王 萍

(桓仁縣水務(wù)局，遼寧 本溪 117022)

1 工程背景

遼寧省某重點(diǎn)輸水工程是為了有效解決遼寧省西北部地區(qū)嚴(yán)重缺水現(xiàn)狀而投資興建的大型跨流域輸調(diào)水工程，也是遼寧省構(gòu)建“東水濟(jì)西”輸調(diào)水計(jì)劃中北線的骨干性工程。該工程包括長(zhǎng)度1 208.18 km 的隧洞和管線[1]。其中，輸水隧洞長(zhǎng)度532.55 km，輸水管線長(zhǎng)度675.63 km，可以將優(yōu)質(zhì)地表水全程自流輸送到遼西北地區(qū)的6市27個(gè)縣區(qū)，設(shè)計(jì)年輸水量為20.75億m3，受益人口1130萬(wàn)人。結(jié)合工程地質(zhì)情況，在輸水隧洞施工中采用TBM和鉆爆法相結(jié)合的施工工藝。由于該工程輸水隧洞的洞線長(zhǎng)、圍巖地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜且埋藏深度不一，最大埋深達(dá)到1100 m，穿越河谷地段的埋深僅有30～70 m。

該工程輸水隧洞二標(biāo)段穿越某河谷地段TBM施工采用D3400預(yù)制鋼筋混凝土管片+二次襯砌結(jié)構(gòu)。上部處于河谷沖淤積地帶，埋藏深度為30～40 m，上部覆蓋層比較復(fù)雜，自上而下分別為第四系全新統(tǒng)沖、洪積層和上第三系中新統(tǒng)弱膠結(jié)黏土巖、強(qiáng)風(fēng)化到中風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)粉質(zhì)砂巖，地下水主要是上層滯水、孔隙承壓水以及基巖裂隙水。由于該施工段上部存在重要的交通干線和建筑群，因此不僅要保證施工安全，還需要控制好施工過(guò)程中的地表沉降[2]。顯然，在地下洞室工程盾構(gòu)施工過(guò)程中，管片壁后注漿是控制地表沉降最為有效的方法，而管片壁后注漿的地表沉降控制效果也受到多方面因素的影響[3]。基于此，此次研究通過(guò)數(shù)值模擬的方式，探討施工參數(shù)對(duì)管片壁后注漿效果的影響，以便對(duì)工程施工提供有益的支持和借鑒。

2 FLAC3D有限元模型

FLAC3D是美國(guó)ITASCA公司開發(fā)的一款三維有限元分析軟件，該軟件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種巖土工程力學(xué)分析[4]。基于此，此次研究選擇FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建。

2.1 模型的構(gòu)建

由于背景工程的范圍相對(duì)較大，此次研究?jī)H針對(duì)穿越某河谷段的S1+203～S1+309段進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)背景工程的勘察設(shè)計(jì)資料，取12個(gè)盾構(gòu)開挖步進(jìn)行FLAC3D計(jì)算模型的構(gòu)建。模型的寬度為30 m、高60 m、長(zhǎng)60 m。對(duì)構(gòu)建的幾何模型利用六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格單元剖分，混凝土管片采用實(shí)體單元，整個(gè)模型共劃分為78 224個(gè) 計(jì)算單元，81 223個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)[5]。

2.2 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

計(jì)算過(guò)程中的本構(gòu)模型采用彈塑性本構(gòu)模型，盾構(gòu)隧洞周圍的巖土體材料定義為D-P彈塑性模型[6]。該模型的屈服準(zhǔn)則和摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則比較接近，其屈服面不會(huì)隨著巖土體材料的逐漸屈服而改變，因此其塑性行為可以假定為理想的彈塑性。結(jié)合研究的目的和需要，對(duì)構(gòu)建的計(jì)算模型施加位移約束條件[7]。其中，模型的底部施加全位移約束條件，模型的側(cè)面施加水平位移條件，模型的上部為自由邊界條件。

模型材料的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性存在顯著影響，在研究中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采樣分析，同時(shí)結(jié)合相關(guān)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定如表1所示的模型材料物理力學(xué)參數(shù)[8]。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算方案

在地下洞室工程盾構(gòu)施工過(guò)程中，經(jīng)常需要采用壁后同步注漿的方式填充盾尾的孔隙，由于注漿材料注入該部位的孔隙之后，就會(huì)受到上覆巖土體的壓縮作用，進(jìn)而影響到隧洞周圍巖土體的變形。當(dāng)然，壁后注漿對(duì)施工區(qū)的地表沉降變形的控制效果的影響因素是多方面的，其中設(shè)計(jì)施工技術(shù)且容易有效調(diào)整的是注漿壓力、注漿厚度以及注漿時(shí)間。基于此，此次研究中設(shè)置上述三個(gè)參數(shù)的不同水平值進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)合相關(guān)研究成果，設(shè)計(jì)1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa和3.0 MPa等5個(gè)不同注漿壓力水平值；設(shè)計(jì)注漿及時(shí)(施加管片后隨即注漿)和不及時(shí)注漿(施加下一循環(huán)管片后對(duì)上一循環(huán)管片進(jìn)行注漿)；設(shè)計(jì)5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm和40 cm等8種不同的注漿厚度進(jìn)行模擬計(jì)算，以獲得最佳注漿施工參數(shù)組合。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 注漿壓力

