大断面隧道盾构区间不同壁后注浆厚度施工优化分析

摘要：针对地铁穿越地区多为城市繁华地段，对环境影响要求较高，同时，盾构施工会引发不同程度的地层位移和变形，当地层位移和变形超过一定限度时，就会危及周围邻近建筑物和地下管线安全的问题，本文以北京某大断面盾构隧道工程为背景，采用岩土通用软件FLAC3D建立三维模型，对盾构不同壁后注浆厚度施工情况进行模拟计算，从而优化支护参数，确定合理的壁后注浆厚度，抑制过大的地表沉降及控制施工对周边环境的影响，避免对地表建筑物和地下构筑物的破坏，确保施工安全、顺利的进行。

关键词：盾构施工；壁后注浆；数值模拟；优化分析

1 引 言

随着我国目前经济的蓬勃发展，许多城市开始大量兴建地下隧道交通工程，并且向着更深更复杂的方向发展，而盾构隧道施工具有对环境影响小，受地表环境限制少，抗震性能好，适用地层范围广，适于大深度、大地下水压施工，相对施工成本低等优点，因此盾构工法极为适于城市隧道的构筑。目前盾构工法已在城市隧道施工技术中确立了稳固的统治地位，同时也对我国盾构隧道施工技术带来了新的挑战，诸如大断面大口径盾构施工、盾构掘进中壁后注浆的厚度、衬砌的管理、掌子面前方土仓压力的控制等方面都有待进一步的发展和研究。

盾构隧道施工过程中不同的壁后注浆厚度会对围岩位移、衬砌位移以及地表沉降范围和大小等造成一定的影响，而本文计算区间为大断面及大直径盾构隧道，其地处北京市中心区，对地表沉降要求严格，因此有必要对本区段不同壁后注浆厚度盾构施工的情况进行模拟计算，从而优化支护参数，确定合理的壁后注浆厚度，选取合理的支护方式，进而抑制过大的地表沉降及控制施工对周边环境的影响，避免对地表建筑物和地下构筑物的破坏，确保施工安全[1]。

2 计算方案

本文依托北京某大断面盾构隧道工程的施工重难点，首先进行整体三维建模[2]，然后分别计算区间隧道不同壁后注浆厚度对地表沉降、围岩位移以及建筑物变形的影响，最后通过数值计算变形规律的分析，结合现场施工经验，总结大断面盾构隧道施工土层受力和变形的特征，进而确定合理的壁后注浆厚度，选取合理的支护方式，优化支护参数。

盾构隧道周围地层的土体均按实际厚度取值，各土层采用摩尔库伦材料模型进行模拟，隧道外径（直径）11.6m，衬砌环采用实体单元模拟，厚度0.55m，每环宽度1.8m，采用等代层分析法模拟壁后注浆。模型边界条件均为顶面自由，四周约束法向位移，底面固定，采用大应变模型，计算壁后注浆厚度分别为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm条件下的隧道施工情况。盾构开挖模拟具体流程如下：①使用model null命令将等代层以内的土体全部挖出；②在开挖面上施加均布压力来模拟土仓压力；③运行一定时步；④施加盾构钢壳：钢壳用实体单元来模拟，采用弹性模型，其力学参数参照《混凝土结构设计规范》（GBJI-89）选取；⑤经过7个循环后，除去盾构钢壳；⑥运行一定时步；⑦施工等代层、安装管片；⑧一个工序完成。

3 计算模型

本文计算模型以盾构隧道掘进中轴线地表为坐标原点，垂直隧道中轴水平向为X轴、隧道中轴向为Y轴、深度方向为Z轴建立坐标系。模型范围为Y轴向取80米，X轴向外各取5D（D为隧道外径），自隧道底部垂直向下取5D。

4 结果分析

4.1不同壁后注浆厚度施工围岩应力分布规律分析

通过分析盾构隧道不同壁后注浆厚度施工时围岩最大主应力分布，可知，在壁后注浆厚度分别为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm进行盾构隧道施工时，隧道周围围岩受到不同程度的扰动，造成隧道左右侧墙处最大主应力较小，隧道底部最大主应力虽然也在减小，但是由于隧道底部的最大主应力初始值比较大，受到扰动后其最大主应力依然较大。所以在隧道开挖后要在恰当的时间段内进行合理的衬砌，特别是隧道左右侧墙处的衬砌，从而使隧道围岩达到新的受力平衡，进而避免因隧道左右侧墙受力过大出现隧道坍塌。

4.2不同壁后注浆厚度施工位移分布规律分析

图1不同壁后注浆厚度施工纵向地表沉降曲线

分析图1中数据可总结出在不同注浆厚度条件下，地表沉降曲线斜率都在逐渐增大，到隧道中部斜率达到最大，之后斜率又逐渐变小，并且在壁厚注浆厚度小于30cm时随着壁后注浆厚度的加大，隧道施工造成的地表沉降在逐渐加大，当注浆厚度大于30cm后随着注浆厚度的加大，地表沉降量又逐渐变小。

4.3不同壁后注浆厚度施工对建筑物差异沉降影响规律分析

通过分析建筑物各角点地表沉降数据可得，在不同壁后注浆厚度下进行隧道施工时，离隧道纵轴最近的侧墙体地表沉降差异较大，壁后注浆厚度从10cm到50cm，侧墙体沉降量分别为4.5mm、5.5mm、7.1mm、6.3mm、5.4mm，离隧道纵轴较远的侧墙体地表沉降差异较小，均在1mm左右。总体上离隧道较近的侧墙体与离隧道较远的侧墙体的地表沉降差异为4mm左右，在隧道纵轴向66m处的侧墙体由于盾构机刚把此断面的土体开挖完不久，其沉降还未完全，故此处侧墙体沉降不太稳定。但是总的规律是在壁后注浆厚度小于等于30cm时，随注浆厚度加大，墙体地表沉降差异在逐渐增大，当注浆厚度大于30cm后，随注浆厚度加大，墙体地表沉降差异又有所减小。注浆厚度为30cm时墙体地表沉降差异最大，注浆厚度为10cm时墙体地表沉降差异最小。

5 结论

通过对隧道不同壁后注浆厚度盾构施工数值模拟，分析其结果，并结合施工经验得出如下结论：

（1）隧道周边的围岩在隧道左右侧墙处的最大主应力较小，隧道底部土层最大主应力虽然也在减小，但是由于隧道底部的最大主应力初始值较大，受到扰动后其最大主应力依然较大，沿隧道z轴方向，在隧道顶板处围岩沉降量最大，由此处沿z轴竖直向上直至地表围岩沉降量逐渐减小，横轴向在隧道轴线位置围岩沉降量分别达到极大值。

（2）隧道纵轴向中间地段隧道轴线附近地表沉降量最大，其他地段沉降量逐渐减小，横轴向在隧道轴线位置地表沉降量分别达到极大值，沿横轴地表沉降的影响范围约为70m（左、右侧各35m），并且在壁后注浆厚度小于等于30cm时随着壁后注浆厚度的加大，隧道施工造成的地表沉降量也在逐渐加大，当注浆厚度大于30cm后，随着壁后注浆厚度的加大隧道施工造成的地表沉降将有所减小。

参考文献：

[1] 任艳荣.地铁盾构施工与地下管线的相互作用研究现状及其展望[J].北京建筑工程学院学报，2011，27（4）：53-56.

[2] 张利民，李大勇.盾构掘进过程土体变形特征数值模拟[J].岩土力学.2004，25（增刊）：75-78.