盾构注浆压力对软土地层土体变形的影响.pdf

江西建材工程技术与应用2892023年6 月盾构注浆压力对软土地层土体变形的影响周博豪浙江工业大学土木工程学院，浙江 杭州 310023摘 要：在软土地层进行盾构施工会造成较大的地层损失，从而引起较大的土体变形。为研究注浆压力的影响，文中基于小应变硬化土模型，采用有限元软件 Midas GTS NX对盾构施工引起的土体变形进行了模拟分析。关键词：盾构施工；软土地层；注浆压力中图分类号：TU441 文献标识码：B 文章编号：1006-2890（2023）06-0289-03The Influence of Shield Tunnel Grouting Pressure on the Deformation of Soft Soil StratumZhou BohaoZhejiang University of Technology College of Civil Engineering,Hangzhou,Zhejiang 310023Abstract:Shield tunneling in soft soil stratum can cause significant geological losses,resulting in significant soil deformation.To study the influence of grouting pressure,this paper based on the hardening soil model with small strain stiffness,finite element software Midas GTS NX was used to simulate and analyze the soil deformation caused by shield tunneling.Key words:Shield construction;Soft soil stratum;Grouting pressure0 引言盾构法具有施工机械化程度高，且不会大范围影响道路正常通行以及对地层扰动小等优点，广泛应用于隧道施工中。目前，盾构机不断改进，施工技术水平不断提高，但仍无法消除盾构施工所引起的土体变形1-3。为探讨盾构施工引起的土体变形，Peck4和魏纲等5通过大量现场数据分析得出了盾构施工引起土体变形的经验公式；宋洋等6和宋伟涛等7通过室内模型试验分别研究了盾构机刀盘以及土层参数与土体变形之间的关系；王博等8及谢超等 9则通过有限元软件对盾构隧道进行了数值模拟分析。本文依托实际工程案例，利用有限元软件 Midas GTS NX，基于小应变硬化土体（HSS）本构模型，模拟分析了软土地层盾构施工引起的土体变形受注浆压力影响的规律，为本工程施工中注浆压力的选取提供理论参考。1 工程概况本研究依托杭州某城市道路工程，该拟建工程为东西走向，全长约为2 km的盾构隧道。沿线分布了电缆和污水管道等大量市政管线，同时盾构施工下穿的重要道路两侧分布有大量建筑物。工程盾构施工中采用的盾构管片内径为11.9 m，外径为13 m，结构厚度为0.55 m，每环管片的宽度为2 m。工程所在场地根据勘探结果显示，地层由上至下依次为素填土、粉质砂土、淤泥质黏土、黏土、粉质黏土和弱风化黄岗岩，但该盾构掘进时，掌子面所处地层基本为软弱地层，而软弱地层受到盾构掘进的影响会产生大量地层损失以及土体变形，因此，控制盾构施工过程中土体的变形在本工程中尤为重要。本文进行模拟及分析不利断面的勘探结果如表1 所示。表1 不利断面土层勘探结果序号土层黏聚力/kPa内摩擦角/（）天然重度/（kNm-3）弹性模量/MPa层厚/m1素填土26.612.418.64.743.62砂质粉土23.922.716.94.1153淤泥质黏土25.424.118.94.3374黏土27.530.221.64.7895粉质黏土25.828.320.14.6116.56弱风化黄岗岩497.545.927.9411.3-2 有限元模型的建立2.1 有限元模型参数及几何尺寸Midas GTS NX软件常应用于设计工作中，是针对岩土领域开发可靠的三维有限元分析软件，且 HSS本构模型与 Mohr-Coulumb本构模型以及HS本构模型相比，考虑了小应变范围内土体应变和剪切刚度的非线性关系。因此，本文基于 HSS模型采用 Midas GTS NX软件对该隧道进行有限元数值模拟。