(huán)向間隙引起沉降的原因，采用ABAQUS二維有限元數(shù)值模擬方法分析了盾構(gòu)開(kāi)挖所形成的盾殼環(huán)向間隙填充效應(yīng)對(duì)既有線(xiàn)沉降的影響，揭示了環(huán)向間隙注入飽滿(mǎn)度、注入材料性能對(duì)沉降的影響規(guī)律，主要取得以下結(jié)論：

1)盾殼環(huán)向間隙注漿對(duì)于控制地表沉降特別是既有線(xiàn)隧道的變形具有重要的作用。

2)盾殼環(huán)向注漿注入率或者飽滿(mǎn)度與第3階段發(fā)生的沉降有著直接關(guān)系，即注入率越高或者飽滿(mǎn)度越好，該階段產(chǎn)生的沉降就越小，反之越大。

3)注入材料泊松比對(duì)沉降的影響較大，泊松比越大，沉降越小。這就要求注入材料要有即凝性(注入后快速發(fā)揮作用)，須選擇在動(dòng)壓力下具有一定的流動(dòng)性與可注入性、在靜壓力下具有較好抗壓縮性能的材料，即限制橫向變形能力強(qiáng)、泊松比大的材料。

4)注入材料的黏聚力對(duì)于沉降的影響不大，在注入材料選擇上可不予考慮。

5)本文計(jì)算數(shù)值以依托工程為依據(jù)，工程數(shù)據(jù)選擇與材料參數(shù)選擇均受到較大的限制，因此后續(xù)可以在彈性模量、泊松比、黏聚力的選取上進(jìn)行更多數(shù)據(jù)交叉對(duì)比模擬分析，以取得更深層次的規(guī)律。