盾構(gòu)隧道注漿糾偏數(shù)值模擬研究

高翔，龔曉南，朱旻，黃晟，劉世明，嚴(yán)佳佳

盾構(gòu)隧道注漿糾偏數(shù)值模擬研究

高翔1，龔曉南1，朱旻1，黃晟1，劉世明2，嚴(yán)佳佳3

(1. 浙江大學(xué) 濱海與城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058；2. 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3. 浙江省智慧軌道交通工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 311122)

為研究注漿糾偏在隧道工程中的應(yīng)用規(guī)律，對(duì)深圳地鐵1號(hào)線鯉魚(yú)門—前海灣區(qū)間的注漿糾偏工程進(jìn)行介紹。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿糾偏結(jié)果顯示，外部注漿可有效糾正隧道橫向偏位，豎向注漿糾偏效果不如水平注漿糾偏效果。提出一種應(yīng)用于實(shí)際工程模擬注漿的數(shù)值方法。依托實(shí)際注漿糾偏工程，通過(guò)有限元軟件ABAQUS，運(yùn)用提出的注漿模擬方法建立考慮漿液注入的二維流固耦合模型。從注漿管打設(shè)角度、注漿壓力和注漿范圍3個(gè)角度，對(duì)通過(guò)打設(shè)斜管注漿對(duì)隧道進(jìn)行豎向糾偏的規(guī)律進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：注漿管角度為60°時(shí)，對(duì)隧道豎向直徑收斂減小效果較好，角度越大，對(duì)豎向位移糾偏效果越好。注漿壓力不宜超過(guò)600 kPa。向下延伸注漿范圍可以提升注漿糾偏的效果。

盾構(gòu)隧道；注漿；糾偏；數(shù)值模擬

隨著中國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的高速進(jìn)行，有限的土地資源越來(lái)越緊張。為了提高土地資源的利用率，對(duì)土地進(jìn)行集約化開(kāi)發(fā)，地下空間開(kāi)發(fā)需求得到不斷增長(zhǎng)。地鐵是地下空間開(kāi)發(fā)的核心和主要內(nèi)容[1]。盾構(gòu)隧道作為城市地鐵的主要結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)安全關(guān)乎地鐵的安全運(yùn)營(yíng)。盾構(gòu)隧道由管片通過(guò)螺栓連接成型，故隨地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)、隧道周邊環(huán)境的變化等因素的影響，盾構(gòu)隧道可能會(huì)產(chǎn)生不均勻偏位、變形，進(jìn)而出現(xiàn)管片開(kāi)裂、錯(cuò)臺(tái)、滲漏水、道床脫空等病害。針對(duì)上述各類病害，目前已發(fā)展出了裂縫芳綸布補(bǔ)強(qiáng)、注漿堵漏、隧道外注漿加固、環(huán)氧封縫、黏鋼加固等多種治理方法。其中注漿已成為盾構(gòu)隧道水平偏位、不均勻沉降的常用治理方法。并已在上海、南京、天津等地的工程[2?10]中進(jìn)行了實(shí)踐。依文獻(xiàn)[2]~[10]，此方法已在多處粉土、黏土地層盾構(gòu)隧道的過(guò)大收斂及水平偏位等病害治理中得到應(yīng)用。注漿范圍基本位于隧道外側(cè)與隧道等高且平齊的土層中，距隧道外側(cè)距離在3~5 m左右。由文獻(xiàn)[2]~[10]可知，各工程所采用的漿液相似，說(shuō)明目前在注漿施工中，注漿參數(shù)的選取多借鑒類似工程。但各盾構(gòu)隧道的埋深、土層性狀、病害程度不盡相同，注漿效果有限，且并無(wú)明顯的規(guī)律性。提升注漿在工程實(shí)踐中的應(yīng)用效果，依賴于相關(guān)研究的進(jìn)一步深入。目前已有不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者從土體變形狀況、漿液擴(kuò)散規(guī)律、漿液擴(kuò)散范圍及注漿后土體性狀等多個(gè)角度對(duì)注漿進(jìn)行了研究[11?17]，但少有學(xué)者針對(duì)隧道外注漿對(duì)隧道及周圍土體的影響進(jìn)行規(guī)律性探究。本文依據(jù)深圳地鐵1號(hào)線注漿糾偏工程，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析。提出了基于Cohensive單元的注漿模擬方法，通過(guò)有限元與實(shí)測(cè)的對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性，并研究了不同注漿管角度、注漿壓力及注漿范圍下隧道的變形發(fā)展規(guī)律。研究結(jié)論可以對(duì)工程實(shí)踐產(chǎn)生一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

