路開道

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司 江蘇南京 211899）

1 引言

近年來，隨著全國隧道大規(guī)模建設，隧道施工周邊環(huán)境和地質越來越復雜，盾構法以其對周圍建（構）筑物擾動小、適應性好和安全性高等優(yōu)勢成為隧道建設的主要施工方法［1］。同步注漿是盾構法施工過程中的重要步驟，能夠及時填充盾尾后的空隙，減小對周圍土體的擾動。經過學者研究和現場監(jiān)測數據表明，同步注漿質量直接影響施工引起的地表沉降大?。?］。注漿壓力過小，會引起地表沉降過大；注漿壓力較大時，會引起漿液滲進盾構內部即盾尾漏漿，且超出地層所能承受的最大壓力最終導致不可恢復的變形［3］，尤其是受力不穩(wěn)定的砂卵石地層，施工過程極易破壞初始平衡狀態(tài)，使臨空面失去支撐而產生大變形，給工程施工、設計帶來極大困難［4］。

趙天石［5］等和韋良文［6］等依托上海市西藏南路越江隧道等工程對泥水盾構同步注漿材料配比、漿液性能及施工土體穩(wěn)定性進行分析，研制出適合工程的同步注漿漿液。梁小英［7］對滲透系數大的富水地層盾構隧道同步注漿材料性能及配比進行了研究。張亞彬［8］結合實際工程對富水砂層盾構隧道進行變形監(jiān)測，研究表明同步注漿量、注漿壓力、注漿時機等因素為盾構施工中引起地表沉降的主要影響因素，并提出嚴格控制同步注漿壓力、保障同步注漿量、減小施工擾動的建議。張海濤［9］等針對上海西藏南路越江隧道進行漿液配比試驗，并根據翔殷路隧道上浮監(jiān)測數據，對隧道上浮機理和控制對策做了詳細研究。王成［10］等通過分析管片上浮的主要原因，提出改進同步注漿設備方案，在盾尾處采用常規(guī)同步漿液與雙液漿相混合注入管片與開挖面之間的空隙，并通過實驗證明該新型注漿材料的有效性。張金龍［11］等通過理論推導和數值模擬相結合的方法，對盾構隧道壁后注漿漿液擴散機理與管片受力特征進行了研究。馮士杰和來永玲［12］等基于漿液的流動方程和連續(xù)方程推導出漿液壓力梯度與上浮力的關系，并結合現場監(jiān)測數據分析其合理性。

上述研究在一定程度上可對水下砂卵石地層盾構隧道注漿壓力提供參考，但由于各工程地形地貌、氣候條件以及水文條件之間的差異，既有研究成果尚不能對相關盾構隧道同步注漿工作提供定量指導。因此，本文依托常德沅江過江隧道工程，采用有限元軟件FLAC3D，探討了盾構施工擾動下地層孔隙水壓力的空間分布特性，并結合盾構隧道拱頂、拱腰及拱底等不同位置的孔隙水壓數據，對管片外側孔隙水壓力場分布規(guī)律進行研究，為確定滲流作用下拱頂、拱腰及拱底等位置的注漿壓力合理值提供依據。

2 工程概況

該水下隧道位于常德市城區(qū)，大體呈南北走向，南起鼎城陽明路，北接皂果北路。進口段主要位于皂果北路，出口段位于陽明路，工程路線全長2 240 m，其中過江隧道段長度1 680 m。過江段采用盾構法施工，盾構內徑為10.3 m，外徑為11.3 m。管片采用C50鋼筋混凝土平板型管片，采用砂漿進行注漿，注漿層厚0.2 m。兩岸地面高程為30.0～34.0 m，沅江大堤高程為42.5 m，河床高程為14.0～26.0 m。常德沅江過江隧道縱斷面如圖1所示。

圖1 常德沅江過江隧道縱斷面

3 合理計算流域界限的確定

3.1 計算流域界限的研究

本次數值模擬主要運用FLAC3D中的滲流模塊，將巖土體視為多孔介質，流體在孔隙介質中流動符合Darcy定理。在建立模型之前，通過FLAC3D建立四個同樣地層條件而縱向長度不同的模型進行盾構開挖，為后文模型合理流域界限提供依據。分別建立長度為60 m、80 m、100 m、120 m的模型，由于模型只是長度不同，故以圖2（Y分別取60、80、100和120 m）進行示例，取平均水深10 m進行計算。

圖2 流域確定復合地層模型

3.2 計算流域界限的驗證結果

由于模型沿開挖方向（Y向）從前側向后側開挖，所以前側和后側的有效計算邊界有所差別。為了能夠合理確定模型有效邊界，提取60 m、80 m、100 m和120 m模型計算出的孔隙水壓力，并繪制模型長度為60 m、80 m和100 m的拱頂、左拱腰、拱底和右拱腰的水壓相對模型長度為120 m的水壓誤差曲線，如圖3所示。

圖3 各模型拱周各處孔隙水壓誤差比較曲線

既有研究表明，模型有效水壓計算誤差小于0.5%處可定為合理邊界條件最低限界，通過對圖3各模型之間拱頂、左拱腰、拱底和右拱腰水壓相對誤差的分析，將合理邊界條件最低限界值進行匯總，如表1所示。

表1 合理邊界限界 m

對表1和圖3進行綜合分析，確定削減邊界為20 m，能夠精確合理設置計算長度，削減邊界產生的誤差，故每個模型沿著開挖方向前后多建20 m的長度進行計算，取得計算結果后舍棄前后多取的20 m長的數據，從而得到有效計算結果。

