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相交隧道施工盾尾注浆参数对地表沉降的影响

（铜陵学院，安徽铜陵）

由于全国地铁的大范围修建，必然导致地下隧道之间的交错，这些近接交叉隧道在施工过程中会对原有的土层产生扰动引起应力重分布，进而导致地表沉降的产生。为具体研究之一现象，本文以合肥高铁南站一号线与五号线交叉隧道施工为背景，运用数值模拟方法研究在不同注浆参数情况下，近接相交隧道盾构在掘进过程中引起的地表沉降分布规律。
一、工程概况
合肥地铁一号线与五号线相交于高铁南站：五号线盾构隧道右线长453.17m且左线长452.234m；一号线盾构隧道右线长620.37m,左线长617.78m整个区间隧道的长度为2169.69m。
一号线繁华大道站为盾构机的始发站，在进行完繁华大道至高兴区之间的盾构施工后，盾构机直接掉头、转向，从高铁站南端五号线的端头井重新开始护法，下穿合宁高速公路。重叠区域一号线与五号线的具体位置为五号线的右线和左线分别与一号线左线相交，一号线位于五号线的正上方，两条线的夹土层最小厚度约2.965m，五号线的两条隧道分别下穿一号线左线隧道，五号线右线与一号线左线盾构区间最小处的净距只有2.267m，与五号线右线隧道间最小净距仅4.26m。处于高铁南站下的地铁五号线隧道以及一号线左线区间隧道的位置如图1。

（一）场地工程地质条件
处于相交区间的土层包含下列几层土：第一层为人工杂填土厚度约为3m，第二层为粘土约为8m，第三层土为粉质粘土约为10m。盾构隧道相交的区间位于第三层粘土，该地层主要参数见表1。
（二）管片相关参数
隧道衬砌为钢筋混凝土管片，管片采用3+2+1模式组合，衬砌环间采用错缝拼装。管片宽1500mm，厚300mm，衬砌外径6000mm，内径5400mm，注浆层厚150mm。衬砌采用C50的混凝土，抗渗等级P12，注浆混凝土强度等级C20。具体参数见表2。

二、有限元模型建立
（一）计算假定
首先设定下列力学模型的假设：
（1）土体表面以及地表下各土层都处与均质且水平的层状分布；
（2）初始应力只有自重;
（3）用Mohr-Coulomb屈服准则进行计算；
（4）不考虑地下水对地表沉降造成的问题；
（5）在盾构掘进过程中假设每一步的步长推进的长度和管片的宽度一样为3.5m。
（二）网格划分
由于本模型的尺寸非常大，只选取了交叉部分作为参考对象。地下隧道中应力以及应变随着盾构掘进进程不断改变,真正影响隧道的范围是距隧道中心点的3到6倍开挖半径的范围。本次的数值模拟计算模型宽130m，高70m，纵向长度为140m（每环管片幅宽1.5m）,模型X方向（横向）范围为隧道外径的四倍大小[2]，模型底部距五号线隧道中心35m。为了简化模型大小，减小计算步骤计算，所以设每步开挖3.5m。土体模型的节点点数为128,872，单元总数为80000。模型网格划分如图2所示。
三、地表沉降分析
由于在盾构掘进过程中施工扰动会导致隧道周边原有的土层产生应力重分布，为了防止由于应力重分布引起土体坍塌或是其他不利于工程的情况出现，在盾构机开挖后要立刻在盾构机的末端进行注浆加固对土体进行支撑，这样会及时调整由于地层损失引起的地表变形。
为进一步分析近接交叉隧道盾构施工对周边地表沉降的影响规律，下文采用数值分析，模拟相同施工环境下几种不同属性的注浆引起的地表沉降。

首先考虑的是不进行盾尾注浆，由于盾构施工后，在盾构机行驶的过程产生的应力应变重分布会导致土层发生塌落，可以假定这种塌落的土层直接充满盾构机末端的空隙,好比盾构机前方土汇聚成了一个向隧道内部的位移的趋势,位移的范围和大小相当于盾构施工后尾部的空隙。
另外一种情况就是不考虑由注浆由液体形态转化为固体行形态的过程，就把注浆体看作均质的，连续的超高强度的固化物。
然而在通过实际的盾构掘进过程中,盾构机末端的注浆量的多少以及组成注浆体的材料等，对盾构掘进区隧道周边土体沉降会产生比较大的影响。所以在对盾构机末端进行注浆时需要一种厚度差不多，属性相近的具有平均意义的等代层来替换成这种由水泥沙子等粗细骨料组成的注浆体。
组成等代层的是像碎石、砂子等粗细骨料的混合体,因此所假设的等代层的材料性质与其土体性质、注浆材料以及注浆压力都有着联系,如果把等代层当成是弹性材料,那么等代层的材料性质就应该具有厚度、泊松比、弹性模量等力学性质。其中,弹性模量反应了的浆液性能，其选择非常关键。
由于交叉隧道位于第三层土（弹性模量40000-100000KN/m³），所以等代层的弹性模量应该在土层与水泥之间，取值的大小应该与组成两者的材料的多少有关。使用不同弹性模量和泊松比的等代层来代替注浆进行计算出来的最大沉降值也就不同，所以假设两种情况：一种是E=2GPa且泊松比为0.3；另一种是：E=20GPa，同时泊松比等于0.3。

