劉俊生，盧金芳

(南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

1 引 言

近些年來，我國城市地鐵建設(shè)發(fā)展迅速，其隧道的主要施工方法包括明挖法、蓋挖法、暗挖法和盾構(gòu)法等[1]。在這些方法中，盾構(gòu)法以其開挖速度快、對(duì)周邊環(huán)境影響小、施工勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各個(gè)城市的地鐵隧道建設(shè)中[2，3]。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，預(yù)制襯砌在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)完成拼裝，在盾尾脫出后，襯砌管片與土體之間會(huì)形成盾尾空隙[4]。盾尾空隙的存在會(huì)使周圍土體處于未支護(hù)狀態(tài)而產(chǎn)生沉降，進(jìn)而造成對(duì)周圍構(gòu)筑物及地下管線的影響[5，6]。

根據(jù)20多個(gè)隧道工程實(shí)例資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Peck[8]首先提出了盾構(gòu)施工引起的橫向地表沉降槽的概念：隧道開挖引起的垂直于隧道軸線方向(橫向)地表沉降曲線分布可用高斯曲線擬合表示。Peck公式以及一系列在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同地層和施工參數(shù)提出的修正Peck公式等是目前工程實(shí)踐中應(yīng)用比較普遍的方法。此后Attewell、O′Reilly和Clough等[9，10]很多學(xué)者在此基礎(chǔ)上對(duì)該式進(jìn)行研究，提出了各種不同土層情況下對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。為了減小盾尾空隙對(duì)地表沉降的影響，可采用盾構(gòu)同步注漿的方法，即通過襯砌環(huán)的注漿孔向空隙內(nèi)注入具有適當(dāng)?shù)脑缙诩白罱K強(qiáng)度的材料，來減小盾構(gòu)推進(jìn)過程中的土體損失，減小地表沉降，降低對(duì)周圍環(huán)境的影響。壁后注漿壓力的分布及大小直接影響注漿效果的好壞以及地表土體變形沉降的大小。Tomas Kasper[11]運(yùn)用三維有限云計(jì)算方法研究了盾構(gòu)施工過程中注漿壓力對(duì)地表沉降和隧道上浮的影響，指出增大注漿壓力可以有效地減小地表沉降。葉飛[12]基于彈塑性理論，推導(dǎo)了黏土地層的注漿壓力上臨界值計(jì)算式，并通過工程實(shí)例對(duì)不同土體參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。雷華陽[13]采用數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法研究了不同注漿孔分布形式對(duì)周圍地層施工擾動(dòng)的影響，指出及時(shí)注漿能盡快充填盾尾空隙可減小地表沉降。在實(shí)際施工過程中，注漿壓力大小的控制需要綜合考慮周圍地層條件以及地表沉降控制要求的影響，且在注漿過程中，注漿壓力的分布模式也往往呈現(xiàn)多樣性，研究盾構(gòu)隧道開挖壁后注漿對(duì)地表沉降變形的影響以及對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際施工具有十分重要的參考意義。

本文針對(duì)徐州地鐵1號(hào)線某隧道施工區(qū)間，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和ABAQUS三維有限元模擬軟件對(duì)盾構(gòu)開挖過程中注漿壓力對(duì)地表沉降變形規(guī)律的影響進(jìn)行研究，在數(shù)值分析中考慮盾構(gòu)施工過程，以及不同注漿壓力大小及分布模式的影響，以此來研究壁后注漿壓力對(duì)地表沉降變形的影響規(guī)律，找出合理注漿壓力大小及分布模式。

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)

徐州地鐵1號(hào)線某區(qū)間位于徐州市云龍區(qū)，盾構(gòu)沿線地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地層剖面如圖1所示，主要穿越黏土層、粉砂層、中風(fēng)化石灰?guī)r。區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越黏土地層以硬塑黏土為主，各層土的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1地層剖面圖

土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

地表沉降是施工最基本的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，它最能直接反映周圍環(huán)境的變化情況。通過地表沉降及時(shí)了解隧道周圍地表變形情況，及時(shí)分析，確保隧道掘進(jìn)及支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。橫向監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)為9個(gè)～13個(gè)，測(cè)點(diǎn)間距為 5 m，具體測(cè)點(diǎn)布置位置如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置位置示意圖