深圳地鐵1號(hào)線鯉魚(yú)門~前海灣區(qū)段(以下簡(jiǎn)稱鯉前區(qū)間)運(yùn)營(yíng)期間，其南側(cè)地塊正在進(jìn)行基坑施工?；泳嚯x此區(qū)間左線隧道最短水平距離約37.5 m。因受基坑開(kāi)挖降水影響，鯉前區(qū)間發(fā)生偏位，該區(qū)間最大累積沉降達(dá)78.6 mm，往基坑側(cè)最大水平位移達(dá)28.4 mm。由于此偏位會(huì)嚴(yán)重威脅地鐵的正常運(yùn)營(yíng)，故考慮隧道所在場(chǎng)地?zé)o任何地上建構(gòu)筑物后，依專家建議采用在隧道上方卸土和在隧道周圍土體中注漿相結(jié)合的方式進(jìn)行糾偏。

1.1 場(chǎng)地條件

所在場(chǎng)地為海積平原，表層雜填土層下依次為第四系全新統(tǒng)海積淤泥、海沖積黏性土、粉土、砂土、殘積砂質(zhì)黏性土、礫質(zhì)黏性土，下伏燕山期花崗巖和全風(fēng)化~中等風(fēng)化花崗巖。隧道主要穿越黏土、砂質(zhì)黏土和全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，淤泥地層基本位于隧道拱頂上1 m。地下水位為地表以下2.9 m。隧道區(qū)間穿越的土層地質(zhì)分布詳見(jiàn)表1。

1.2 注漿糾偏流程介紹

具體注漿糾偏流程如圖1所示。

表1 鯉前區(qū)間土層力學(xué)參數(shù)

單位：mm

注漿糾偏流程：1) 卸載：對(duì)雙線隧道上方土體進(jìn)行放坡開(kāi)挖，開(kāi)挖槽頂寬約17 m，開(kāi)挖深度2 m；2) 水平注漿糾偏：在盾構(gòu)隧道左側(cè)布置注漿管進(jìn)行壓密注漿。如圖1從左至右依次為第1~8排注漿孔，其中第1~2排及第7排注漿孔(從左向右)用于形成止?jié){墻，其余各排起主要糾偏作用。圖1中隧道軸線下9 m范圍為水平注漿孔注漿區(qū)域；3)豎向注漿糾偏：在盾構(gòu)隧道兩側(cè)對(duì)稱打設(shè)斜向注漿管進(jìn)行壓密注漿。注漿管下部距盾構(gòu)隧道由近及遠(yuǎn)依次為第1，2和3排注漿孔對(duì)。同豎向注漿管，第1排注漿孔(圖1中數(shù)字1標(biāo)識(shí))用于形成止?jié){墻，其余2排起主要糾偏作用。第1~3排注漿孔與水平面所呈夾角依次為81°，67°和57°。

