（岩土工程专业论文）盾构隧道壁后注浆材料配比优化及浆体变形特性研究.pdf

摘要 盾构施工技术在我国重大地下工程的应用越来越广泛，已经成为了城市地下铁道 建设的主要方法。使用盾构法施工时，对盾尾空隙进行壁后注浆是盾构施工的必备及 关键工序，通过充填盾尾空隙以达到主动控制地层沉降及地层应力释放的目的，从而 减少隧道周围地层位移和地表沉降。当前关于盾尾空隙壁后注浆的研究主要集中在数 值分析方面，而其中对注浆参数的选取过分依赖于人为的经验和统计规律，对于壁后 注浆体在硬化的过程中受注浆压力作用下的变形规律认识仍不明确。因此本文针对南 水北调中线穿黄隧道盾构法施工中的细砂地层，进行了注浆材料的优化配比试验，并 研制了浆体收缩试验装置和大型浆体压力消散试验模型对注浆后浆体在压力作用下 的变形特性进行了试验研究。主要研究内容如下： ( 1 ) 针对南水北调中线穿黄隧道中细砂土质，采用均匀设计的试验方法，进行了 壁后注浆材料的配合比优化试验研究，为工程上选取最适宜的浆液配比提供了基础。 并探讨了注浆材料各组分对浆液性能的影响，研究结果表明膨润土和减水剂的掺量会 显著影响浆液的各项性能。 ( 2 ) 研制了浆体体积收缩实验装置，比较系统地研究了浆液注入盾尾空隙后浆体 的变形规律，探讨了注浆压力、注浆材料对注浆体变形规律的影响，提出了反映浆体 变形规律的数学模型。 ( 3 ) 研制了大型壁后注浆单元模型实验设备，利用该设备进行了壁后注浆浆体压 力消散试验，并对周围土体为粘土和砂土的浆体压力消散规律进行了对比分析，将试 验结果与由浆体变形模型推算得到的压力变化规律相比较，证实了前面提出的浆体变 形模型的可靠性。 关键词：盾构隧道、壁后注浆、注浆压力、配合比、浆体变形、间隙参数。 a b s t r a c t w i t ht h ew i d eu s eo fs h i e l dt u n n e l i n gm e t h o di ni m p o r t a n ts u b s t r u c t u r ew o r k si no u r c o u n t r y ，i th a sb e c o m eam a j o rm e t h o da p p l i e di nc i t ys u b w a yc o n s t r u c t i o n d u r i n gt h e c o n s t r u c t i o nw i t hs h i e l dm a c h i n e ，b a c k f i l lg r o u t i n gi san e c e s s a r ya n dk e yp r o c e d u r e ， w h i c hc a na c t i v e l yc o n t r o ls t r a t u md i s p l a c e m e n ta n dg r o u n d - s t r e s sr e l e a s eb yf i l l i n gt h e s h i e l dt a i lv o i d ，a n dt h u sr e d u c es u r r o u n ds o i ld i s p l a c e m e n ta n ds u r f a c es e t t l e m e n t c u r r e n t s t u d i e s ，h o w e v e r , f o c u sm a i n l yo nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fb a c k f i l lg r o u t i n ga n dt h e d e c i d i n go fp a r a m e t e r se x c e s s i v e l yr e l i e do nc o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c ea n ds t a t i s t i c a ld a t a ， t h e r e f o r ei ti ss t i l lu n c l e a ra b o u tt h ed e f o r m a t i o nl a wo fh a r d e n i n gg r o u tu n d e rg r o u t i n g p r e s s u r e t h i sp a p e r a i m e sf o rt h ef i n es a n dm e d i u md u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no f y e l l o w r i v e r c r