双线盾构隧道注浆范围对地表横向沉降的影响研究

王志杰，许瑞宁，胡磊，段明明，吴根强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)

双线盾构隧道注浆范围对地表横向沉降的影响研究

王志杰，许瑞宁，胡磊，段明明，吴根强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)

以一城市地铁双线盾构隧道施工为背景，对盾构隧道掘进引起的地表变形进行了现场监控量测、数理统计回归分析及数值仿真模拟，研究了地表横向沉降与双线盾构隧道拱顶处注浆范围之间的关系。研究结果表明:双线盾构隧道施工中，在拱顶处采用深孔注浆技术可有效控制地表沉降。引入地表横向最大沉降修正系数，对日本学者竹山·乔关于多层土层地表沉降计算公式进行了改进，使之适用于采用深孔注浆技术时地表沉降的计算，可为同类工程提供参考。

双线隧道 注浆范围 竹山·乔公式 地表沉降 修正系数

随着我国城市化进程的加快，许多大、中城市开始修建地铁。由于地质条件的复杂性，采用盾构法掘进时势必会对周边土体产生扰动［1］，为了减小隧道施工引起的地表变形，现实中采用了很多控制措施［2-7］，如深孔注浆技术。如何有效地预测采用深孔注浆控制技术后地表隆起或沉降情况，已成为隧道工程的一个难点问题。1982年，日本学者竹山·乔提出了关于多层土层地表沉降的计算公式［8］，但该公式仅适用于天然土层状态下盾构隧道施工，需要对该公式进行修正，使之适用于采用深孔注浆技术时地表沉降的计算。本文以某城市地铁双线盾构隧道施工为背景，利用实测数据回归、近似公式和数值仿真模拟，修正了日本学者竹山·乔的公式，为有效地预测深孔注浆控制地表沉降的效果提供了依据，以保证城市地铁施工安全［9］。

1 工程概况

本文依托地铁区间工程采用双线圆形盾构施工，左线总长1 072.62 m，右线总长1 082.45 m，管片外直径6 m，厚度0.3 m。区间沿线地势平缓，两侧无大型或较高住宅，盾构区间埋深在17.94～20.75 m，左、右线盾构机分别采用日本小松公司的TM625φ6250和日立TS6150BI加泥式土压平衡盾构机。

1.1 地层岩性

试验段的盾构区间地质条件复杂，在隧道横断面上表现为上软下硬。地质情况为:①素填土，厚度2.2～6.6 m;②黄土，厚度2.1～10.5 m;③粉质黏土，软塑，厚度2.3～9.0 m;④粗(中)砂，厚度4.3～10.2 m;⑤粉质黏土，硬塑，厚度0.2～5.4 m;⑥细(中)砂，厚度0.2～20.2 m。

1.2 地表变形控制措施

试验段采用拱顶处深孔注浆技术控制地表沉降。注浆管长4 m，扩散半径为0.7 m，浆液采用按1∶1比例配合的水泥—水玻璃双液浆，注浆时机控制在距离开挖面15 m左右，注浆位置见图1。

图1 试验段注浆位置示意(单位:mm)

2 现场监测与数值模拟

2.1 测点布置

为了有效地观测盾构施工引起的地表沉降，依据盾构设计相关文件要求，纵向每隔20 m建立1个监测断面，共15个断面。每个断面关于双线中性轴对称布置11个测点，如图2所示。双线盾构隧道掘进通过监测断面后，地表最终沉降值控制在10 mm以内。

图2 试验段横向测点布置示意(单位:m)

2.2 计算模型

本次数值模拟采用三维有限差分软件FLAC3D，采用弹塑性本构模型。根据弹性力学中接触应力理论和应力集中现象，隧道开挖对大于隧道直径3倍距离外的岩体影响不大，故确定数值模型边界:左侧边界至左线隧道中线15 m，右侧边界至右线隧道中线15 m，下边界至隧道底部15 m，上边界为隧道实际埋深。计算模型左右两端边界沿X方向固定约束，底部固定Z方向约束，顶部边界为自由面。

2.3 计算参数

根据现场地勘和试验资料将试验段土层分为6层进行模拟。注浆加固效果采用提高加固区土体的c，μ，E，φ值的方法来实现，盾构管片采用C50材料参数，考虑到管片拼装和接头方式，对管片的刚度进行了折减，计算时不考虑水的影响。模型计算参数见表1。

表1 模型计算参数

2.4 实测结果与计算结果对比分析

根据盾构施工方案，在试验段采用连续测量的方法，从盾构距离监测断面20 m时，开始测量并记录盾构到达前数据，直到盾构通过监测断面50 m后，即地表沉降趋于稳定时才停止监测［10］。本文选取了相同埋深条件下具有代表性的3个监测断面最终沉降值，如表2、图3所示。图4为同等条件下采用数值模拟方法得到的地表沉降曲线。

图3 不同监测断面横向沉降

图4 数值模拟结果

由表2和图3、图4可以看出:数值模拟结果与监测断面实测结果基本吻合，计算所得地表最终沉降最大值与实测结果相对偏差仅为1.2%～3.9%，验证了本次模拟计算方法的可靠性。