2 注漿模擬方法介紹

針對(duì)注漿過(guò)程的模擬，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者都已提出各自模擬方法。李曉龍等[18]研究過(guò)漿液在巖體裂隙中的運(yùn)移機(jī)制。唐智偉等[19]提出過(guò)在土體中施加“虛擬”膨脹壓力增加單元體積的方法來(lái)模擬注漿。楊秀竹[20]運(yùn)用數(shù)值方法對(duì)彈性飽和多孔介質(zhì)壓密注漿時(shí)土體內(nèi)部應(yīng)力及位移進(jìn)行研究。王朝亮等[21]提出注漿球孔壓擴(kuò)散模型。 Cividini[22]推導(dǎo)出含溶質(zhì)的漿液滲流控制方程。Bolisetti等[23]提出了考慮膠凝過(guò)程的非均質(zhì)多孔介質(zhì)注漿模擬模型。CHEN等[24]提出模擬土中劈裂注漿發(fā)展過(guò)程的數(shù)值方法。

雖然上述學(xué)者所提方法仿真效果較好，但主要針對(duì)注漿過(guò)程本身，未將注漿工程修復(fù)對(duì)象考慮在內(nèi)，且模擬方法較為復(fù)雜，相關(guān)計(jì)算參數(shù)難以在工程中獲得。

其中通過(guò)施加虛擬膨脹壓力來(lái)擴(kuò)張土體以模擬注漿的方法存在一定問(wèn)題。虛擬膨脹壓力的選用會(huì)影響模擬結(jié)果。其值無(wú)據(jù)可定，純憑經(jīng)驗(yàn)，且與實(shí)際工程中的注漿壓力值難以對(duì)應(yīng)，故對(duì)工程實(shí)踐的指導(dǎo)意義有限。此外，其方法采用式(1)來(lái)確定土體體積應(yīng)變?cè)隽?。由?1)可知，此方法較適用于小滲透系數(shù)黏土中的快速注漿，未考慮注漿過(guò)程中漿液的滲流及漿液可能沿裂隙的遷移，因此實(shí)際的土體體積應(yīng)變量應(yīng)小于實(shí)際注漿量，且土體體積應(yīng)變量在實(shí)際工程中難以測(cè)量。

其中：為注漿效率；V為由于注漿引起的土體膨脹體積；V為注漿體積。

另外，李亞勇等[25]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在數(shù)值計(jì)算中考慮地下水情況的隧道安全系數(shù)較不考慮地下水時(shí)將降低20%左右。而上述涉及注漿對(duì)隧道影響的研究大都不考慮地下水的影響。

故本文為方便運(yùn)用工程數(shù)據(jù)對(duì)注漿進(jìn)行模擬，并提高計(jì)算精確度，基于ABAQUS有限元分析軟件提出了流固耦合的模擬注漿方法。

本方法可用于飽和土中注漿的模擬。具體方法：1) 劃分注漿區(qū)域：由于本方法主要應(yīng)用于實(shí)際工程，而實(shí)際工程模型通常較為復(fù)雜，模型整體尺寸可能較注漿管尺寸大百倍以上，為簡(jiǎn)化模型用一線段代替注漿區(qū)域(如圖2)。2) 插入cohesive單元：選取代表注漿區(qū)域的線段插入0厚度Cohesive單元。在實(shí)際注漿過(guò)程中，漿液將先填充注漿管，再逐漸滲出并作用于周邊土體。本文通過(guò)在Cohesive單元上預(yù)設(shè)初始裂縫來(lái)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的模擬。Cohesive單元的fluid leakoff參數(shù)依不同注漿過(guò)程的模擬而進(jìn)行不同設(shè)置。滲透注漿過(guò)程中，漿液顆粒尺寸小于土顆粒間的孔隙尺寸，漿液可在土體中自由流動(dòng)，漿液顆粒與漿體同步流動(dòng)。故模擬滲透注漿時(shí)，Cohesive單元參數(shù)中的fluid leakoff應(yīng)設(shè)為該漿液在土體中的滲透系數(shù)。壓密注漿過(guò)程，漿液會(huì)占據(jù)原有土體空間，并不斷擠壓注漿孔周圍土體，形成漿泡，僅有少量漿體滲入周圍土體。漿土間會(huì)形成明顯界面。故當(dāng)模擬壓密注漿時(shí)，認(rèn)為漿液不會(huì)滲入周圍土中，Cohesive單元參數(shù)中fluid leakoff應(yīng)設(shè)置為10?10cm/s。Cohesive單元的Gap flow參數(shù)依所采用漿液的黏度進(jìn)行設(shè)置。3) 漿液的注入：選取Cohesive單元上的節(jié)點(diǎn)作為漿液的注入點(diǎn)，具體的注入方式可依實(shí)際工程方案設(shè)定壓力控制式或流量控制式。

