盾构隧道壁后注浆作用机理的计算研究
第! " 卷第#期" $$%年! " 月
塑性工程学报
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盾构隧道壁后注浆作用机理的计算研究
! 中南大学土木建筑学院" 长沙! >#! 邓宗伟! ! $$@%
! 中国地质大学
冷伍明?
工程学院" 武汉! >#! 陈建平" ? $$@>
摘! 要! 盾构隧道在壁后注浆初期! 支护结构既要承受围岩的压力又要承受注浆的压力! 浆液凝固后! 支护结构则主要承受围岩的压力" 为了分析注浆的这种作用机理! 以北京市地铁五号线试验段为例! 运用-, +2? :" 9$! 结合盾构隧道壁后注浆的受力特点进行二次开发! 对盾构隧道壁后注浆的作用机理进行了研究! 探讨了壁后注浆对支护结构和围岩的受力#变形影响的规律性! 并据此提供了一种合理确定壁后注浆压力的方法" 关键词! 盾构隧道$-, +2? :分析$注浆$作用机理
中图分类号! (&$>%%9>? !!! 文献标识码! +!! 文章编号! ! $$@A " $! " %" $$%#A $! ! >A $>
一阻碍隧道围岩变形的阻力! 从而也改变了围岩的
! ! 引! 言
在地铁盾构隧道施工中! 盾构隧道壁后同步注浆是施工中一项必不可少的工作内容" 盾构同步注浆就是在隧道内将具有适当的早期及最终强度的材料! 按规定的注浆压力和注浆量在盾构推进的同时填入盾尾空隙内" 其目的’#尽早填充地层! 减少地基沉陷量! 保证环境安全$$确保管片衬砌的早期稳定性和间隙的密封性$%作为衬砌防水的第一道防线! 提供长期#均质#稳定的防水功能$&作为隧道衬砌结构加强层! 具有耐久性和一定强度" 对地层稳定性差! 采用密闭型盾构方法施工的隧道而言! 围岩变形的主要原因在于衬砌背后注浆的好坏" 因为脱离盾尾后一段时间! 盾尾空隙接近无支撑状态! 其变形或局部坍塌随着围岩扰动范围的增大而直接影响地表沉降程度" 因此! 同步注浆技术是决定盾构隧道能否稳定的关键性工序之一" 目前国内有关盾构壁后注浆施工工艺方面的研究比较多! 但是在理论上的研究则很少" 为了更好地应用同步注浆技术! 必须对同步注浆的作用机理进行深入的研究! 以便更好地指导盾构隧道的设计与施工"
二次应力状态" 阻力的大小和方向对围岩的应力状态有很大的影响" 为了便于分析! 假定阻力是径向的%实际上还有切向的&! 且沿洞室周边是均匀分布的%如图! &
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图! ! 同步注浆后隧道围岩受力图
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由弹性理论可知! 在内外压力+&和+’的作用
下! 当’1&时! +" ’c $时围岩的应力计算公式为
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隧道壁后注浆的力学模型分析
隧道进行同步注浆后! 相当于在洞室周边施加
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式中! ((围岩的初始应力" $(
((圆形洞室的开挖半径&(
((围岩容重) A (((从地表到洞室中心的距离" A (
((径向应力" >(=
((切向应力" 0(
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邓宗伟! 4’A B C D 8I ; C 7I M #? 9
作者简介’邓宗伟! 男! 湖南益阳人! 工程师! 在读! N @" 年生! 博士! 主要从事基础工程与地下工程有关的科研工作收稿日期’" $$%A $? A ! =$修订日期’" $$%A $>A " #
万方数据
! 第#期
邓宗伟等#盾构隧道壁后注浆作用机理的计算研究
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由以上两式可知! 当隧道注浆以后! 其围岩重分布应力" >和" 0由开挖以后围岩的重分布应力和注
浆压力引起的附加应力组成" 前项即为开挖以后围岩的重分布应力! 后项即为注浆压力引起的附加应力值! 即#
边界取至地表! 下边界和右边界都取隧道洞径$#B %的? 倍进行计算! 长度取! " B " 全部计算区域共划分为?%#>节点! ?$>$单元" 计算时固定左右边界! 前后边界及下边界! 上边界取为自由边界" 其计算地质模型及单元网格划分如图" 所示
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$>%!! 由式$
