刘杰辉
（山西交控吕梁南高速分公司，山西吕梁032200）
摘要：为研究地铁盾构隧道施工时注浆压力和非对称注浆对地表沉降的影响，以某市轨道交通5号线甲站~乙站区间为研究对象，采用有限元方法，分析盾构隧道注浆过程，研究地表沉降空间分布、沉降值大小和沉降槽宽度的变化。结果表明，注浆压力不足引起的地表沉降呈对称的高斯曲线变化，注浆孔压力不足的位置对沉降槽宽度影响较小；注浆压力不均匀造成了沉降槽形状的不均匀性，并且注浆压力偏大的一面容易出现地面凸出。
地下空间开发成为城市基础建设中的重要领域，使大量的城市交通枢纽、地下商场得以修建。城市轨道作为连接地下空间的重要干线或枢纽，受到相关部门的广泛关注[1]。目前，城市轨道线路建设主要采用盾构法施工，可以实现高效施工和机械化施工，具有较高的安全性且不占用地面空间[2-3]。在盾构施工过程中，松软地层易受扰动，可能导致周边敏感环境发生变动。因此，在工程实践中，通常以地表变形为依据指导施工。一些研究人员关注到盾构施工引起地表沉降带来的损害，故展开了地表沉降槽、沉降速率、沉降大小等方面的研究[4-5]。
本文以某市轨道交通5号线甲站~乙站区间为研究对象，采用有限元方法分析盾构隧道注浆过程，研究地表沉降空间分布、沉降值大小和沉降槽宽度的变化，旨在为盾构隧道地表沉降控制提供参考。
1工程概况
某市轨道交通5号线为该市地铁线网中的一条环形线路，全长约40.4 km，设车站32座，其中换乘站15座。5号线甲站~乙站区间起始于甲站与X路交叉口，沿X路向东南延伸。具体区间里程标记为右线CK12+628.451~CK13+854.400，左线CK12+628.451~CK13+852.928。区间平面线间距约13.00~15.40m，共设置2组平面曲线。区间正线曲线半径：右线为550m和400m、左线也为550m和400m。区间采用“V”字形坡，右线坡度先以22‰、5.9‰下坡到达区间最低点，再以21.1‰上坡至CBD站，区间最大坡度为22‰，坡长250m。
2场区工程地质特征
工程场地属于某区地貌单元（黄河冲积平原），根据现场钻探揭示的地层情况，场地55m左右以上地基土均属第四系（Q）沉积地层，土层较为松软，受到盾构设备开挖扰动后，易引发土层大变形和地表沉降。
3盾构隧道施工有限元模拟
3.1盾构隧道施工有限元模型的建立
盾构穿越的地层主要为粉土、粉质黏土等，且隧道管片外径为5500mm，内径6200mm。因此，盾构区间投入Φ6340mm液压驱动土压平衡盾构机进行掘进，开挖直径6370mm。盾构机总长为66.68m，最大推进速度80mm/min，最大推进力为40018kN，注浆泵数量2个，注浆孔数量4×2个，注浆箱容积7m³，盾尾注浆管径72mm×30mm×5mm。结合工程实例，采用MIDAS GTS有限元软件，建立盾构隧道开挖三维计算模型，如图1所示。整体模型130m×50m×70m（长度×宽度×深度）。隧道开挖中，拱顶埋深度为18m，隧道直径设置为6.37m，各管片的宽度为2.0m，注浆厚度设置为0.2m。在计算过程中，土层的结构关系服从摩尔库伦准则，有限元模拟土体输入参数如表1所示。注浆层的弹性模量取15GPa，泊松比取0.23，密重度12kN·m，内摩擦角取35°，黏聚力取20kPa。
在边界条件的设置上，将模型的下半部分作为固定的限制，四面作为法向的限制，而上半部分作为自由限制。为满足计算的准确性和效率性，基于模型的几何特征和指定参数（网格尺寸1.0m、网格类型为四边形）自动生成网格。对模型周边区域进行局部加密，得到540850个网格。在盾构注浆研究中，运用生死单元技术进行模拟，其中δ代表不同模拟角度下的收敛位移。同时，采用非均匀注浆分布模式进行模拟，具体步骤如下：第一，确保地应力平衡，保证初始地表位移小于10-6m；第二，通过生死单元模拟盾构引起的收敛位移，并激活注浆压力；第三，“杀死”下一环开挖区域的土体单元，并对该区域周边的位移边界进行相应的移除或激活；第四，重复上一步直至开挖结束[6]。