圖2 注漿模擬說(shuō)明

本文方法的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)值模型中注漿點(diǎn)所設(shè)注漿壓力接近實(shí)際工程中的注漿壓力或漿液流量，可對(duì)漿液的動(dòng)態(tài)注入過(guò)程進(jìn)行研究，且可對(duì)滲透注漿和壓密注漿2種注漿方式進(jìn)行模擬。

3 注漿方法的驗(yàn)證

以上述糾偏工程為例，對(duì)本文提出的注漿模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

由于隧道區(qū)間傾斜度為17‰，土層分布也較為均勻，故本文采用二維模型以簡(jiǎn)化計(jì)算。模型尺寸為 55 m×35 m，隧道外徑 6.0 m，內(nèi)徑 5.4 m，隧道頂部埋深 15 m左右，兩隧道軸線距離約 13 m。地下水水位線在地表以下2.9 m處。隧道軸線下9 m處為注漿區(qū)，距離隧道外徑最小距離為3 m。其余相對(duì)位置關(guān)系及尺寸詳見(jiàn)圖3~4。

圖3 水平注漿糾偏模擬圖

圖4 豎向注漿糾偏模擬圖

數(shù)值計(jì)算模型邊界條件如下：地表為位移自由邊界；底部邊界位移限制為0；模型側(cè)邊界約束法向位移。模型中土體均采用二維4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變孔壓?jiǎn)卧?CPE4P)；管片采用二維4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元(CPE4)，注漿區(qū)采用cohesive單元，在注漿區(qū)靠基坑側(cè)設(shè)置水平約束。

3.2 計(jì)算參數(shù)

參考湯淵[26]在數(shù)值模擬中所采用的盾構(gòu)襯砌彈性模量折減方法。深圳地鐵盾構(gòu)隧道襯砌采用C50混凝土，彈性模量E=3.45×104MPa，考慮接縫和螺栓的影響，取10%～15%的折減系數(shù)，且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，隧道管片存在一定的損傷，故最后取混凝土彈性模量為2.6×104MPa，容重為 25 kN/m3，泊松比 0.15。

為簡(jiǎn)化模型以便于計(jì)算，將實(shí)際土層中性質(zhì)相近的土層合并為單一土層。數(shù)值模型中的土層按表2參數(shù)設(shè)置。

表2 數(shù)值模型土層參數(shù)設(shè)置

注漿區(qū)Cohesive單元彈性模量，依上節(jié)所提出的注漿模擬方法，按注漿區(qū)所在土層彈性模量設(shè)置。此次模擬為壓密注漿，依上節(jié)所提出的注漿模擬方法，Cohesive單元fluid leakoff按滲透系數(shù)10?10cm/s設(shè)置。漿液黏度參考文獻(xiàn)[27]取100。