固定注漿厚度20 cm、及時(shí)注漿兩個(gè)參數(shù)不變，對(duì)不同注漿壓力下的6個(gè)循環(huán)之后的地表沉降變形進(jìn)行模擬計(jì)算，從模擬計(jì)算結(jié)果中提取S1+203典型斷面的沉降變形量，結(jié)果如表2所示。由表中的結(jié)果可以看出，隨著注漿壓力的增大，沉降變形量呈現(xiàn)出逐漸減小的變化特征，當(dāng)注漿壓力達(dá)到3.0 MPa時(shí)，與隧道中線距離較遠(yuǎn)的部位出現(xiàn)了隆起趨勢(shì)。從隧道中心點(diǎn)部位的沉降變形量來(lái)看，當(dāng)注漿壓力達(dá)到2.0 MPa后，沉降變形量隨注漿壓力增大而減小的幅度極為有限。由此可見，注漿壓力大于2.0 MPa后，提高注漿壓力對(duì)地表沉降的影響不大，而大于3.0 MPa后，隧道中線部位的地表沉降量反而有所增大。由此可見，對(duì)背景工程而言，注漿壓力應(yīng)該設(shè)定為2.0 MPa。

表2 不同注漿壓力地表沉降量計(jì)算結(jié)果

3.2 注漿時(shí)間

研究中固定2.0 MPa的注漿壓力和20 cm的注漿厚度不變，對(duì)注漿及時(shí)和注漿不及時(shí)兩種方案下的地表沉降變形進(jìn)行模擬計(jì)算，從模擬計(jì)算結(jié)果中提取S1+203典型斷面的沉降變形量，繪制出如圖1所示的不同注漿時(shí)間下的地表沉降曲線。由圖可以看出，在不同注漿時(shí)間方案下，典型斷面的地表沉降曲線的變化特征基本一致，主要是沿著軸線方向向兩側(cè)逐漸減小，在距離超過(guò)18 m之后逐漸趨于穩(wěn)定。兩種方案的計(jì)算結(jié)果相比，不及時(shí)注漿的地表沉降變形量明顯偏大，兩者之間的最大差值出現(xiàn)在隧道中線部位，達(dá)到了7.2 mm。因此，不及時(shí)注漿對(duì)隧洞上部巖土體的擾動(dòng)和周邊地表建筑的影響相對(duì)較大，在注漿施工過(guò)程中應(yīng)該盡量做到及時(shí)注漿。

圖1 不同注漿時(shí)間下的地表沉降曲線

3.3 注漿厚度

在盾構(gòu)施工掘進(jìn)過(guò)程中，進(jìn)行盾尾同步注漿以有效填充管片與周圍土層之間的孔隙，可以有效阻止土層的向下移動(dòng)，從而控制地表的沉降變形。因此，注漿的飽滿度直接影響上方土體的位移變形情況，如果注漿填充的厚度較小，僅能阻止土體的部分沉降變形，如果填充量較大，則會(huì)造成上方土體的隆起。因此，確定合理的注漿厚度尤為重要。利用構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型，在保持2.0 MPa注漿壓力、及時(shí)注漿的條件下，對(duì)不同注漿厚度方案下的地表沉降量進(jìn)行計(jì)算，并從計(jì)算結(jié)果中提取出最大沉降量，繪制出如圖2所示的最大沉降量隨注漿厚度變化曲線。由圖可知，地表最大沉降量隨注漿厚度的增加而減小，但是減小的幅度也逐漸降低。當(dāng)注漿厚度小于25 cm時(shí)，沉降量的減小幅度相對(duì)較大，當(dāng)注漿厚度大于25 cm 時(shí)，沉降量的減小幅度較為有限。因此，結(jié)合計(jì)算結(jié)果和工程的經(jīng)濟(jì)性，其最佳注漿厚度應(yīng)為25 cm。

圖2 不同注漿厚度地表沉降曲線

4 結(jié) 論

(1)注漿壓力大于2.0 MPa后，提高注漿壓力對(duì)地表沉降的影響不大，而大于3.0 MPa后，隧道中線部位的地表沉降量反而有所增大，因此注漿壓力應(yīng)該設(shè)定為2.0 MPa。

(2)不及時(shí)注漿與及時(shí)注漿相比地表沉降變形量明顯偏大，對(duì)隧洞上部巖土體的擾動(dòng)和周邊地表建筑的影響相對(duì)較大，因此在注漿施工過(guò)程中應(yīng)該盡量做到及時(shí)注漿。

(3)地表最大沉降量隨注漿厚度的增加而降低，但是減小的幅度也逐漸減小，結(jié)合計(jì)算結(jié)果和工程的經(jīng)濟(jì)性，其最佳注漿厚度應(yīng)為25 cm。

(4)綜合計(jì)算結(jié)果，建議在施工中采用2.0 MPa的注漿壓力，25 cm的注漿厚度和及時(shí)注漿的施工模式。