盾构隧道壁后注浆压力对地表沉降及围岩变形的数值模拟研究

1 粘土层
80
0. 29 1 930
16
20
的揭示注浆对隧道围岩的变形以及地表沉降的影响 , 在数值模拟过程中设定了 5种状态的注浆压力来揭示 注浆所产生的作用机理 。注浆压力 1. 0p res Pa代表的 是一种注浆压力状态 ,即盾构开挖面各点所加的注浆 压力等于未开挖时土体的自重应力 ,如图 4 所示 。 2
随着盾尾脱开和注浆的不断进行 ,管片与土层间 的空隙将迅速被填充 ,控制不好 ,此阶段最易引起地表 的突沉 。该施工阶段的地表沉降大小以及围岩的变形 很大程度上受注浆压力和注浆量的影响 。在注浆填充 的过程中 ,若注浆压力过大 ,将产生一系列的危害 : 1) 管片间的接头将可能受到严重的破坏 ,容易使管片错 台 ,有可能引发重大的工程事故 ; 2 )引起地表的有害 隆起 ; 3)破坏管片衬砌 ; 4)损害盾尾的密封 。若注浆 压力过小 ,就无法保证注浆量 ,注浆将达不到预计的效 果 ,注浆层将会有余留的空隙 ,地层将会向隧道方向移 动 ,不仅地表将产生较大幅度的沉陷 ,而且影响地表建 筑物与地下管线的安全 。 1. 4 固结沉降阶段
及管片上 ,对其产生很大的影响 ,随着浆液的凝固 ,注
浆压力将随之释放 ,此时管片的受力状态又发生了改
变 ,承受围岩及注浆体共同作用的压力 。
注浆压力的分布对计算结果如衬砌管片内力等有
较大的影响 。非均布注浆压力作用的计算结果更接近
图 4 1. 0p res作用在模型上的示意图
量测值 ,事实上也更接近实际施工情形 [ 3 ] 。为了很好
非均布注浆压力作用的计算结果更接近0pre0preaction不同注浆压力下引起监测点的位移变化情况tableisplacmenmonitoringpotsundeifferengroutingressure6pre8pre0pre2pre4pre11是监控布测点处的计算结果分析曲线可以看出当注浆压力低于地表沉降和围岩变形很大且随着注浆压力变小由于土体向管片移动量大注浆层的空隙将变小注浆量将减少严重影响注浆效果和地表下沉进而影响地表建筑物以后地表沉降和土体变形都十分小且随着注浆isplacemenhorizontaisplacemenisplacemen盾构隧道壁后注浆压力对地表沉降及围岩变形的数值模拟研究15horizontaisplacemenisplacemenig10isplacemenig11isplacemen同时合理的注浆压力不仅可有效地调整地表沉降总量也可以调整土体围岩的变形速率最佳注浆压力的确定可根据实际的地层地质情况结合本文的数值计算方法确定一个初始值然后以这个初始值进行试验最终确定注浆压力在盾构施工中为了防止因管片周围的土体松动和下沉引起地层变位提高隧道的止水能力达到管片衬砌环早期的稳定必须尽早的进行壁后注浆压力的增大地表的沉降越来越小趋于平缓向的变形将从向管片移动转为慢慢的背离管片移动不过变形量很小
2 沙土层
80
0. 23 2 050
0
35
3 粘土层
80
0. 31 1 930
36
20
点的注浆压力为 197 556. 723 Pa, 1 点的注浆压力为 315 889. 随着 埋深的增大 ,而线性的变化 。其它的注浆压力分别是
2. 4 计算与分析 盾构同步注浆是通过同步注浆系统及盾尾的注浆
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1. 1 开挖掘进阶段 盾构法施工时 ,首先依靠盾构本身的刚性支护和
刀盘开挖前方土体 ,在该阶段沿着盾构机的长度 ,周围 土层的地应力因盾构壳体的作用仅得到有限释放 。 1. 2 盾尾注浆阶段
随着盾构的推进 ,不断拼装衬砌管片 ,此时因在盾 构外径与管片外径之间存在着建筑空隙 ,需从盾尾向 管片环外围进行注浆 。注浆量的多少由注浆压力大小 以及开挖土层土体的特性所决定 。 1. 3 盾尾脱开阶段
2 Y向位移
3 X 向位移
Y向位移
4 X 向位移
Y向位移
m
5 Y向位移
0. 6p res
- 6. 6e - 2
- 1. 15e - 1
6. 8e - 3
- 9. 4e - 2
- 6. 8e - 3
- 9. 4e - 2
- 1. 1e - 1
0. 8p res
1. 2e - 2
- 1. 80e - 2