3.3 數(shù)值模擬過(guò)程

注漿糾偏工程模擬過(guò)程如下：首先參考陳大川等[28]的模擬方法，采用生死單元方法完成盾構(gòu)隧道襯砌安裝，即在地應(yīng)力平衡階段先移除盾構(gòu)隧道模型單元，待地應(yīng)力平衡完成后再激活所移除的模型單元。其次在雙線隧道上分別施加位移荷載實(shí)現(xiàn)隧道初始偏位。在水平注漿模擬中，左線隧道向基坑側(cè)水平偏移20 mm，沉降50 mm，右線隧道向基坑側(cè)偏移10 mm，沉降20 mm。在實(shí)際工程中，豎向糾偏緊接水平糾偏，故在模擬豎向糾偏注漿中，考慮水平注漿對(duì)隧道產(chǎn)生的糾偏，左線隧道設(shè)置向基坑側(cè)水平偏移5 mm，沉降40 cm，右線偏位同水平注漿模擬設(shè)置。待土中孔壓不再發(fā)生變化后，再進(jìn)行地表卸荷開(kāi)挖及側(cè)向注漿加固。注漿壓力為300 kPa，注漿時(shí)間依工程實(shí)際，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計(jì)終壓并繼續(xù)注漿10 min即可停止，模擬中耗時(shí)720 s。最后以注漿引起的相關(guān)位移和變形為指標(biāo)，研究注漿對(duì)隧道變形的影響規(guī)律。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，本文僅以注漿引起的隧道水平直徑位移、豎向位移變化及隧道收斂為指標(biāo)開(kāi)展驗(yàn)證分析。水平注漿模擬計(jì)算工況與豎向注漿模擬計(jì)算工況一致，詳見(jiàn)表3。

3.4 結(jié)果對(duì)比與分析

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性，將數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)隧道橫向變形和豎向變形進(jìn)行對(duì)比分析。由于在水平糾偏中，用于右線隧道水平糾偏的第7和8排注漿管未能起到糾偏作用，且在豎向糾偏中，左右線注漿互不干擾，故本文只對(duì)左線隧道注漿糾偏過(guò)程進(jìn)行模擬。注漿過(guò)程詳見(jiàn)表4和表5。

表3 注漿模擬計(jì)算工況

表4 水平注漿糾偏施工過(guò)程

表5 豎向注漿糾偏施工過(guò)程

數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比詳見(jiàn)表6和表7。

表6 水平注漿結(jié)果對(duì)比

表7 豎向注漿結(jié)果對(duì)比

由上2表可見(jiàn)，實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果規(guī)律基本一致，故說(shuō)明本文數(shù)值模擬方法合理。但除水平注漿模擬結(jié)果及豎向注漿模擬中水平糾偏效果外，其余糾偏效果皆與工程實(shí)際存在一定出入。

經(jīng)分析，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際存在出入的原因：1) 在實(shí)際工程中先行注漿的幾排注漿管會(huì)形成止?jié){墻，并為后排注漿管提供類似反力墻的作用。而本文方法無(wú)法考慮注漿后土體的強(qiáng)化，因此采用在注漿區(qū)靠基坑側(cè)一面施加水平位移約束的方法來(lái)模擬先注區(qū)所形成的反力墻。此法高估了先排注漿管所形成的止?jié){墻和反力墻效果，故水平注漿模擬結(jié)果略高于工程實(shí)際結(jié)果。2) 由表4~5所示注漿過(guò)程可見(jiàn)，豎向糾偏緊接水平糾偏，由于實(shí)際工程未對(duì)水平注漿后土體的基本力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，故本文在模擬過(guò)程中未考慮水平注漿糾偏后周邊土體的強(qiáng)化。3) 本文所建模型為二維模型，而實(shí)際工程為三維空間，漿液在注入過(guò)程中還會(huì)對(duì)襯砌環(huán)平面外土體產(chǎn)生作用，故模擬結(jié)果較實(shí)際結(jié)果偏大。由上述分析可見(jiàn)，實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的差異主要由模型簡(jiǎn)化過(guò)程產(chǎn)生，并不涉及數(shù)值模擬方法本身。

4 相關(guān)參數(shù)影響分析

由上文總結(jié)可知外部注漿工法在實(shí)際工程已有一定應(yīng)用。但大多采用打設(shè)豎直袖閥管注漿，對(duì)隧道水平偏位進(jìn)行糾偏。少有用外部注漿法對(duì)隧道沉降進(jìn)行回調(diào)的案例。本工程為保證在糾偏過(guò)程中不影響隧道的正常運(yùn)營(yíng)，而采用外部注漿對(duì)隧道沉降進(jìn)行回調(diào)。

