郎瑞卿 李慶斌 趙 俊 陳霞飛 晏建偉 張京京 冀國(guó)棟

(1. 天津城建大學(xué) 天津 300384；2. 中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222；3.中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司 天津 300202)

1 引言

近年來，盾構(gòu)隧道施工在我國(guó)地鐵建設(shè)中應(yīng)用廣泛。 在盾構(gòu)掘進(jìn)的工程中，隧道管片上浮是較為普遍的問題。 若管片上浮量較大，不但會(huì)導(dǎo)致管片錯(cuò)臺(tái)、局部破損等問題，還會(huì)影響軸線的整體位置。因此，針對(duì)性地開展深厚軟弱土層中盾構(gòu)管片上浮研究具有重要的科學(xué)和實(shí)踐意義。

目前，已有較多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)管片上浮機(jī)理和特性進(jìn)行了分析并取得了許多值得借鑒的成果：Thomas等[1]通過數(shù)值模擬的方法研究了注漿壓力對(duì)管片上浮量的影響，研究表明上浮量隨著注漿壓力的增大而增大；戴志仁[2]通過理論推導(dǎo)得到了管片總上浮力的計(jì)算方法；葉飛等[3]通過研究提出“動(dòng)態(tài)上浮力”是影響管片上浮量的主要因素，并推導(dǎo)得到了動(dòng)態(tài)上浮力的計(jì)算模型；陳仁朋等[4]利用大型商用軟件ABAQUS 建立了三維管片施工期上浮分析模型，模型中考慮螺栓、盾構(gòu)機(jī)殼體、注漿體、水土壓力之間的相互作用，分析了管片上浮規(guī)律及上浮引起的管片之間差異變形等；季昌等[5]結(jié)合寧波地區(qū)某盾構(gòu)工程，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了盾構(gòu)掘進(jìn)速度等參數(shù)對(duì)管片上浮量的影響；魏綱等[6]通過理論分析建立了施工階段管片的受力模型和相應(yīng)的計(jì)算公式。 上述研究對(duì)于分析福州地區(qū)盾構(gòu)管片上浮量具有借鑒意義。 但由于福州臨海地區(qū)地質(zhì)條件的特殊性，針對(duì)性地開展相關(guān)研究具有重要價(jià)值。

本文結(jié)合福州某地鐵盾構(gòu)工程，建立了考慮地層損失和軟土擾動(dòng)的盾構(gòu)過程中管片上浮的數(shù)值模擬方法，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證。 利用已驗(yàn)證的數(shù)值模擬方法分析了同步等效注漿壓力、注漿量、漿液壓縮模量、土倉壓力和隧道埋深等對(duì)盾構(gòu)參數(shù)對(duì)管片上浮量和上浮規(guī)律的影響，并建立了管片上浮量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。 研究成果可為類似工程提供參考。

2 工程實(shí)例

福州某地鐵隧道工程某區(qū)間左線和右線均采用盾構(gòu)法施工，某區(qū)段需穿越深厚軟弱淤泥土層，厚度達(dá)16.5 m，此處盾構(gòu)埋深10.9 m。 隧道采用圓形襯砌，襯砌外徑為6.2 m，厚度為0.35 m，內(nèi)徑為5.5 m，如圖1 所示。 該區(qū)段自地表向下分別分布有雜填土、淤泥和中細(xì)砂，土體參數(shù)如表1 所示。

盾構(gòu)區(qū)間地下水與閩江水相互補(bǔ)給，平均地下水位埋深為1. 2 m。受到閩江潮汐水位影響，盾構(gòu)區(qū)間水位呈周期性變化，周期為一天，變化最大幅值為1.5 m，如圖2 所示。

圖1 盾構(gòu)剖面圖

表1 場(chǎng)地主要地基土層分布及工程性質(zhì)

圖2 水位隨時(shí)間變化曲線

隧道全部處于深厚淤泥層中，此類土體受到卸荷、盾構(gòu)擾動(dòng)等影響容易產(chǎn)生弱化現(xiàn)象[7-8]。 同時(shí)，在地層損失等的影響下，若不能較好地控制盾構(gòu)參數(shù)，將會(huì)引起管片產(chǎn)生較大的上浮，危害隧道安全和周邊環(huán)境安全。