? %&式$>%可知! 注浆压力使围岩产生负的环向应力! 即拉应力" 由此可见! 在一定程度上的注浆压力会使周边的径向应力增大! 而使切向应力减小! 实质上是使直接靠近洞室周边的岩体的应力状态从单向变成双向的受力状态! 因而提高了岩石的承载力! 使隧道保持稳定" 但注浆压力太大时则会使切向力超过围岩的抗拉强度! 导致围岩破坏! 甚至使隧道最终失稳" 因此! 合理地确定注浆压力及注浆量是盾构隧道壁后注浆施工的一个关键问题"
实例分析
" #
工程概况
地铁五号线南起丰台区的宋家庄! 北至昌平区
的太平庄! 线路全长" @9#Z B ! 其中地下段长度#9N Z B ! 占全线长度的#? d " 地下线北段$
东单’和平里%地层条件复杂&地下水位较高! 隧道从老旧的建筑物下方通过! 为保证工程安全! 设计选用能较好控制沉降! 减少对周围环境影响的盾构法施工" 为确保工程的全面顺利实施! 选取具有代表性的雍和宫’北新桥段作为盾构施工试验段! 试验段长约#==B ! 地面标高在>>9$B " >>9%B 之间" 选用盾构机的直径#9! N B ! 长=B ! 整机全长%@B ! #对千斤顶! 总推力"=? %I ! 总扭矩>"%$Z *(B ! 推进速度$" =$B B ) B D J ! 转速$" ? O R B " 隧道直径9>B ! 管片厚? $$B B ! 环宽!" $$B B " " ! 计算模型的建立
9" 9! ! 模型范围的确定及边界条件的选取
根据地质资料显示! 五号线的地质情况比较复杂! 为此选取有代表性的点S =a #! =为计算点" 此处地层共分%层! 从上到下依次为#杂填土&粉质素填土&砾质粉土&粉质粘土&粉细砂&中砂" 因所分析的区域基本上属于对称区域! 故在分析计算时为了简化模型只万方数据取对称区域的!
) " 进行分析" 上图" ! 计算地质模型及单元网格划分图
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7M ; 89" 9" 计算参数的选取
根据计算点的地质资料及管片的物理力学性质! 选取计算参数如表! &表" 所示"
表#! 隧道围岩体计算参数表
0C X 9! ! 27L J I D J KR C O C B ; I ; O 7P I L J J ; 8H L O O 7L J M D J K O
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! Q . C Q . C %杂填土? @! %" %! 9#$9? %@9N " 9#粉质素填土>! %9%" $
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砾质粉土
? ! =! %? $" 9$" $9? ! ! %9=#9N 粉质粘土? 9%" #>>" " ! 9N =$9" =! N 9@! $9" 粉细砂! $
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表! ! 管片计算参数表
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此外根据地质资料对所选计算点土层的平均渗
透系数取为! $e "
" 地下水位取为地面以下" B " " $
计算与分析
盾构隧道施工不同于其他施工方法的显著特点之一! 就是在支护管片的同时一般要实施壁后注浆! 以保证围岩同支护管片结合的紧密性" 但在注浆的同时! 注浆所产生的注浆压力势必对支护结构与围岩都产生很大的影响! 而且浆液凝固后! 其注浆压力大部分释放! 此时支护结构的受力状态又发生了
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塑性工程学报
第! " 卷
根本的变化! 主要还是承受围岩的压力" 为了很好地揭示由于注浆的存在而对隧道的受力与变形产生的影响" 在模拟的过程中! 设定了%种注浆压力! 通过注浆压力的变化来揭示由于注浆所产生的作用机理" 为了有效地观察不同位置处由于注浆压力变化所产生的影响! 在模型中取出具有代表性的几个点做为监测点进行分析! 这几个点坐标分别为#拱顶结构$&地表$&拱顶$! #! " 9=%%$! #! ! ? 9$%围岩$&底板围岩$&$! #! ? 9! %%$! #! e? 9! %%!! 图>反映了支护压力随注浆压力的变化情况"
从图中可以看出! 支护压力随注浆压力的增加而直线上升! 且作用在? 个不同部位的支护压力增加的幅度及增加的数值都比较接近" 同时可以看出! 不同的注浆压力下的支护结构的压力相差也相当大"
底板结构$$! #! e " 9=%
%" 具体计算结果如下" 表$! 注浆压力的变化引起竖直位移变化的情况表0C X 9? ! 6C O D C X 8; H D I L C I D 7J7P V ; O I D
8C