為探究通過(guò)打設(shè)斜管注漿以糾偏隧道的工法能否在類似隧道修復(fù)工程中作為一種減小施工影響的可行方法，本文將圍繞注漿壓力、注漿管打設(shè)角度及注漿范圍3個(gè)參數(shù)，運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)斜管注漿糾偏隧道進(jìn)行參數(shù)分析。

為排除其他因素在注漿過(guò)程中的影響，本文對(duì)上述數(shù)值模型做了一定的調(diào)整。模型尺寸調(diào)整為42 m×35 m，只考慮單線隧道，不考慮地表土開(kāi)挖卸載及隧道初始偏位。其余土層參數(shù)，隧道埋深、尺寸等皆同原模型。

4.1 注漿管角度

注漿管角度為注漿管與水平面所呈夾角。如圖5本文選取了50°，60°，70°和80° 4種工況進(jìn)行分析。各工況下，注漿管距盾構(gòu)隧道最近距離為3 m，注漿范圍為自隧道底向下6 m范圍。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，盾構(gòu)隧道周邊3 m范圍內(nèi)不得進(jìn)行任何施工。參考本工程雙線隧道間距(約13 m)，50°及以下的注漿管在打設(shè)過(guò)程中會(huì)進(jìn)入盾構(gòu)隧道周邊嚴(yán)禁施工范圍，但為探究不同注漿管打設(shè)角度對(duì)注漿糾偏效果的影響，本文選取了50°的注漿管角度作為下限。

注漿管角度對(duì)隧道豎向直徑收斂變化及隧道豎向位移的影響如圖6所示，圖6中隧道豎向位移分別采用隧道豎向直徑兩端點(diǎn)的豎向位移表示。由于水平直徑收斂變化規(guī)律與豎向直徑變化規(guī)律一致，且數(shù)值接近，故圖6中隧道直徑變化僅以豎向直徑變化為研究對(duì)象。由圖6可見(jiàn)，各角度豎向注漿對(duì)于隧道豎向位移的調(diào)整作用要好于對(duì)豎向直徑收斂和水平直徑收斂的調(diào)節(jié)作用。豎向直徑收斂效果隨注漿管角度變化平緩，其中以注漿管角度為60°時(shí)效果最好，豎向直徑收斂變化達(dá)15.4 mm。隨著注漿管角度的增加，隧道豎直上移量亦不斷增加。在注漿管角度小于70°時(shí)，上移量變化較為平緩，當(dāng)注漿管角度大于70°時(shí)，上移量增加較為顯著。

綜上分析，注漿管角度的變化對(duì)于隧道豎向直徑收斂和豎向位移的調(diào)節(jié)并不一致。因此，實(shí)際工程宜根據(jù)隧道病害類型及嚴(yán)重程度選擇合適的角度。若主要以減小豎向直徑收斂，宜取60°的注漿管角度進(jìn)行注漿糾偏。若主要以沉降回調(diào)，宜取較大的注漿管角度進(jìn)行注漿。

4.2 注漿壓力

盾構(gòu)隧道發(fā)生沉降時(shí)，若不均勻沉降較小，過(guò)大的隧道直徑收斂將會(huì)成為危及盾構(gòu)隧道安全運(yùn)營(yíng)的主因，故參考上文關(guān)于注漿管角度的分析結(jié)果，本小節(jié)將基于60°的注漿管角度對(duì)注漿壓力進(jìn)行研究。

圖6 注漿管角度對(duì)隧道豎向直徑收斂及隧道豎向位移的影響

由于工程實(shí)例注漿壓力控制在300~800 kPa，故本文設(shè)置了150，300，450，600，750和900 kPa共6個(gè)工況。各工況下注漿管角度均為60°，除注漿壓力有別外，其余參數(shù)皆與上小節(jié)注漿管角度60°工況一致，即與注漿管角度分析中的工況2一致。