浆液进入衬砌与土层间的空隙以后 ,注浆压力同 时反向作用于围岩及管片 ,这时浆液是流动的状态 ,地 表沉降及围岩的变形主要是受注浆压力的影响 ,注浆 材料的整体刚度很低 ;随着盾构的推进 ,注浆压力将降 低 ,但是注浆材料开始凝固 ,由液态转为固态 ,它的整 体刚度将大幅度的提高 ,这时由已经减小的注浆压力 和一定的注浆材料强度来影响地表的沉降及围岩的变 形 。此阶段 ,地层的变形渐渐受到约束而将外荷载传 递至衬砌结构上 ;最后 ,注浆材料的完全凝固以及土体 的固结 ,将再会对地表的沉降产生一定的影响 。实际 的观察 、实验 、研究均表明 ,盾构过后 ,地表最终沉降和 围岩变形与注浆压力的大小有直接的关系 。
①开挖面前方土体崩塌或盾构机推力过大引起开 挖面压力失稳 ;
②作用于盾构的外力 (千斤顶荷载 )变化 ; ③盾构 —土体间摩擦引起的土体挤压“剪切 ”效应 ; ④盾尾间隙以及在盾构隧道管片衬砌壁后的注浆 所引起 ; ⑤因盾构操作引起的过量取土 ; ⑥因地下水位变化引起孔隙水压力变化 ,而导致 的长期固结沉降 ; ⑦改变推进方向引起地表沉降 。
X IE Zi2tao1 , J IAN G Yu2sheng2 , L IU Pin2
( 1. The 1st Eng ineering Co. , L td. of Ch ina R a ilw ay 5 th B u reau Group, Changsha 410117, Ch ina; 2. Ch ina U n iversity of M in ing & Technology (B eijing) , B eijing 100083, Ch ina)
其中 ,注浆引起地面沉降主要包括两点 :一是注浆
压力 ,二是注浆量 ,二者均对地面沉降及围岩变形产生 直接影响 。注浆压力不同 ,注浆量也不同 ,对地面沉降 及围岩变形的影响程度也不同 。本文研究的重点是在 其它条件不变的前提下 ,盾构隧道壁后注浆压力对地 面沉降及围岩变形的影响 。
1 盾构隧道壁后注浆的过程
图 2 数值分析模型及网格图 Fig. 2 Numerical model and mesh for calculation
2. 2 计算模拟步骤 为了研究盾构隧道壁后注浆压力对地表沉降和围
岩变形的影响 ,采用以下的计算步骤 : ①岩土体在自重作用下固结沉降 ,达到平衡 ,然后
把此时的位移场赋零 ; ②进行隧道开挖 ,盾构隧道围岩在注浆之前存在
Abstract: Taking the running tunnel of a M etro p roject as an examp le, this paper discusses the surface settlement and surrounding rock deformation arising in shield tunneling under different grouting p ressures by means of FLAC p rogram. Considering the allowable surface settlem ent range, the authors p ropose reasonable simultaneous grouting p ressures and settlement control measures in shield tunneling construction. Key words: shield tunnel; grouting p ressure; settlement; numerical simulation
通常数值模型尺寸的边界为 5 D (D 为隧道的直 径 )以外 ,盾构外径为 6. 25 m ,隧道直径 D 为 6 m ,隧道
埋深按 10. 31 m ,计算模型宽度取为 8 D ,上至地面 ,下 至隧道底部以下 18. 7 m 为界 。计算时岩土材料采用 摩尔 - 库仑破坏准则 ,大应变变形模式 。左右边界条 件视为连杆支座 ,下边界视为铰支座 ,具体数值分析模 型如图 2所示 。
Fig. 4 1. 0p res action on numerical model
表 2 不同注浆压力下引起监测点的位移变化情况
注浆压力 / Pa
1 Y向位移
Table 2 D isp lacment of monitoring points under different grouting p ressures