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拱顶结构竖直位移$B %e " 9? %4e $" 9>%4e $" 9#>4e $" 9=$4e $" 9N >4e $? 地表竖直位移$B %e " 9" ! 4e $! 9! %4e $%9%#4e $! 9%>4e $9N $4e $? 拱顶围岩竖直位移$B %e >9#$4e $" 9#? 4e $! 9" $4e $9#! 4e $? ? 9$>4e $" 底板围岩竖直位移$B %" 9%#4e $" " 9$N 4e $" ! 9=$4e $" ! 9>%4e $" N 9N #4e $? 底板结构竖直位移$B %
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9N ! 4e $! 9@>4e $! 9#>4e $! 9%%4e $! 9>? 4e $? 图? ! 注浆压力变化引起监测点竖直位移变化曲线图-D K 9? ! 6C O D C X 8;
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; B B ! 底板支护结构位移从e ! 9N ! B B 增加到e ! 9>? B B ! 顶
板支护结构的位移较底板大! 但总的来说支护结构的位移都比较小" 而注浆压力的变化对围岩的扰动则比较大! 随着注浆压力的增大! 顶板围岩&底板围岩&地表的竖直位移都有比较明显的变化" 当注浆压力超过$9" Q . 万方数据C 时!
顶板围岩和地表有上拱的趋势" 图>! 注浆压力变化引起监测点支护压力变化曲线图-D K 9>! 6C O D C X 8;
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图%! $9$%Q . C 注浆压力时的塑性区分布图-D K 9%! :D H I O D X L I D 7JM D C K
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! 第#期
邓宗伟等’盾构隧道壁后注浆作用机理的计算研究
能破坏围岩" 严重时还会导致地表隆起#
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! 不同的注浆压力下" 围岩的塑性区出现的部?
位也有所不同" 反映了破坏区域随注浆压力的变化而变化的情况" 合理的注浆压力能使隧道周边的应力分布达到最佳" 从而有利于隧道的稳定$相反" 不合理的注浆压力会使围岩与结构之间出现不偶合" 导致能量积聚过多而破坏支护结构#
! 注浆对支护结构的支护压力的影响很大" 早>
期的支护压力主要是由注浆压力所引起" 因此支护结构设计时要充分考虑注浆压力的影响#
! 合理的注浆压力是指使隧道的围岩变形量最%
小" 围岩的塑性区出现最少的压力#其最佳压力的确定可先用解析的方法结合本文所采用的数值方法确定一个初始值" 然后以这个初始值为基础进行试注浆" 最终确定注浆压力#
参考文献
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力场%&岩土工程学报" (! &\! N N ! \! ? ?
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图@! $9! %Q . C 注浆压力时的塑性区分布图-D 9@! :D H I O D X L I D 7JM D C O C B7P R 8C H I D
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结! 论
! 壁后注浆对支护结构的变形有一定的影响" 但总!
结构顶板和底板的变形量较小#随着注浆压力的增大"
相应地" 两侧边墙则向外鼓出#都向隧道中间运动$
! 壁后注浆对围岩的变形影响很大#合理的注!! "
浆压力能有效地调整自重作用下围岩的变形" 使围岩的变形达到最小#相反" 注浆压力过大时则有可
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盾构隧道壁后注浆作用机理的计算研究
作者：
作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
邓宗伟， 陈建平， 冷伍明， DENG Zong-wei， CHEN Jian-ping， LENG Wu-ming
邓宗伟,冷伍明,DENG Zong-wei,LENG Wu-ming(中南大学土木建筑学院,长沙,410075)， 陈建平,CHEN Jian-ping(中国地质大学工程学院,武汉,430074)塑性工程学报
JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERING2005,12(6)6次
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