通过观察图4可以找出如下规律:
当等代层在E=2GPa，泊松比为0.3；等代层在E=20GPa，泊松比为0.35以及没有考虑注浆的情况下，三者的位移曲线形状十分相似，但是地表横向沉降位移量是不相同的，当E=20GPa时最大沉降量15.1mm,而不考虑注浆时最大沉降量为27.5mm。弹性模量及泊松比反应的是注浆刚度大小，所以说明等代层刚度大小对于地表的横向位移有很大影响，注浆刚度越大，地表沉降数值就越小。
（二）纵向位移
通过观察图4至图5中地铁一号线左线及右线中心线地表沉降数值发现如下规律:
1. 观察图5当没有考虑注浆时一号线右线的最大沉降接近20mm,当取等代层弹性模量为2Gpa且泊松比为0.3时，最大沉降由20mm缩小到19.35mm；当取弹性模量为20Gpa且泊松比为0.35时，最大沉降紧接着随之缩小，一号线右线最大沉降值约18.5mm。
2.图6显示，当一号线左线中心线在没有进行注浆的时候最大沉降接近20.5mm，选择弹性模量为2Gpa同时泊松比为0.3的等代层时左线中心线的最大沉降缩小了0.25mm,变成了20.25mm。最后取强度最大的等代层（弹性模量为20GPa，泊松比为0.35）时，一号线左线最大沉降进一步缩小到约18.90mm。
通过对上面两个图即一号线左右中心线的最大沉降观察可以发现，随着等代层刚度的增加，地表最大沉降数值在不断缩小，因此在同样的盾构掘进状态下，可以通过对盾构机尾部使用高强度的注浆，来稳定土层并且缩小地表沉降的数值。
（三）等代层厚度
地表沉降最大值与注浆量之间关系密切，文献从控制地表沉降的角度结合现场实测数据提出了最佳注浆量的确定方法。为反映近接相交隧道注浆量对地表沉降的影响，本文通过改变等代层的厚度反映盾尾不同注浆量和盾尾空隙情况，通过数值模拟，对盾构施工不同的等代层厚度下的地表沉降结果进行比较分析。
本文选取了3组厚度分别为8cm、12cm、20cm的等代层厚度进行数值模拟计算。考虑到普通粉质粘土的弹性模量介于土体和混凝土之间，在数值模拟中设置粉质粘土的弹性模量E=1.43×10⁸pa。
结合数值模拟计算不同的等代层厚度下地表沉降值及地表沉降曲线（图6）发现，当等代层厚度为8cm、12cm、20cm时地表最大沉降值为26.8mm、22.8mm、15.1mm。模拟数据表明等代层厚度与地表最大沉降呈反比，地表最大沉降值随等代层厚度的增大而减小。

四、监测结果与midas比较分析
交叉隧道通过的土为第三层粘土我们假设掘进中洞室覆土为10m厚，洞室掘进的半径为6米，土层粘聚力51KPa，内摩擦角为16度，取1号线右线与5号号线左线中间断面，相应埋深为：8.8m～29.7m。

从图7中可以看出模拟数据基本上符合正态分布。实测数据有若干个测点的数值发生了跳跃，这与实际的地质条件和操作环境有很大的关系，有限元软件可以通过改变模型中材料参数的方法准确反映不同地质条件和施工方法造成的地层移动。
五、结论
本文以合肥高铁南站一号线与五号线交叉隧道施工为背景，运用数值模拟方法研究交叉隧道施工在注浆强度不同的情况下影响地表沉降的规律。通过研究得出以下结论：
1.弹性模量及泊松比反应的是注浆刚度大小，所以说明等代层刚度大小对于地表的横向位移有很大影响，注浆刚度越大，地表沉降数值就越小。
2.在相同施工环境下，对于盾构机末端注浆强度的提高可以缩小地表沉降。所以在盾构掘进过程中可以通过加强注浆强度来减小一定的地表沉降。
3.等代层厚度与地表最大沉降呈负相关关系，因此注浆量的提高对于沉降的减小也是很有利的。
文章来源：（中国知网）

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