3 地表沉降變形規(guī)律

3.1 三維數(shù)值計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

盾構(gòu)施工過程較為復(fù)雜，為了研究壁后注漿這一因素對(duì)地表沉降變形的影響，其他施工步驟的數(shù)值模擬均采用與現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)機(jī)典型推進(jìn)一致的施工步驟，即土體首先在自重作用下完成固結(jié)沉降，再取盾構(gòu)機(jī)每步推進(jìn)長度為 2 m，盾構(gòu)推進(jìn)后，在盾尾后一環(huán)施加反力模擬注漿壓力，在下一施工步驟取消注漿壓力，激活注漿等代層和襯砌層，忽略注漿漿液凝固過程的影響。

為了減小其他因素對(duì)數(shù)值計(jì)算的影響，對(duì)計(jì)算模型作出如下假設(shè)：

(1)模擬土層采用均質(zhì)、各向同性的彈塑性土體，土體性質(zhì)沿深度方向不發(fā)生變化；

(2)襯砌-注漿等代層-土體之間接觸光滑，三者之間的變形簡化為協(xié)調(diào)變形；

(3)盾構(gòu)間隙假設(shè)被注漿等代層完全充填，不考慮注漿不良的情況；

(4)計(jì)算中不考慮地下水的作用，不考慮注漿漿液的凝固過程以及與土體之間的滲透作用，不考慮地表荷載，只考慮土體自重的影響。

基于徐州地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道施工區(qū)間，簡化計(jì)算模型，取盾構(gòu)機(jī)長度 14 m，模型中將盾構(gòu)機(jī)等代為殼單元，隧道埋深為 18 m，直徑 6.4 m，襯砌厚度 0.3 m。具體物理力學(xué)性能參數(shù)如表2所示：

其他材料數(shù)值參數(shù)取值 表2

計(jì)算軟件采用ABAQUS，計(jì)算模型尺寸為50 m×30 m×50 m(長×寬×高)，即沿隧道縱向長度為 30 m。土體共劃分單元 20 472個(gè)，注漿等代層、襯砌層和盾構(gòu)機(jī)各劃分單元348個(gè)。模型尺寸如圖3所示，模型示意圖如圖4所示：

圖3 模型尺寸示意圖

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

3.2 地表沉降實(shí)測(cè)與數(shù)值對(duì)比分析

現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)開挖完成后，共收集區(qū)間5個(gè)斷面的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地層穩(wěn)定后的地表橫向沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行整理分析，如圖5所示，對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯曲線擬合，并與在 0.3 MPa注漿壓力下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示，曲線相關(guān)擬合系數(shù)如表3所示。

圖5 斷面沉降實(shí)測(cè)曲線與計(jì)算曲線

圖6 斷面沉降實(shí)測(cè)與計(jì)算高斯擬合曲線

曲線擬合相關(guān)系數(shù)R2 表3

由圖可知監(jiān)測(cè)斷面DMDBC-15和DMDBC-18的曲線擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，最低斷面DMDBC-15相關(guān)擬合系數(shù)為0.92，5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面總體擬合相關(guān)系數(shù)較高，說明地表橫向沉降特征現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果都較好地符合高斯函數(shù)分布規(guī)律。

從五個(gè)斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，地表最大沉降量約在 7 mm～10 mm之間，其位置在隧道中心軸線 2 m范圍左右。當(dāng)選用注漿壓力為 0.3 MPa進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，最大沉降量為 11.7 mm，略大于現(xiàn)場(chǎng)沉降量，這與現(xiàn)場(chǎng)注漿壓力為 0.3 MPa～0.5 MPa的工程實(shí)際相符合，此外，從地表沉降影響區(qū)域的角度看，數(shù)值計(jì)算顯示約在距隧道中心軸線 20 m處地表沉降接近于0，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示五個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的沉降影響區(qū)域都大于 20 m，從趨勢(shì)線可以預(yù)測(cè)，沉降影響區(qū)域可至 30 m左右，約為4～5倍隧道直徑。從圖6中可以看出，5條擬合曲線的沉降槽各不一樣，但其趨勢(shì)和數(shù)值計(jì)算的擬合曲線趨勢(shì)一致，因此，該數(shù)值計(jì)算方法可以較為準(zhǔn)確地模擬該地層條件下盾構(gòu)隧道開挖的地表沉降變形規(guī)律。