为分析注浆孔沿环向扩散时，不同注浆压力、非对称注浆对盾构隧道变形的影响，设置了8种不同的计算工况：工况A为基准工况；工况B~工况D三种工况主要模拟不同注浆压力条件下的地表沉降，以注浆压力减半为原则，分析盾牌尾部通过被测段后，注浆不足对地层造成的影响；因盾构断面左、右两侧摇摆开挖导致地层损失率不同，需要采取非均匀注浆的方式控制地表沉陷；工况E~工况H四种工况主要模拟非均匀注浆。非均匀注浆压力依次为1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa和1.8MPa，所有工况的注浆率均为125%。有限元模拟土体输入参数如表2所示。
由表2可知，注浆孔为对称布置，其中注浆孔1#~注浆孔3#位于隧道左侧，注浆孔4#~注浆孔6#位于隧道右侧，注浆孔3#和注浆孔4#位于过隧道中心的水平面，注浆孔1#和注浆孔6#位于隧道中心以上2.0m的水平面，注浆2#和注浆孔5#位于隧道中心以下2.0m的水平面。
3.2盾构隧道注浆施工有限元模拟结果分析
3.2.1注浆压力对地表沉降的影响分析
不同注浆压力时盾构隧道施工地表沉降变形曲线如图2所示。在数值计算过程中，工况B~工况D为隧道周边不同位置的注浆，工况B是上部注浆压力不足时的地表沉降值，工况D是中部注浆压力不足时的地表沉降值，工况C是下部注浆压力不足时的地表沉降值。
由图2可知，盾构隧道施工时，不同注浆压力引起地表沉降曲线变化规律基本一致，均呈对称的高斯曲线变化。与工况A的6个注浆孔相比，工况B~工况D的沉降槽均有较大的垂直位移变化。其中，工况B位于隧道中心以上2.0m水平面的钻孔（注浆孔1#和注浆孔6#）注浆不足，最大沉降值由40.2mm增至70.6mm。对在注浆压力不足的条件下的地层损失率与沉降槽宽度进行分析，结果表明，与工况A相比，由于隧道腰部附近的土体向隧道中央运动，引起了远方的土体移位，从而引起了远方的地面土体沉降，工况B的地层损失率和沉降槽宽度发生了较大的变化，分别从0.26%、23.15m增至0.49%、24.34m。与工况A相比，工况B的地表沉降峰值最大，工况D次之，工况C最小。
不同注浆压力时盾构隧道地层损失率和沉降槽宽度对比如图3所示。由图3可知，与工况A相比，工况B~工况D的地表沉降槽宽度基本一致，但地层损失率增加。由此表明，隧道腰部及腰部以上的土层注浆压力对地表沉降影响最大，腰部以下的土层注浆压力对地表的沉降影响较小，注浆孔压力不足会引起沉降槽宽度增加，但注浆孔压力不足的位置对沉降槽宽度影响较小。在实际工程中，应特别注意避免对隧道腰部以及腰部以上土层的扰动，在扰动后应及时注浆并保证注浆质量，避免发生较大的地层损失和地表沉降，可以根据监控资料确定裂缝的部位，并对裂缝进行修补，降低对地层的干扰。
3.2.2非对称注浆对地表沉降的影响分析
不同非对称注浆压力时盾构隧道地表沉降对比如图4所示。由图4可知，在右侧钻孔不同注浆压力提升条件下，引起地表沉降曲线变化规律基本一致，均呈非对称的高斯曲线变化。由于左、右两个方向的注浆压强比持续升高，导致隧道右侧的土体产生了凸起，其体积随之增大，使右侧的最大凸起从2.64mm增加至15.35mm，最大隆起起始位置从x=28m向x=20m（x是土与隧道中央的距离）移动，地面下沉沟槽逐渐缩小，隧道中央的地面最大沉降值从40.2mm降至45.8mm，此后地面下沉趋于稳定。此外，采用累积法预测地层损失速率表面，地层损失速率随非均匀压力比的增加而降低。
4结语
仿真分析表明，盾构隧道施工时，注浆压力不足引起地表沉降曲线变化呈对称的高斯曲线变化，地面沉陷对上部注浆压力比较敏感，并且注浆孔压力不足会引起沉降槽宽度增加，但注浆孔压力不足的位置对沉降槽宽度影响较小。
为实现注浆压力的非均匀分配，通过对6个注浆孔施加不同程度的递减（或递增）压力，得到的注浆压力随6个注浆孔的圆周方向递减（或递增）；右侧钻孔中，不同注浆压力提升条件引起地表沉降曲线变化规律呈非对称的高斯曲线变化。
非均匀注浆过程中，沉陷沟的形态会产生不均匀改变。在注浆压力高的一侧，会产生凸起的土层，并采用累积法预测地层损失速率。结果表明，地层损失速率随非均匀压力比的增加而降低。
转载文献来源：中国知网-智能施工