3 注浆范围对地表横向最大沉降的影响

对试验段隧道拱顶上方土层采用深孔注浆加固措施，提高该范围内土体的弹性基床系数，有效地控制地表的沉降。本次数值模拟的注浆范围共有6种计算工况，其中工况1、工况2、工况3、工况4、工况5及工况6分别表示从隧道顶部向上延伸0，2，3，4，5及6 m的范围，得到不同工况下地表横向沉降，如表3和图5所示。

表3 不同工况下地表横向沉降mm

图5 不同注浆范围时地表横向变形曲线

由表3和图5可看出，随着注浆范围的增加，地表变形值逐渐减小。当注浆范围为0时，数值模拟的地表最大沉降值为19.21 mm;当注浆范围为2 m时，试验段地表最大沉降值比未注浆时减少了22.57%;当注浆范围为3 m时，试验段地表最大沉降值比未注浆时减少了42.04%;当注浆范围为4 m时，试验段地表最大沉降值为9.5 mm，小于本文所依托工程的沉降变形控制值10 mm;当注浆范围＞4 m时，注浆加固地层的效果就不太明显了，基于经济、安全性考虑，该工程合理的注浆范围应为4 m。

运用MATLAB软件拟合出双线盾构隧道掘进时，采用拱顶深孔注浆的措施后，地表横向最大沉降值修正系数与注浆范围之间的关系，见图6。

图6 地表横向最大沉降值修正系数与注浆范围之间的关系

修正系数与注浆范围拟合结果为

式中:α为地表横向最大沉降值修正系数，x为注浆范围。

多层土层双线隧道拱顶处深孔注浆后地表横向最大沉降值公式为δ=α δ2，其中δ2为日本学者竹山·乔关于多层土层双线隧道地表沉降值。拟合过程见表4。

表4 地表横向最大沉降值修正系数与注浆范围关系拟合

从表4可以看出，当α=0.732 7exp(0.320 5 x)+ 0.336 4时，相关系数R=0.993 7为最优。

4 结论

1)通过有限差分数值分析方法对双线盾构隧道施工过程进行了模拟研究，将监测结果与数值模拟结果进行了对比，地表横向变形趋势基本一致，证明有限差分计算参数和模型的选取是合理的，可用于本文依托工程的数值模拟分析。

2)通过监测断面数据分析可知，地表横向沉降最大值小于规定值，说明在本文依托工程的试验段中，将深孔注浆范围定为4 m是合理的。

3)实测数据和数值模拟结果均显示，盾构隧道施工中深孔注浆可以有效地控制地表的沉降，当注浆范围＞4 m时，注浆效果就不明显了。

4)初步研究了注浆范围与地表横向最大沉降值之间的关系，并将数值模拟的结果与理论解进行了对比，相对误差仅为4.5%。并得出日本学者竹山·乔关于多层土层地表沉降计算公式的修正系数α= 0.732 7exp(0.320 5 x)+0.336 4，即针对多层土层双线隧道拱顶处深孔注浆后地表横向最大沉降值公式为δ=αδ2，相关系数R=0.993 7。

［1］唐晓武，朱季，刘维，等.盾构施工过程中的土体变形研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(2):417-422.

［2］徐冬健.盾构隧道沉降数值模拟［D］.北京:北京交通大学，2009.

［3］许有俊，陶连金，李文博，等.地铁上穿工程中既有隧道结构周围土体注浆加固范围研究［J］.铁道建筑，2012(11): 42-45.

［4］李围，何川，谢红强.高水压岩质盾构隧道二次注浆压力的控制［J］.中国铁道科学，2006，27(1):32-37.

［5］胡俊，杨平，董朝文，等.盾构始发端头化学加固范围及加固工艺研究［J］.铁道建筑，2010(2):47-51.

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［8］张义同，高健.隧道盾构掘进土力学［M］.天津:天津大学出版社，2010.

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Research on influence of grout-injecting around shield-driven double-track tunnel on transversal settlement of ground surface

WANG Zhijie，XU Ruining，HU Lei，DUAN Mingming，WU Genqiang
(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T aking the double-track shield tunnel construction in one city as background，site monitoring，mathematical statistical regression and numerical simulation of surface deformation caused by shield tunnel excavation were conducted and the relation between ground transverse settlement and grouting range of double-track shield tunnel vault was discussed.T he research results showed that the deep hole grouting technology at the vault can effectively control the ground settlement during double-track shield tunnel construction.Ground settlement calculation equation of multilayer soil proposed by T akeyama Joe was improved by introducing the correction factor of maximum ground transverse settlement，which could adapt to ground settlement calculation by using deep hole grouting technology and provide a reference for similar engineering.

Double-tracktunnel;Groutingrange;T akeyamaJoe'sequation;Groundsettlement;Correction coefficient

U445.43

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.23

1003-1995(2015)05-0089-04

(责任审编赵其文)

2014-06-03;

2015-02-16

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964—)，男，山西万荣人，教授，硕士。