3 有限元分析

3.1 模型的建立

采用數(shù)值模擬方法對(duì)此類深厚軟弱地層中盾構(gòu)管片上浮機(jī)理和上浮量進(jìn)行深入分析。 為了提高計(jì)算效率，忽略了盾構(gòu)機(jī)刀片等的影響，數(shù)值模型中只包含土體、盾構(gòu)機(jī)盾殼、襯砌管片等。 為了降低邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，建立60 m(高) × 50 m(寬) ×42 m(長(zhǎng))的土體，其中長(zhǎng)度方向?yàn)槎軜?gòu)掘進(jìn)方向，共30環(huán)管片，如圖3 所示。

由于修正劍橋模型能夠較好地反映卸荷狀態(tài)下軟土的應(yīng)力應(yīng)變特性，因此采用修正劍橋模型對(duì)雜填土和淤泥進(jìn)行模擬，參數(shù)選取見表2。 采用摩爾庫倫本構(gòu)模擬中細(xì)砂，模擬中參數(shù)選取見表1。

圖3 有限元計(jì)算模型

表2 土體劍橋模型參數(shù)

在盾構(gòu)機(jī)殼體外側(cè)設(shè)置土體剪切擾動(dòng)區(qū)[9]，范圍為0.5 倍盾構(gòu)半徑，對(duì)應(yīng)的土體強(qiáng)度參數(shù)和變形參數(shù)均折減30%。

利用等代層模擬注漿體，盾構(gòu)機(jī)、襯砌和等代層均采用彈性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。 盾構(gòu)機(jī)與土體、管片與土體之間的相互作用采用罰函數(shù)進(jìn)行模擬，等代層與土體之間相互作用采用耦合作用模擬。 計(jì)算完成后，提取第15 環(huán)管片底部中點(diǎn)上浮量進(jìn)行分析[10-12]。

3.2 模型驗(yàn)證

該工程中右線隧道先于左線施工，故利用右線中相同地質(zhì)條件下管片上浮量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證。 右線工程中等效注漿壓力為40 kPa，土倉壓力為175 kPa，注漿量約為每環(huán)4.8 m3，注漿體壓縮模量為8 MPa。 管片上浮量實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬計(jì)算值對(duì)比如圖4 所示。

圖4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬值對(duì)比

由圖4 可知，在脫離盾尾初期，實(shí)測(cè)上浮量略大于數(shù)值模擬值，但兩者差異較小，后期數(shù)值模擬得到的上浮量與實(shí)測(cè)值較為接近。 說明本文建立數(shù)值模擬方法能夠較好地反映深厚軟土地層中由于土體卸荷引起管片的上浮特性。

4 因素研究

為了研究不同工況下管片上浮量，利用上述數(shù)值模擬方法對(duì)不同等效注漿壓力、土倉壓力、注漿量、隧道埋深條件下的盾構(gòu)管片上浮情況進(jìn)行研究。

4.1 同步等效注漿壓力影響

不同同步注漿壓力p下，第15 環(huán)管片底部變形隨脫離盾構(gòu)環(huán)數(shù)變化如圖5 所示。

圖5 管片位移隨管片環(huán)號(hào)變化曲線

由圖5 可知，管片脫離盾構(gòu)機(jī)后，距離盾尾0 ～2.4 m 范圍內(nèi)管片急劇上浮，上浮量占總上浮量的60%，主要原因?yàn)榇藭r(shí)管片剛脫離盾構(gòu)機(jī)的約束，且注漿漿液也處于凝結(jié)過程中，模量較小，在較大的應(yīng)力水平差之下，管片發(fā)生較大的上?。欢軜?gòu)機(jī)遠(yuǎn)離管片2.4 ～8.4 m 范圍內(nèi)，管片上浮增量降低且比較均勻平緩，主要原因?yàn)楣芷嚯x開挖面較遠(yuǎn)，地層應(yīng)力釋放對(duì)其影響較小，此時(shí)漿液凝結(jié)時(shí)間已經(jīng)較長(zhǎng)，模量較大，同時(shí)，受到管片之間相互的作用力的約束，上浮量有一定的降低；盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離管片8.4～14.4 m 范圍內(nèi)，管片上浮量基本穩(wěn)定，主要原因?yàn)榇藭r(shí)管片受到開挖影響進(jìn)一步降低，漿液模量進(jìn)一步增大，同時(shí)土體固結(jié)也基本完成。 綜上可將管片上浮分為三個(gè)階段：0 ～2 環(huán)為上浮激增區(qū)，3 ～7環(huán)為上浮平緩區(qū)，8 ～12 環(huán)為上浮穩(wěn)定區(qū)。