HSS模型的基本参数（土体参考割线模量、固结切线模量、加卸载模量、初始剪切模量、剪切模量衰减至初始剪切模量70%时所对应的剪应变 0.7、应力水平相关幂指数m、卸载再加载泊松比ur和破坏比Rf等）可通过一系列室内试验获得，同时为了考虑盾构掘进时的不利情况，对上述参数的取值做不利化处理，如表2 所示。基于表2 的土层参数，考虑盾构开挖会对隧道周边大约3作者简介：周博豪（1998-），男，浙江温州人，硕士在读，主要研究方向为岩土工程设计。江西建材工程技术与应用2902023年6 月倍范围内的土体的应力应变分布产生较大影响，为避免对模拟精度产生影响，因此，模型的尺寸采用隧道轴线方向，长为24 m，横向宽度为60 m，高度为41 m，其中，盾构隧道的直径为13.2 m，埋深为11 m。表2 模拟土层参数土层/MPa/MPa/MPa0.7104/MPamvurRf素填土3.03.015.02.0300.7 0.2 0.9砂质粉土5.05.025.02.0500.5 0.2 0.9淤泥质黏土5.05.025.02.0500.8 0.2 0.9黏土7.07.035.02.0700.5 0.2 0.9粉质黏土9.09.045.02.0900.75 0.2 0.92.2 模型建立图1 土层及盾构隧道模型图图1 为建立的土层及盾构隧道的模型，模型的上表面被视作地表，为自由界面，其余五个表面均受法向约束，其中各土层表面均简化为水平面，土层采用 HSS模型进行建模，参数如表2所示。模型中盾构隧道的内径为11.9 m，预制钢筋混凝土管片厚度为0.55 m，环宽为2 m，管片衬砌与隧道之间的空隙采用注浆填充，注浆层厚度为0.2 m。盾构施工参数如表3 所示。表3 模拟盾构施工参数名称类型泊松比弹性模量E0/MPa重度/（kN m-3）注浆体弹性0.25122.5衬砌管片弹性0.33.2510425盾构机盾壳弹性0.32.16105763 模拟结果分析3.1 与理论结果的对比验证为了能更好地通过数值模拟分析，对工程的施工提供有效指导，则必须验证该数值模拟的准确性和可行性，因此，本文通过与 Peck公式计算得到的横截面地面沉降结果进行对比。（1）（2）式（1）和（2）为 Peck公式4，已经被应用于大量的研究中。式中，S和 Smax分别代表 x处的地面沉降量（m）和隧道轴线上方的地面沉降量（m），x为离隧道轴线的水平距离（m），R为隧道外半径（m），i为沉降槽宽度系数，在本文的对比中，依据魏纲5提出的考虑土体参数的方法计算得到，为土体损失率，考虑到本文模拟中为软弱地层，根据经验取=0.5%。图2 地面沉降曲线对比图对比结果如图2 所示。由图2 可知，本文通过 Midas GTS NX软件基于 HSS模型建立的数值模型对土体沉降的预测表现良好，能应用于注浆压力对土体变形影响的分析中。3.2 注浆压力对土体变形的分析注浆压力是影响盾构隧道施工中引起土体变形的主要施工因素之一，本节将研究数值模型中注浆压力对盾构隧道施工引起的土体变形的影响。图3 不同注浆压力对地面沉降的影响图3 中的曲线为盾构掘进模拟完成后，距盾构掘进起点12 m处的沿横截面方向的地面最终沉降。不同注浆压力大小对地面沉降的影响如图3 所示。图3 展示了在注浆压力大小不同的情况下，地面沉降量具有显著差异，注浆压力越大，地面沉降越小。当注浆压力从0.15 MPa提升至0.25 MPa时，地面最大沉降由60.9 mm降低至39.4 mm，降幅为35.4%。而注浆压力由小到大对地面沉降的影响也有所不同，当注浆压力从0.15 MPa提升至0.2 MPa时，地面最大沉降量的降幅为22.9%，而注浆压力从0.2 MPa提升至0.25 MPa时，降幅为16.1%。该现象可理解为注浆压力越小时，提升注浆压力对于减小地面沉降的效益越大，注浆压力越大时，则效益越小。这可能存在一个较大的注浆压力，当注浆压力再次提高时，地面沉降受到的影响可以忽略不计。由此可见，提升注浆压力可有效减小地面沉降，但当施工采用的注浆压力已经足够大时，提高注浆压力对减小地面沉降的效益不高。江西建材工程技术与应用2912023年6 月图4 不同注浆压力对隧道上覆土沿顶进方向沉降的影响图4 展示了不同注浆压力下，隧道上覆土（隧道顶点处的土体）沿盾构掘进方向的沉降曲线。表明在注浆压力大小不同的情况下，隧道上覆土的沉降具有明显差异。随着注浆压力的增大，隧道上覆土的沉降大幅减小。