盾壳环向间隙充填对穿越隧道变形规律的影响分析

2018-12-06吴全立王梦恕殷明伦

铁道建筑 2018年11期

吴全立，王梦恕，殷明伦

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044； 2.中国路桥工程有限责任公司，北京 100088；3.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083)

盾构施工下穿既有线隧道时，对运营线的影响主要是既有线隧道变形。国内学者大多从地层损失、盾尾管片背后环向间隙同步注浆率[1-2]、跟踪注浆[3]、沉降槽理论[4]、监测控制[5]等方面研究盾构施工对运营线的影响，成果也比较成熟。盾构隧道下穿既有运营线时，既有线隧道的安全保护技术措施与对策是施工首先要考虑的问题[6]。盾构施工对周围土体及构筑物的扰动影响机理，大多通过实测数据对盾构近距离穿越扰动影响问题进行定量分析，研究和分析运营隧道对各盾构施工参数的敏感性。盾构穿越对已建地铁隧道的扰动影响主要以隧道的竖向位移为主，盾尾通过后隧道段受盾构穿越的影响显著，但隆起峰值始终位于盾尾后方[7]。目前，多位学者根据大量的现场监测资料，研究了盾构掘进对横向和纵向地表沉降的影响过程，并探讨了盾构掘进各个阶段的沉降占总沉降量的百分比，分析了盾构掘进对横向地表沉降的影响范围，以及各种施工因素对地表沉降的影响[8-10]。

由于盾构机配备的同步浆液的注入点在盾尾后方，无法及时填充盾体与土体之间的间隙，无法抑制盾体周边土体变形等。因此当盾构下穿既有线隧道时，盾壳环向间隙成为控制盾构体上方的土体沉降亟待解决的技术问题，本文采用数值模拟方法分析其对既有线隧道变形规律的影响。

1 盾壳环向间隙

以刀盘直径为6.28 m的盾构机为研究对象，该盾构机前盾直径6.25 m，中盾直径 6.24 m，盾尾直径6.23 m。盾构机掘进过程中，盾体与土体之间存在30～50 mm的间隙(因盾体自重，盾体下部与土体紧密接触，上部间隙最大)，每掘进1环(1.2 m)，理论上在前盾周围会产生0.35 m3的空隙。在盾构机推进过程中，盾尾以后管片背后环向间隙由同步注浆注入注浆材料充填，刀盘前端由土舱内渣土进行充填，而刀盘与盾尾之间将形成空隙，从而产生地层变形沉降。盾壳周边形成的环向间隙如图1所示。

图1 盾壳周边形成的环向间隙示意

通常工况下，盾壳环向间隙是不注入填充材料的，其填充的是泥土料、同步注浆料以及泥水甚至是空气的混合物。由于受土舱泥土压力与盾尾同步注浆压力相互作用的影响，这些混合物会表现出不同的情况。也正是这种填充材料的不确定性，才会在盾尾未达到该区域时，产生难以控制的沉降。

1.1 盾壳环向间隙对沉降的影响程度

通常根据土压平衡盾构在推进过程中所引起的地表沉降，按盾构施工各阶段对沉降的影响，地表沉降可大致分为5个阶段[11-12]如图2所示。

图2 盾构施工过程中沉降发展规律和阶段划分

前2个阶段的沉降，主要与地层参数、盾构机推进参数有关。最后2个阶段是通过同步注浆、二次注浆以及跟踪注浆来进行限制和纠正。只有第3阶段的沉降(约占总沉降量的15%～30%[13])是由于盾壳周围环向间隙与土体之间无有效支承引起的。

1.2 盾壳环向间隙充填的意义

对盾构壳体外周环向间隙注入一种填充材料，以达到完全填充这个空间，对隧道开挖土体形成一种有效支承作用，如图3所示。

图3 盾壳周边环向间隙注入充填材料示意

当盾构施工穿越既有线时，这种充填更加必要。克泥效工法就是在该背景下引进应用的，在北京地铁14号线阜通西站—望京站区间下穿运营的15号线盾构隧道工程中，运营线隧道沉降控制在允许范围内[14]。本文以克泥效充填为研究对象，采用ABAQUS软件建立盾构施工二维数值计算模型，分析环向间隙充填对穿越既有线隧道变形规律的影响。

2 依托工程概况

2.1 区间概况

深圳地铁9号线梅村至上梅林区间(简称梅上区间)采用2台盾构自上梅林站始发，下穿地铁4号线盾构区间隧道，最后到达梅村站接收。目前上跨段广深港客运专线尚未开通，地铁4号线已运营。

2.2 4号线(龙华线)隧道与线路关系

深圳地铁4号线位于上梅林站西侧，中康路下方，为直径6 m的盾构隧道。隧道拱顶覆土约8.5 m，轨面标高9.048 m。

梅上区间隧道与4号线类似正交，4号线右线外缘距离9号线上梅林站基坑16.7 m，4号线右线外缘距离9号线上梅林站基坑19.1 m。9号线隧道顶部与4号线隧道底部净距最小2.497 m，最大3.108 m。9号线隧道围岩主要为可塑砂砾质黏性土、硬塑砂砾质黏性土及全风化混合岩。4号线与9号线交叉区域平面位置如图4所示。

