注浆压力对盾构隧道管片变形及受力特性的影响研究.doc

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1、注浆压力对盾构隧道管片变形及受力特性的影响研究冯宏朝高锋王少鹏摘要土压平衡盾构在穿越浅覆地层时，管片衬砌结构在非均匀的注浆压力作用下，难免会出现上浮现象，从而导致管片衬砌出现裂缝或错台，甚至会导致整个隧道结构出现破坏。本文以深圳地铁7号线工程为背景，探究了管片衬砌在非均匀注浆压力作用下的变形及受力情况，为现场盾构掘进及管片拼装提供指导。研究结果表明：在非均匀注浆压力的作用下，盾构隧道管片衬砌结构产生明显的上浮现象，管片应力值在可控范围内。关键词盾构隧道管片注浆压力上浮1引言随着我国城市化进程的不断加快，地

2、铁成为缓解城市内部交通拥堵问题的有效手段。盾构法凭借其施工速度快、对环境及周围建筑的扰动小等优点，在地下铁道的建设中应用更加广泛。但是，当盾构隧道穿越各类复杂地层时，其面临着诸多问题与挑战。当盾构隧道埋深较浅时，上覆土压力不足以抵抗注浆压力等效应所形成的上浮力对管片衬砌的作用时，管片会出现上浮现象，从而导致管片出现一定程度的破损，削弱了隧道结构的承载能力及耐久性。本文以深圳地铁7号线工程为依托，探究盾构隧道穿越浅覆土地段时，在施工阶段非均匀分布的注浆压力对管片衬砌结构变形及受力特征的影响规律，对现场施工提

3、供指导。2工程概况深圳地铁7号线全长30.41km，其中西丽湖站～西丽站区间位于深圳市南山区，本文以隧道埋深较浅的DK0+882.836～DK0+942.836长度为60m的区段进行研究。该段隧道覆土平均厚度6.4m，从地面向下地层依次为素填土、砾质黏性土、全风化花岗岩及微风化花岗岩等地层，地质分布剖面图如图1所示。图1DK0+882.836～DK0+942.836区段地质剖面图3建立数值计算模型3.1计算基本假设为了方便建立数值计算模型，同时使计算结果与实际情况更加接近，做出以下假定：（1）不考虑管片衬

4、砌之间的相互作用，将管片衬砌环按照一个整体考虑，对刚度进行折减；（2）不考虑地下水对计算结果的影响；（3）将地层进行适当的简化，物理力学参数取该范围内地层的平均值。3.2选取计算参数盾构隧道施工过程中，在管片脱离盾构机后，管片环失去了盾构机的压重作用，同时由于浆液还没有凝结，受到注浆压力的作用，此时的管片上浮量最大，施工过程控制难度最大，本文即采用ANSYS软件选择管片脱离盾构机后在最浅覆土断面上浮这一过程进行模拟，利用三维有限元模型对施工期盾构隧道的上浮特性进行了数值模拟。根据地质勘查报告选取地层参数，

5、各地层的物理力学参数见表1。表1地层及结构参数表地层名称天然重度/kN/m3泊松比内摩擦角黏聚力/kPa弹性模量/MPa素填土19.20.421.81921.5粉质粘土18.90.3517.722.620.9砾质黏性土18.50.352221.921.7全风化花岗岩19.30.352423.726.1管片260.2——27600液态注浆层210.2——0.2固态注浆层210.2——403.3建立计算模型根据区间内所选区段的地质分布情况建立数值计算模型，其中模型长60m（隧道轴线方向），宽58m，高30.4

6、m，取隧道埋深为6.4m，均能满足开挖土体影响范围3～5倍洞径的要求，单元类型为六面体8节点SOLID45实体单元，每个节点都具有X、Y、Z三个方向的自由度，具有塑性、大变形和大应变的能力。管片外径为6.0m，内径为5.4m，管片厚30cm，注浆层厚度为20cm。有限元计算模型如图2所示。图2有限元计算模型3.4模拟开挖及施加注浆压力模拟隧道开挖时，采用软件程序提供的“生”与“死”及材料参数变换功能进行模拟，通过分次杀死和激活单元、变换不同位置的材料参数来模拟盾构隧道的掘进、管片拼装及同步注浆的过程。为减

7、少计算工作量，模型取2环衬砌作为一个计算开挖步，即每个开挖步长3m，共40个开挖步。当管片脱离盾尾之后，管片失去了盾尾的约束作用，管片上方和两侧的土体在盾构掘进扰动及重力作用下坍落到管片上，导致注浆浆液聚集在管片下半部。因此，管片在非均匀分布的注浆压力作用下会出现上浮现象，计算中在管片下半部分的外侧施加径向的上浮力。4计算结果分析考虑到边界效应对计算结果的影响，本文选取15m~51m范围内的管片进行分析，对管片衬砌结构的位移及受力状态进行分析，对隧道结构的安全状态进行评价。4.1管片位移考虑注浆压力对管片

8、结构的作用，左线和右线管片竖向位移云图分别如图3、图4所示。从管片竖向位移云图可以看出，管片在上浮力作用下，在管片发生上浮的区段，底部位移比顶部位移要大，整个管片呈“横鸭蛋”型。考虑到边界效应的影响，左线管片的最大上浮值为3.91cm，右线管片的最大上浮值为3.56cm（管片顶部的上浮量）。管片在距离掘进面较远的区段，管片基本不再上浮，其原因是周围土体及浆液变形趋于稳定，管片变形也趋于稳定。管片衬砌发生整体上浮现象的位移图如图