4 注漿壓力對(duì)地表沉降變形規(guī)律的影響

4.1 注漿壓力的分布及大小

在盾構(gòu)壁后注漿的過程中，注漿壓力的大小直接影響到周圍土體的變形，如果注漿壓力過小，則無法起到彌補(bǔ)土體損失、減小地表沉降變形的效果；但是如果注漿壓力過大，會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生劈裂注漿效果，嚴(yán)重引起地表隆起變形，進(jìn)而影響周圍環(huán)境。由于注漿孔是上下左右兩側(cè)分別對(duì)稱布置，因此可認(rèn)為兩側(cè)對(duì)稱注漿孔壓力一致，即注漿壓力沿襯砌豎向軸對(duì)稱分布，可假設(shè)為整環(huán)均勻分布和上下非均勻分布，如圖7所示。

圖7 壁后注漿壓力分布模式

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，將均勻分布注漿壓力范圍定為 0.2 MPa～0.4 MPa，并以 0.2 MPa為例，對(duì)非均勻注漿的拱底與拱頂?shù)淖{壓力比定為1.0，1.2，1.4和1.6，具體的方案如表4所示：

注漿壓力方案 表4

4.2 均勻注漿壓力下地表沉降變形

分別對(duì)表4中的5個(gè)梯度注漿壓力下的隧道模型進(jìn)行計(jì)算，得到不同注漿壓力作用下地表橫向沉降變形曲線，如圖8所示，地表最大沉降量與注漿壓力關(guān)系如圖9所示：

圖8 不同均勻注漿壓力地表橫向沉降圖

圖9 地表最大沉降量與注漿壓力關(guān)系圖

從圖8、圖9可以看出不同注漿壓力作用下地表沉降變形類似于正態(tài)分布曲線，符合PECK沉降曲線規(guī)律，即隧道中軸線處沉降量最大，沿軸線向兩側(cè)逐漸減小。同時(shí)可以看出，隨著注漿壓力的增大，地表沉降量逐漸減小，當(dāng)注漿壓力為 0.2 MPa時(shí)，地表最大沉降量為 12.76 mm，當(dāng)注漿壓力為 0.4 MPa時(shí)，地表最大沉降量為 10.47 mm，最大沉降量減少了約18%，因此，適當(dāng)?shù)脑龃笞{壓力可以有效地降低地表沉降。此外還可看出，地表橫向沉降槽的寬度也隨著注漿壓力的增大而減小。

從曲線兩端可以看出，大約在距離隧道中軸線3倍洞徑處地表沉降注漿趨向于0，因此可以判斷隨著注漿壓力的增大，地表沉降的影響范圍也在減小，如果繼續(xù)增大注漿壓力，在不考慮其和土體滲透作用的情況下，將會(huì)產(chǎn)生地表隆起現(xiàn)象。

地表沿隧道縱向沉降曲線如圖10所示：

圖10 不同注漿壓力下地表縱向沉降曲線圖

從圖8～圖10中可以看出，地表縱向沉降沿著隧道開挖方向呈現(xiàn)非線性逐漸減小的趨勢(shì)，盾構(gòu)正在穿越的斷面地表沉降量很小，盾構(gòu)穿越后地表沉降量陡然增大，即主要沉降量發(fā)生在盾構(gòu)通過、土體卸荷的階段，符合實(shí)際情況。從注漿壓力為 0.35 MPa和 0.4 MPa的縱向沉降曲線可以看出，在 30 m處出現(xiàn)了地表隆起現(xiàn)象，符合實(shí)際中盾構(gòu)推進(jìn)會(huì)出現(xiàn)的前隆后沉的現(xiàn)象。從曲線圖還可看出，縱向沉降隨著注漿壓力的增大而逐漸減小，當(dāng)注漿壓力逐漸增大時(shí)，初始開挖面沉降量逐漸減小，開挖面沉降雖亦減小，但趨于一致，且會(huì)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，因此，在選取注漿壓力時(shí)應(yīng)綜合考慮初始開挖面和盾構(gòu)開挖面的沉降影響。