注漿壓力對(duì)隧道豎向直徑收斂變化及隧道豎向位移的影響如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，豎向直徑兩端點(diǎn)的上移量隨注漿壓力的增長(zhǎng)呈二次增長(zhǎng)，但考慮到M-C本構(gòu)模型屬于理想彈塑性模型，無(wú)法考慮土體應(yīng)力歷史。且在實(shí)際注漿中，當(dāng)土體因注漿壓力過(guò)大而發(fā)生破壞后，漿液可能會(huì)沿著破壞面進(jìn)行填充，故土體實(shí)際變形應(yīng)小于計(jì)算結(jié)果，尤其在注漿壓力較大的情況下。因此當(dāng)注漿壓力越大，該數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果的失真度越高。豎向直徑收斂變化則較為平緩，豎向直徑收斂減小量并不會(huì)隨注漿壓力的增加而增大，由圖7及表8可見(jiàn)，豎向直徑收斂減小量達(dá)到最大時(shí)，注漿壓力在300~450 kPa。

綜上分析，注漿壓力的變化對(duì)于隧道豎向直徑收斂和豎向位移的調(diào)節(jié)并不一致。較大的注漿壓力可以帶來(lái)顯著的隧道沉降回調(diào)，但是過(guò)大的注漿壓力雖為隧道沉降回調(diào)帶來(lái)了顯著的效果，也可能會(huì)給隧道周邊帶來(lái)不利影響，故根據(jù)分析結(jié)果，并考慮本構(gòu)模型選取所帶來(lái)的誤差后，本文認(rèn)為在距隧道3 m時(shí)，注漿壓力應(yīng)控制在600 kPa內(nèi)。

圖7 注漿壓力對(duì)隧道豎向直徑收斂及隧道豎向位移的影響

表8 注漿壓力對(duì)隧道豎向直徑收斂及隧道豎向位移的影響

4.3 注漿范圍

本工程在注漿糾偏中為了達(dá)到更好的糾偏效果，嘗試將斜孔孔深增加3 m，同時(shí)增對(duì)應(yīng)注漿范圍，并將注漿范圍向上增加3 m形成封閉，防止冒漿現(xiàn)象。本文為探究斜孔注漿范圍對(duì)于注漿效果的影響，設(shè)置了如圖8的5種工況，圖8中各工況皆為示意。各工況皆基于注漿管角度60°的設(shè)置，距隧道最近皆為3 m，僅調(diào)整注漿范圍。其中注漿管角度60°，注漿范圍為隧道底下方6 m為注漿范圍研究中的工況2。工況1在工況2的基礎(chǔ)上將注漿范圍向下延伸3 m。工況3在工況2的基礎(chǔ)上將注漿范圍向上延伸至隧道軸線高度。工況4在工況2的基礎(chǔ)上將注漿范圍向上延伸至隧道頂高度。工況5注漿范圍為隧道下方9 m至隧道頂。

圖8 注漿范圍分析

注漿范圍對(duì)隧道豎向直徑收斂變化及隧道豎向位移的影響如圖9 所示。對(duì)比工況1和工況2可以發(fā)現(xiàn)，向下延伸注漿范圍對(duì)于提升隧道沉降回調(diào)量，效果較為顯著，但對(duì)減小豎向直徑收斂效果一般。對(duì)比工況2~4可見(jiàn)，向上延伸注漿范圍對(duì)于隧道沉降回調(diào)效果較好，但隧道豎向直徑收斂減小量顯著下降。工況4下，隧道豎向直徑收斂反而增大。對(duì)比工況4和5也可發(fā)現(xiàn)向下沿延伸注漿范圍可以改善隧道豎向位移回調(diào)效果和豎向直徑收斂減小效果。