0 前言
国内外实践表明 ,盾构法隧道施工多少都会引起 地表的沉降 ,不论是采用目前比较先进的土压平衡或 是泥水平衡盾构 ,要完全消除地面沉降也是不太可能 的 。研究表明 ,采用盾构法修筑隧道 ,地面沉降的大小 及分布 ,在很大程度上受盾构掘进的施工过程所控 制 [ 1 - 2 ] 。Lee (1992)和 M air ( 1997 )分别将影响地面沉 降的主要原因归纳为以下几点 :
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隧道建设 2007年 8月 第 27卷
表 1 数值计算土层参数表 Table 1 Properties of stratum for numerical simulation
土层 编号
土性
弹性模量 泊松比 密度 ρ 粘聚力 C 内摩擦 E /MPa γ / ( kg /m3 ) /MPa 角 φ / ( °)
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第 4期 谢自韬 等 盾构隧道壁后注浆压力对地表沉降及围岩变形的数值模拟研究
应力释放 ,所以要计算一定的时步 ; ③随后加上注浆压力 ,求解达到平衡 ; ④分析计算结果 。 研究中 ,在不同的注浆压力下 ,地表沉降和围岩变形
是最受关注的重点 ,所以布置监测分析点如图 3所示。
图 3 监测控制点的布置 Fig. 3 D istribution of measurement points
相应的控制沉降措施 。
关键词 : 盾构隧道 ; 注浆压力 ; 沉降 ; 数值模拟
中图分类号 : U455. 43
文献标识码 : A
Numer ica l S imula tion Study on Surface Settlem en t and Surround ing Rock Deforma tion Caused by Backf ill Grouting Pressure in Shield Tunneling
第
27卷 第 4期 2007年 8月
隧道建设 27 (4)
Tunnel Construction
A ug.
: ,
12～15 2007
盾构隧道壁后注浆压力对地表沉降及围岩变形的数值模拟研究
谢自韬 1 , 江玉生 2 , 刘品 2
(1. 中铁五局集团一公司 , 长沙 410117; 2. 中国矿业大学 , 北京 100083)
摘要 : 以某地铁工程区间隧道为例 ,采用通用的 FLAC程序对盾构区间隧道施工在不同注浆压力条件下引起的地表沉降及围岩变
形进行了数值模拟研究 。根据该分析结果 ,综合考虑在工程地面条件允许的沉降范围内 ,提出了合理的盾构施工同步注浆压力及
2 数值模型
2. 1 模拟对象 运用岩土工程有限差分程序 FLAC进行某地铁区
间隧道注浆压力的变化对地面沉降和围岩变形的数值 分析 。数值分析的目的在于 : 1)估计不同的注浆压力 对隧道地表沉降和围岩变形的影响规律 ; 2)在地面环 境允许沉降范围内 ,找出合理的注浆压力范围 ,以便指 导施工 。
2. 3 计算参数的选取 计算参数根据工程地质勘察报告 、各层岩土参数
进行选取 ,见表 1 (从地表至计算深度 ) 。
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1. 0 p resPa应力状态的一个倍数 。具体监测分析点的 计算结果如表 2所示 。
管 ,在盾构向前推进 、尾盾脱离 、空隙形成的同时进行
的注浆工作 。注浆在盾尾空隙形成的瞬时及时填充 ,
以保证围岩同支护管片结合的紧密性 ,从而使周围土
体及时得到支撑 ,可以防止土体的坍塌 ,控制地表的沉
降 。在注浆的同时 ,注浆压力同时反方向作用在围岩
盾构隧道开挖如图 1 所示 ,对施工引起的地层变 形进行分析时 ,通常可以分为 4个典型的施工阶段 。
图 1 盾构隧道开挖示意图 Fig. 1 Sketch of tunnel boring of shield
收稿日期 : 2007 - 07 - 03 作者简介 : 谢自韬 (1968 - ) ,男 , 1991年毕业于长沙铁道学院 ,高级工程师 ,中铁五局集团一公司副总经理 ,现主要从事隧道工程与设备管理 、地铁 隧道盾构施工与管理等工作 。