o s s i n gt u n n e lw i t hs h i e l dt u n n e l i n gm e t h o d ，as e r i e so fg r o u t i n gm a t e r i a l o p t i m a lm i x i n gp r o p o r t i o nt e s t sw e r ec a r r i e do u t w i t ht h ed e v e l o p e dg r o u ts h r i n k i n gt e s t a p p a r a t u sa n dl a r g es c a l eg r o u t i n gp r e s s u r ed i s s i p a t i o nt e s ta p p r a t u s ，t h eg r o u td e f o r m a t i o n p r o p e r t i e su n d e rp r e s s u r ew e r es t u d i e d t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w ： ( 1 ) a i m i n g a tt h ef i n es a n dm e d i u mo fy e l l o w r i v e r c r o s s i n gt u n n e l ，u n i f o r m e x p e r i m e n t a lm e t h o dw a sa p p l i e di nt h eo p t i m a lf o r m u l ao fg r o u t i n gm a t e r i a l ，i tm a k e s b a s i sf o re n g i n e e r i n gs u i t a b l es l u r r yp r e p a r a t i o n t h ei n f l u e n c e so fg r o u t i n gm a t e r i a l a d d i t i v e so ns l u r r yp r o p e r t i e sw e r ea l s oa n a l y z e d t e s tr e s u l t ss h o wt h ec o n t e n to f b e n t o n i t ea n dw a t e rr e d u c i n ga g e n th a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ns l u r r yp r o p e r t i e s ( 2 ) d e v e l o p e da s e to fg r o u ts h r i n k i n gt e s ta p p a r a t u sa n du s ei ts y s t e m l ys t u d i e dt h e g r o u td e f o r m a t i o nl a wa f t e rg r o u t i n g d i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fg r o u t i n gp r e s s u r ea n d g r o u t i n gm a t e r i a lo ng r o u td e f o r m a t i o n b a s e do nt h et e s t sam a t h e m a t i c a lm o d e lw a s p r o p o s e dt os i m u l a t et h ed e f o r m a t i o no fg r o u t ( 3 ) d e v e l o p e dal a r g es c a l eg r o u t i n gp r e s s u r ed i s s i p a t i o nt e s ta p p a r a t u sa n du s ei t s t u d i e dt h eg r o u t i n gp r e s s u r ed i s s i p a t i o np r o p e r t i e s t h eg r o u t i n gp r e s s u r ed i s s i p a t i o nl a w o fs u r r o u n d e de a c hw i t hc l a ya n ds a n dw a sc o m p a r a t i v e l y a n a l y z e