当注浆压力为0.25 MPa时，隧道上覆土的沉降在距洞口024 m变化不大，而注浆压力为0.15 MPa和0.2 MPa时，隧道上覆土的沉降有明显平稳减小的趋势并趋向于平缓。这说明注浆压力的增大对地面沉降和隧道上覆土的沉降的改善均有显著效果，且与地表相比，注浆压力对隧道上覆土沉降的影响更大且更明显。图5 不同注浆压力对隧道下部土体沿顶进方向隆起的影响隧道下部土体沿盾构掘进方向在不同注浆压力下的隆起曲线如图5 所示，且注浆压力对隧道下部土体隆起量影响较为显著。由图5可知，随着注浆压力的增大，隧道下部土体隆起增大，且距洞口越远不同注浆压力的差异越显著。当注浆压力为0.25 MPa时，隧道下部土体隆起在距洞口024 m变化平缓；当注浆压力为0.15 MPa和0.2 MPa时，隧道下部土体隆起在距洞口524 m显著增大，且注浆压力为0.15 MPa时，隆起曲线的斜率比0.2 MPa大，说明通过增大注浆压力能减小隧道下部土体的隆起量。结合图3图5 可知，注浆压力对土体变形具有显著影响，在实际工程中，可通过提高注浆压力，以减少盾构引起的损失以减小土体变形。4 结语本文通过 Midas GTS NX模拟了盾构施工的过程，研究了在软土地层中盾构施工的注浆压力对土体变形的影响，得到了不同注浆压力下土体变形曲线，并对其规律进行了分析，得出了以下结论：（1）在软土地层中的盾构施工，注浆压力对地面沉降、隧道上覆土沉降和隧道下部土体隆起等土体变形具有显著影响，且隧道上覆土和隧道下部土体受注浆压力的影响更大。（2）注浆压力的增加均能有效减小地面沉降、隧道上覆土沉降和隧道下部土体隆起，且当注浆压力足够大时，其对上述土体变形量的影响均有所减小。参考文献 1 刘建航，侯学渊.盾构法隧道M.北京，中国铁道出版社，1991.2 Erbin Liang，Zhikang Wang，Jun Wang，et al.Study on the law of ground subsidence caused by shield construction in composite stratumJ.IOP Conference Series：Earth and Environmental Science，2021（1）：112-123.3 王长虹，朱合华，徐子川，等.考虑岩土参数空间变异性的盾构隧道地表沉降分析J.岩土工程学报，2018，40（2）：270-277.4 Peck R B.Deep excavations and tunnelling in soft groundC./Proceedings of the 7th International Conference：State of the Art Volume.Mexico City：SMFE，1969：225-290.5 魏纲.盾构法隧道地面沉降槽宽度系数取值的研究J.工业建筑，2009，39（12）：74-79.6 宋洋，王韦颐，杜春生.砂-砾复合地层盾构隧道开挖面稳定模型试验与极限支护压力研究J.岩土工程学报，2020，42（12）：2206-2214.7 宋伟涛，张佩，杜修力，等.砂卵石地层盾构开挖面失稳破坏模型试验研究J.北京工业大学学报，2022（5）：48.8 王博，郑鹏飞，胡江洋，等.近距离平行盾构隧道施工数值模拟及影响因素分析J.现代隧道技术，2021，58（4）：117-124.9 解超，史绪鑫.下穿铁路隧道施工模拟及影响分析J.江西建材，2022（6）：273-274，278.撑布置两跨即可；对于其他类似结构工程，钢桁架的间距控制在1.5 m左右，可以在保证结构安全稳定的基础上，实现良好的经济 效益。参考文献 1 孔德锋，王波，李宗棣，等.装配式建筑预制叠合板内线盒及套管的预埋技术J.安装，2023（3）：72-74.2 谭渝龙，张伟.装配式叠合板精确安装控制措施分析J.工程质量，2022，40（4）：65-69.3 甘正正.装配式建筑结构中叠合板施工技术研究J.中国高新科技，2022（21）：68-70.4 孔宁.高层装配式建筑工程预制叠合板施工工序及关键技术 J.建筑安全，2022，37（1）：62-64.5 孙殿军.装配式建筑结构中叠合板施工技术J.建筑技术开发，2021，48（10）：13-14.6 杨海涛.装配式建筑结构中的叠合板施工技术分析J.房地产世界，2022（7）：125-127.（上接第288页）