圖9 注漿范圍對(duì)隧道豎向直徑收斂及隧道豎向位移的影響

綜上分析，實(shí)際工程中若期望較好的豎向位移回調(diào)效果和豎向直徑收斂減小，宜向下延伸注漿范圍。若僅希望改善隧道豎向位移，可考慮向上延伸注漿范圍，但向上延伸范圍不宜超過(guò)隧道頂。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在隧道外進(jìn)行注漿確實(shí)能起到較好糾偏效果。在本工程中，水平注漿對(duì)隧道水平及豎向糾偏的效果皆較斜管注漿時(shí)較好。經(jīng)工程實(shí)例驗(yàn)證，本文提出的注漿數(shù)值模擬方法合理。具可模擬滲透注漿和壓密注漿、可對(duì)應(yīng)實(shí)際工程注漿參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。

2) 依本文對(duì)斜管注漿參數(shù)的研究，注漿管角度對(duì)于隧道豎向位移變化的影響與對(duì)豎向直徑收斂變化的影響并不一致。當(dāng)注漿管角度為60°時(shí)，對(duì)豎向直徑收斂減小效果最好，較大或較小的注漿管角度皆會(huì)降低對(duì)豎向直徑收斂減小的效果。而隨注漿管角度的增大，豎向位移的糾偏效果逐漸變好。

3) 注漿壓力對(duì)隧道豎向位移變化的影響與對(duì)豎向直徑收斂變化的影響也不一致。隧道因注漿而引起的上移量會(huì)隨注漿壓力的增大而增大，且上移增量也會(huì)不斷增大。但依本文的分析，當(dāng)注漿壓力控制在300~450 kPa時(shí)，隧道豎向直徑收斂減小效果較好。因注漿過(guò)程不應(yīng)對(duì)隧道及周邊產(chǎn)生較大影響，且此模型自身存在局限，故斜管注漿壓力宜控制在600 kPa內(nèi)。

4) 基于對(duì)斜管注漿范圍的研究，發(fā)現(xiàn)注漿范圍向下延伸將會(huì)增強(qiáng)注漿對(duì)隧道豎向位移及豎向直徑收斂減小的效果。但向上延伸注漿則會(huì)減弱糾偏效果，甚至加劇隧道收斂。

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Numerical simulation of grouting remediation in shield tunnel

GAO Xiang1, GONG Xiaonan1, ZHU Ming1, HUANG Sheng1, LIU Shiming2, YAN Jiajia3

(1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;2. East China Investigation Design Institute Under CHECC, Hangzhou 311122, China;3. Zhejiang Intelligent Rail Transit Engineering Technology Research Center, Hangzhou 311122, China)

To study the application law of grouting remediation in Tunnel Engineering, firstly, the remediation of the Liyumen-Qianhaiwan section of Shenzhen Metro Line 1 was introduced. According to the remediation project, the results show that external grouting can effectively rectify the lateral displacement of the tunnel. The effect of vertical grouting is not as good as the effect of horizontal grouting. A numerical method applied to the simulation of the grouting in practice is proposed. Based on the remediation project, a two-dimensional fluid-solid coupling model considering grouting process was established in the ABAQUS by using the numerical method. The effect of vertical grouting on the tunnel is studied considering three factors, which are the angle of the grouting pipe, grouting pressure and the grouting range. The research shows that when the angle of the grouting pipe is 60°, the remediation of the vertical diameter convergence of the tunnel can achieve the best effect. The larger the angle, the better effect on the remediation. Grouting pressure should not exceed 600 kPa. Extending the grouting range downwards can improve the effect of the remediation.

shield tunnel; grouting; remediation; numerical simulation

O319.56

A

1672 ? 7029(2020)06 ?1480 ? 11

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190742

2019?08?24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51778575，51338009)；浙江省重點(diǎn)研發(fā)資助項(xiàng)目(2018C03G3241274)

龔曉南(1944?)，男，浙江金華人，教授，博士，從事地基處理和復(fù)合地基工程研究；E?mail：xngong@hzcnc.com

(編輯 蔣學(xué)東)