d t h et e s tr e s u l t sf i tw e l l w i t ht h er e s u l t sc a l c u l a t e dw i t ht h ep r o p o s e dg r o u td e f o r m a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e l ， w h i c hc o n f i r m e dt h er e l i a b i l i t yo ft h i sm o d e l k e yw o r d s ：s h i e l dt u n n e l ，b a c k f i l lg r o u t i n g ，g r o u t i n gp r e s s u r e ，f o r m u l a ，g r o u t d e f o r m a t i o n ，g a pp a r a m e t e r 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：j 鬈肆鸯聋l 一2 0 0 6 舌月 厂日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生 院办理。 论文作者 ( 签名) ：皇& 降 2 。6 年6月 日 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 2 1 世纪，随着中国基础设施的大规模建设、西部大开发的进展以及北京申 办2 0 0 8 年奥运会的成功，中国的铁路、公路、大中型水电站建设以及南水北调、 西气东输等工程中将有大量的长大隧道需要建设；现代城市建设中的地铁工程、 市政工程排污管、输水管等、越江隧道也在不断增加。开挖这些大量的地下隧道 工程，对经济效益和生态环境等方面有着重大影响，而且地下工程掘进工作面又 常常受到很大的限制，面对速度、环保、效益等问题，使用全断面掘进机无疑是 最好的选择l lj 。全断面掘进机按照地层条件和具体施工方法的不同，一般可分为 三类，即盾构机( s h i e l dm a c h i n e ) 、全断面岩石掘进机( f u l lf a c er o c kt u n n e lb o r i n g m a c h i n e ) 和顶管机( p i p ej a c k i n gm a c h i n e ) 。盾构机和顶管机适宜于在城市软岩、粘 土和砂土( 统称为软土) 地层中进行开挖，而全断面岩石掘进机通常则适宜于野外 山岭隧道岩石地层中进行开挖。使用盾构机一边防止土砂的坍塌，一边进行开挖、 推进，并在盾尾进行衬砌作业从而修建隧道的方法为盾构施工法【2 j 。盾构施工法 以其对城市正常机能很小的突出优点得到了人们普遍的关注，并且在一些地区已 经得到了广泛的使用p j 。 1 1 盾构法隧道发展概况 盾构法由英国工程师布鲁洛( m i b r u n e l ) 于1 8 1 8 年发明，迄今已有1 8 0 多年 的历史，他是从观察蛀虫在木头中钻洞，从体内排出粘液加固洞穴的现象得到启 发的。1 8 2 5 年首次用一个矩形盾构机( 宽1 1 4 m ，高6 8 m ) 修建英国伦敦泰晤士河 下人行通道世界第一条水底隧道。但施工遇到很大困难，曾一度停工，直至 1 8 3 5 年对盾构做了改进后才重新施工，于1 8 4 3 年完工。18 6 5 年巴尔劳 ( b w b a r l o w ) 首次采用圆形断面盾构，以后这种断面成为盾构隧道的基本断面。 1 8 3 0 年劳德口切兰斯( l o r dc o c h r a n c e ) 发明了施加压缩空气的“气压法”以解决盾 构穿越饱和含水地层时涌水的问题。1 8 7 4 年格雷塞德( j a m sh e n r yg r e m h e a d ) 首次 在盾尾衬砌后面的环形空隙中压浆以控制地基变形的壁后注浆方法，进一步推动 了盾构法隧道在城市建设中的应用，因此，g r e a t h e a d 实为现代盾构施工法的首 创者。1 8 8 0 - 1 8 9 0 年间用盾构法在美国和加拿大之间的圣克莱( s t c l a i r ) 河下建成 一条直径6 4 m 、长1 8 7 0 m 的萨尔尼亚( s a m i a ) 水底隧道，大大促进了盾构法的发 展。此后在英、法、德、美等发达国家用盾构法修建了不少水底隧道、地下铁道、 水工隧道以及城市地下管路隧道。前苏联的莫斯科、列宁格勒和基辅，德国的慕 尼黑以及法国的巴黎等城市均用盾构法修建了地下铁道。日本于1 9 1 7 年首次在 第一章绪论 羽越线折渡隧道尝试采用盾构法，1 9 2 6 年用盾构法施工了丹那隧道的排水廊道。 