图4 4号线与9号线交叉区域平面位置示意

3 本构模型建立与参数选取

利用ABAQUS大型通用有限元软件进行分析，采用Mohr-Coulomb破坏准则，如图5所示。分别定义了直线AB和BC的破坏包络线

图5 Mohr-Coulomb破坏准则

根据所依托工程的地质详勘报告，本次计算所采用的主要参数见表1。

4 二维数值分析模型及计算结果

4.1 二维数值模型建立

采用ABAQUS软件建立盾构施工二维数值计算模型。假定其他盾构参数按最理想的状态设置，即土压力、推力以及同步注浆是最佳参数，不会因为其他参数而导致土体失稳超挖。模型中，土体用二维平面应变单元(CPE3，CPE4)模拟，x方向为隧道开挖方向，y方向为深度方向。模型尺寸为66 m(x方向)×50 m(y方向)，既有线直径取6 m，开挖直径取6.3 m，其中6.23 m为盾壳外径，0.07 m为盾构开挖间隙，用克泥效填充。克泥效由特殊膨润土浆液(A液，膨润土∶水=1∶2)和水玻璃液(B液，水玻璃∶水=1∶1)2部分组成。模拟中采用刚度迁移法模拟开挖，在开挖步中增大开挖区土体的弹性模量，使其远远大于开挖前。在需要克泥效填充的地方进行刚度衰减，以实现开挖模拟。

4.2 开挖步序的模拟

盾构开挖是一个逐步推进的过程，如图6所示。根据盾构施工推进中刀盘与既有线的相对位置确定各断面，选择9个断面研究既有线隧道的沉降情况。规定以既有线左右线的中心点为0点，盾构推进方向为x正方向(下同)。断面1位于既有右线隧道外轮廓最右侧点45°延长线与开挖隧道轮廓上沿交点处，x=-15.57 m，刀盘进入影响区；依次类推至断面9(位于既有左线隧道外轮廓最左侧点135°延长线与开挖隧道轮廓上沿交点向左10 m，x=25.57 m)，此时盾尾脱离影响区。

图6 开挖步序9个断面与既有线的位置关系

4.3 盾壳环向间隙填充材料模拟

盾壳环向间隙填充物参照现在常用的克泥效，为便于计算设定弹性模量E=10 000 kPa，泊松比ν=0.25，黏聚力c=10 kPa，其余参数与砂质黏土相同。

4.4 计算结果与分析

4.4.1 盾壳环向间隙注入率对既有线影响

保持ν,c不变，变换E，以不同E值代表环向间隙的注入率。原状土弹性模量为40 000 kPa，其中E=500 kPa 时，表示无注入，其值远小于原状土，即盾壳环向间隙中自然充填泥水渣土(图1所示)；E=5,10,20,40 MPa时，表示环向间隙注入率(盾壳环向间隙注入的饱满度)分别为12.5%,25%,50%,100%。

E=500 kPa时，相当于盾壳环向间隙无填充时，既有双线隧道最大累计沉降约4.5 cm。以注入率自12.5%至100%时对既有线右线的影响为例进行计算，结果见图7。可知，注入率对既有线隧道沉降影响明显。盾壳外环向间隙注浆充填可大大降低该阶段的沉降，注入率越大，既有线隧道沉降越小，反之沉降越大。

图7 不同注入率时既有线右线隧道沉降曲线

4.4.2 填充材料泊松比对既有线沉降的影响

保持E,c不变，变换ν。泊松比ν分别取0.20，0.25，0.30，模拟计算其对右线的影响，结果见图8。

图8 不同泊松比时既有线右线隧道沉降曲线

由图8可知，填充材料的泊松比对沉降的影响较大，泊松比越大，沉降越小。泊松比反映了材料限制横向变形的能力，因此要求材料注入后快速发挥作用。这说明需要选择在动压力下具有一定的流动性与可注入性以及在静压力下具有较好抗压缩性能的材料，即限制横向变形能力强、泊松比大的材料。

4.4.3 填充材料黏聚力对既有线沉降的影响

保持E,ν不变，c变换。黏聚力c分别取5，10，20 kPa，模拟计算其对右线的影响，结果见图9。

图9 不同黏聚力时既有线右线隧道沉降曲线

由图9可知，填充材料的黏聚力在5～20 kPa时，对既有线沉降的影响基本可以忽略不计，说明环向间隙填充材料的黏聚力不是主要影响参数。

5 应用验证与分析

盾构施工下穿4号线时，利用盾构机前盾的超前注浆孔向盾构机外壳注入克泥效，达到填充防止沉降与止水的目的。克泥效可与同步注浆同时注入，以保证盾壳外壳周边环向间隙填充的及时性及有效性。采用2台可调节流量的泵在前盾向外注入，在注入过程中，通过Y型注浆头混入A，B 2种浆液，B液的注入率约为5%～6%。浆液混合后在40 s内达到初凝，形成黏性较高且难以稀释的膏状物。克泥效注入效果如图10所示。

图10 克泥效注入效果示意

以既有线右线盾构施工为例，自11月14日23时开始推进第9环(此时刀盘进入4号线影响区)至1月18日8时推进至第31环(此时盾尾脱出4号线西线)，右线盾构穿越4号线用时约3 d，共计注入克泥效14.5 m3。根据监测得到的数据[15]，过程中既有线最大累计沉降量为6.53 mm，地表最大累计沉降量为7.88 mm。说明克泥效注浆有效地控制了第3阶段即盾壳通过阶段的地层沉降。