4.2 注漿量影響

不同注漿量V下，第15 環(huán)管片底部變形隨脫離盾構(gòu)環(huán)數(shù)變化如圖6 所示。

圖6 管片位移隨管片環(huán)號(hào)變化曲線

由圖6 可知，隨著注漿量的增大，管片底部上浮量不斷增大。 管片底部受到周圍土體卸荷回彈的影響，有上浮的趨勢(shì)，大量漿液的填充增大了這種趨勢(shì)。

4.3 土倉壓力影響

不同土倉壓力P下，第15 環(huán)管片底部變形隨脫離盾構(gòu)環(huán)數(shù)變化如圖7 所示。

圖7 管片位移隨管片環(huán)號(hào)變化曲線

由圖7 可知，隨著土倉壓力的增大，管片底部上浮量不斷增大。 土倉壓力過大或者過小都會(huì)對(duì)盾構(gòu)前方土體產(chǎn)生一定擾動(dòng)，使其承載能力和抵抗變形能力降低，從而使管片上浮量增大。

4.4 隧道埋深影響

不同隧道埋深H下，第15 環(huán)管片底部變形隨脫離盾構(gòu)環(huán)數(shù)變化如圖8 所示。

圖8 管片位移隨管片環(huán)號(hào)變化曲線

由圖8 可知，隨著隧道埋深的增大，管片底部上浮量不斷降低。 隧道埋深較小時(shí)，土體卸載后對(duì)管片產(chǎn)生向上的作用力，此時(shí)由于埋深較小沒有較大的荷載壓著管片，管片會(huì)產(chǎn)生較大的上浮，反之，由于作用在管片上的荷載較大，因此，隨著隧道埋深的增大，上浮量降低。

4.5 漿液壓縮模量影響

不同漿液壓縮模量Es下，第15 環(huán)管片底部變形隨脫離盾構(gòu)環(huán)數(shù)變化如圖9 所示。

圖9 管片位移隨管片環(huán)號(hào)變化曲線

由圖9 可知，隨著壓縮模量的增大，管片底部的上浮量不斷增大。 管片底部受到周圍土體卸荷回彈的影響，有上浮的趨勢(shì)，漿液模量增大了這種趨勢(shì)。

5 管片上浮量經(jīng)驗(yàn)公式

將注漿壓力、漿液模量、土倉壓力、土體參數(shù)、水位條件等參數(shù)歸一化后與隧道管片變形量建立關(guān)系，則可得到經(jīng)驗(yàn)公式如式(1)和(2)所示：

式中，γi為土體飽和容重(kN/m3)；Hi為土層厚度(m)；隧道埋深H＝H1＋H2＋…＋Hn(m)；P為土倉壓力(kPa)；Es為漿液模量(kPa)；p為注漿壓力(kPa)；h為等代層厚度(m)；D為盾構(gòu)機(jī)外徑(m)；d為管片外徑(m)。

擬合效果如圖10 所示。

圖10 管片上浮量擬合效果

由圖10 可知，擬合曲線置信度為97%，擬合曲線能夠較好地反映盾構(gòu)埋深、注漿壓力、注漿量、注漿模量、土倉壓力等與管片上浮量的關(guān)系。

6 結(jié)論

本文結(jié)合福州某地鐵盾構(gòu)工程，建立了考慮地層損失和軟土擾動(dòng)的盾構(gòu)過程中管片上浮的數(shù)值模擬方法，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證。 利用已驗(yàn)證的數(shù)值模擬方法分析了同步等效注漿壓力、注漿量、漿液壓縮模量、土倉壓力和隧道埋深等盾構(gòu)參數(shù)對(duì)管片上浮量和上浮規(guī)律的影響，并建立了管片上浮量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。 主要結(jié)論如下：

(1)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合度較高，數(shù)值模擬能夠較真實(shí)反映盾構(gòu)管片的上浮特性。

(2)隨著注漿壓力、土倉壓力、注漿量、漿液模量的增大，管片上浮量增大；隨著埋深的增加，管片上浮量降低；管片上浮可分為三個(gè)階段，0 ～2 環(huán)為上浮激增區(qū)，3 ～7 環(huán)為上浮平緩區(qū)，8 ～12 環(huán)為上浮穩(wěn)定區(qū)。

(3)歸一化得到了包含盾構(gòu)埋深、注漿壓力、注漿量、注漿模量、土倉壓力等參數(shù)的管片上浮量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，可為類似工程提供參考。