4.3 非均勻注漿壓力下地表沉降變形

分別對(duì)表4中的4個(gè)非均勻注漿壓力方案進(jìn)行數(shù)值分析，得到非均勻注漿壓力作用下地表沉降變形曲線，具體見圖10，地表最大沉降量與注漿壓力關(guān)系如圖11所示。

從圖11中可以看出，地表沉降曲線與均勻注漿壓力作用下的沉降曲線分布規(guī)律相似，都符合PECK沉降曲線規(guī)律。此外，隨著拱底注漿壓力的增大，即拱底和拱頂注漿壓力不均勻程度增大，地表沉降量也逐漸增大。當(dāng)拱底與拱頂壓力比為1.0時(shí)，地表最大沉降量為 12.76 mm，當(dāng)壓力比為1.6時(shí)，地表最大沉降量為 16.10 mm，相比增加了26%，同時(shí)從沉降曲線兩端可以看出，隨著注漿壓力不均勻程度的增大，地表沉降影響范圍也在擴(kuò)大，因此，在實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)盡量控制注漿壓力的均勻程度，以此降低地表沉降。

圖11 不同非均勻注漿壓力地表橫向沉降圖

圖12 地表最大沉降量與非均勻注漿壓力關(guān)系圖

圖13 地表縱向沉降曲線圖

從圖11～圖13中可以看出，與均勻注漿壓力相似，在不均勻注漿壓力作用下地表縱向沉降沿著隧道開挖方向非線性減小，主要沉降量亦發(fā)生在盾尾脫出階段。在初始開挖面位置，注漿壓力比為1.6時(shí)的地表沉降量比注漿壓力比為1.0時(shí)的地表沉降量增加了26%，在盾構(gòu)開挖面位置，當(dāng)注漿壓力比為1.0時(shí)，地表沉降量為 4.1 mm，當(dāng)注漿壓力比為1.6時(shí)，地表沉降量為 6.0 mm，增加了約46%，但沉降量約占開挖面沉降量的1/3，因此，從縱向沉降曲線來看，在實(shí)際施工中，應(yīng)保持均勻注漿，以降低地表沉降量。

5 結(jié) 論

考慮了盾構(gòu)隧道開挖壁后注漿壓力分布模式及大小對(duì)地表沉降的影響，對(duì)盾構(gòu)隧道的開挖過程進(jìn)了數(shù)值模擬，將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)不同注漿壓力大小以及在分布模式作用下隧道地表土體的沉降規(guī)律進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地表橫向沉降曲線與符合高斯函數(shù)曲線擬合度較高，符合高斯函數(shù)分布規(guī)律，地表最大沉降量在 7 mm～10 mm，在控制范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)曲線與數(shù)值分析曲線規(guī)律一致，表明該數(shù)值分析方法可較準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)場(chǎng)地表沉降情況。

(2)均勻注漿壓力作用下，隧道上方地表沉降量隨著注漿壓力的增大而逐漸減小，但是當(dāng)超過一定界值時(shí)，隧道橫斷面方向約3倍洞徑處會(huì)產(chǎn)生地表隆起現(xiàn)象，在隧道開挖方向上，隧道開挖面位置會(huì)產(chǎn)生地表隆起現(xiàn)象。因此為合理控制地表沉降變形，選擇合適的注漿壓力便顯得較為重要，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果曲線圖，當(dāng)注漿壓力為 0.35 MPa時(shí)，為較合適注漿壓力。

(3)非均勻注漿壓力作用下，隧道上方地表沉降量隨著注漿壓力的不均勻程度的增大而增大，無論是隧道初始開挖面還是盾構(gòu)掘進(jìn)面的沉降都符合這一規(guī)律，因此，在實(shí)際施工中，應(yīng)盡量保持注漿壓力均勻。

(4)不同注漿壓力的大小會(huì)影響到地表發(fā)生沉降變形的范圍，從數(shù)值模擬結(jié)果看，影響半徑基本大于3倍洞徑，但隨著注漿壓力的增大，其影響范圍的界值也在改變，因此，在實(shí)際施工過程中可根據(jù)地表安全區(qū)范圍的控制要求合理調(diào)整注漿壓力。