4 盾構隧道注漿壓力分布特性分析

4.1 數值計算模型

由于該段過江隧道縱斷面過長（盾構段長1 680 m），且縱斷面方向地形十分復雜，一次性建模計算分析難度大，目前的計算能力難以滿足，故根據縱斷面不同地形將模型分為多段進行建模計算。綜合考慮計算能力、各區(qū)段銜接部位及兩側縱向邊界范圍優(yōu)化，將模型分為6段（0～192 m、192～378 m、378～712 m、712～1 150 m、1 150～1 452 m、1 452～1 680 m）進行建模計算，縱向邊界取在數據變化不明顯的位置，從而削減邊界產生的誤差，然后將分段模型的有效計算結果拼接在一起，得到整個斷面開挖擾動下的孔隙水壓分布。圖4分別為6段模型。

圖4 各區(qū)段計算模型

4.2 計算參數分析

本依托工程主要穿越圓礫、卵石、粉細砂、粉質黏土等地層，在有限元分析過程中，采用Shell單元模擬管片，實體單元模擬地層，其中土體采用摩爾－庫倫模型，管片與注漿部分采用彈性模型。由于管片的滲透系數很小，可以將管片近似設為不透水層。各地層物理力學參數及滲透系數如表2所示。

表2 地層土體及結構材料物理力學參數

4.3 荷載及邊界條件

實際工程和理論研究表明，隧道開挖擾動在3倍隧道開挖跨度處的應力變化一般在10%以下，在5倍開挖跨度處的應力變化一般在3%以下，故模擬具體工程開挖時，可以認為在3～5倍開挖跨度的邊界上因開挖引起的位移為零。因此，在模型建立過程中，模型的邊界取至隧道洞徑的3～5倍處。

模型建立后，在模型前后及左右邊界設置水平約束，在底面設置豎直位移邊界約束，地面為自由邊界條件，同時在模型四周和地面設置孔隙水壓邊界約束。根據常德越江隧道工程條件，盾構隧道所承受的主要荷載為地層自重和滲透水壓。重力加速度按9.8 m/s2考慮，滲透壓力取該地區(qū)的平均水位29.69 m。

4.4 孔隙水壓力分布特性

去除前后邊界20 m無效值，提取剩余水壓計算結果，如表3所示，然后將6個部分計算的剩余水壓進行整合并沿開挖方向繪制整個區(qū)間內盾構隧道開挖擾動下的水壓力分布曲線，如圖5所示。

表3 整個斷面開挖擾動下的水壓力

圖5 整個盾構區(qū)間開挖擾動下的孔隙水壓力分布曲線

從圖5中可知，隨著隧道開挖過程的進行，拱頂、拱腰和拱底孔隙水變化規(guī)律幾乎一致，同一掘進距離下，拱底的孔隙水壓力最大，其次是左右拱腰處，拱頂處的孔隙水壓力最小，比左右拱腰處孔隙水壓力小0.045～0.35 MPa，左右拱腰孔隙水壓力比拱底孔隙水壓力小0.04～0.02 MPa。當盾構開挖到約450 m和1 200 m時，拱周出現孔隙水壓力劇變，這是由于450 m和1 200 m處是江水與陸地的交界部位。

由于水下段水壓力比岸邊段的水壓力約大0.03 MPa，故可以分別按水下段（450～1 200 m）與岸邊段（0～450 m和1 200～1 680 m）分析其孔隙水壓力，結果如表4所示。

表4 整個斷面水下及岸上開挖擾動下的水壓力

根據《盾構施工技術規(guī)范》可知，注漿出口壓力應稍大于注漿出口處的靜止土壓力，注漿壓力一般大于出口壓力0.1～0.2 MPa。由于該盾構隧道處于砂卵石地層，地層滲透性較好，注漿壓力不應過大，以免出現漿液溢出地面或造成地表隆起，也不應過小而降低注漿作用，故取注漿壓力大于出口壓力0.1 MPa。若通過拱頂、拱腰以及拱底位置注漿，根據FLAC3D計算結果可給出對應注漿壓力，如表5所示。

表5 整個斷面水下及岸上開挖擾動下的注漿壓力

5 結束語

本文以常德市沅江隧道為工程依托，采用FLAC3D數值模擬方法對該段越江隧道分區(qū)段建模，對拱頂、左右拱腰以及拱底進行動水壓分析，得出以下結論：

（1）通過FLAC3D對盾構隧道的流域界限進行研究，綜合考慮各種因素確定削減的邊界為20 m。流域界限的確定能夠使數值模擬結果更真實反映越江隧道圍巖各處的孔隙水壓力，所得出的結論也更為可靠。

（2）盾構隧道掘進過程中，拱頂、拱底和左右拱腰處的動水壓隨掘進距離的變化趨勢大致相同，在量值上，拱底動水壓最大，其次是左右拱腰，拱頂最小。

（3）針對本工程平均水位29.69 m，給出建議注漿壓力：岸上區(qū)域1（0～450 m）拱頂、拱腰和拱底注漿壓力分別為0.12～0.125 MPa、0.15～0.16 MPa和0.175～0.2 MPa；水下區(qū)域（450～1 200 m）拱頂、拱腰和拱底注漿壓力分別為0.15～0.155 MPa、0.185～0.195 MPa和0.19～0.23 MPa；岸上區(qū)域2（1 200～1 680 m）拱頂、拱腰和拱底注漿壓力分別為0.12～0.145 MPa、0.15～0.18 MPa和0.18～0.22 MPa。