在19 3 9 - 19 4 4 年间修建关门水底铁路隧道时正式采用盾构法，用直径为6 o m 的 盾构施工了隧道1 1 0 0 多米。2 0 世纪6 0 7 0 年代，继法国研制了泥水加压式盾构 后，日本也研究开发了土压平衡式盾构，这种闭胸式头部、刀盘机械开挖的技术 结合管片衬砌、壁后注浆及防水技术成为近3 0 年来盾构技术的主流1 4 】【5 】【6 】【7 1 。 与国际上盾构法隧道的发展进程相比较，我国在盾构法隧道领域起步较晚但 发展迅速。我国使用盾构技术最早是在5 0 年代初，东北阜新煤矿采用直径2 6 m 盾构及小型混凝土预制块修建输水巷道。1 9 6 6 年在上海采用网格式挤压盾构修 建了直径为l o m 的第一条黄浦江越江公路隧道。1 9 8 5 年上海开始使用闭胸式螺 旋排土机出土的土压平衡式盾构修建了芙蓉江路下水道总管。8 0 年代末期，我 国开始使用泥水加压式盾构，并在1 9 9 4 年成功完成了上海延安东路南线越江隧 道工程。历经5 0 多年，我国在盾构施工技术和设备上都取得了长足的进步，2 0 0 4 年由隧道股份研发成功的中国第一台具有国际先进水平和自主知识产权的地铁 盾构掘进机“先行号”也已投入工程应用，标志着国产盾构的开端以及我国盾构技 术已达国际先进水平。 图1 1 国多愀发展过程 1 2 盾构施工法特征 盾构法是地下暗挖隧道的施工方法之，其主要内容【2 】：在隧道某段的一端 建造竖井或基坑，以供盾构安装就位，然后盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发， 沿着设计轴线穿越地层，向另一竖井或基坑孔洞推进。盾构推进中所受到的地层 阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制隧道衬砌结构，再传到竖井或 基坑的后靠壁上。盾构一般采用能支撑地层压力而又能在地层中推进的圆形或马 蹄形等特殊形状的钢筒结构，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装 河海大学硕士学位论文 置，钢筒尾部留有一定的操作空间，在盾尾内可以拼装一环至二环预制的隧道衬 砌环。盾构每推进一环距离，在盾尾支护下拼装一环衬砌，循序交替挖土、推进 和拼装管片，即可建成盾构隧道。在盾构推进过程中，盾构刀盘开挖的土体不断 从螺旋排土器排出，并同步向盾壳与衬砌环之间的空隙中压注浆体，以防止隧道 及地面下沉。 盾构法相比其它施工方法有以下特点【5 】【6 】【7 】： 1 ) 除竖井施- - 1 - ，施工作业均在地下进行，既不影响地面交通，又减少对 附近居民的噪音和震动影响； 2 ) 不对地面建筑物、地下埋设物、地下结构物产生不良影响； 3 1 盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工 人员较少； 4 ) 土方量较少； 5 ) 施工不受风雨等气候的影响； 6 ) 在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较高的技术经济 优越性。 图1 3 土压平衡式盾构 刀盘压力舱 隔板 螺旋排土器推力架盾尾钢丝刷 管片壁后注浆体 图l - 3 所示为土压平衡式盾构机外形，盾构施工基本组成包括以下几个部分： ( 1 ) 盾构壳体及开挖系统 盾构壳体包括切口环、支承环和盾尾三个部分。切口环和支承环用隔板隔开， 隔板下方为螺旋排土器。由于刀头更换作业、障碍物清除作业等均在气压下进行， 则在隔板和前面面板上也往往会设置供人出入的气闸。支承环内部的空间用于配 置刀盘驱动装置、排土装置、盾构千斤顶等机器设备。切口环用以保持开挖面的 稳定，并是开挖土砂排向后方的通道，支承环是盾构的主结构物，是支承作用于 盾构上的全部荷载的骨架，前方和后方均设置环状刚性结构件，大、中口径的盾 第一章绪论 构用柱和梁加固者居多。盾尾一般是由盾构外壳钢板延伸构成，为了防止水、土 及注浆材料从盾尾与衬砌的间隙内进入盾构，则在其后端配置盾尾密封装置。另 外，还配备有管片组装机，其主要为衬砌作业提供空间。 ( 2 ) 推进系统 由盾构千斤顶及高压泵和操纵阀件组成的液压设备构成。 ( 3 ) 衬砌拼装系统 衬砌拼装是通过盾尾的管片组装机将管片拼装成指定形状的，组装机有装在 盾构机上的环式、中空轴式，近年来普遍采用环向回转式组装机。 盾构法施工过程可以分为如下几个阶段【8 1 1 9 1 1 0 】： 土体开挖阶段 盾构机头部切口环与土体的接触面为工作面，工作面上土体由刀盘切削，切 下的土体用泥浆泵或其他方法排出。该阶段盾构开挖面的土压力与后方的支护压 力以及盾构机与土层之间的摩擦力保持平衡，沿盾构机长度，周围土层的地应力 因盾构机的刚性支护不会释放，但盾构推进时盾构机与土层间摩擦力会引起周围 土层的扰动。 管片拼装阶段 当工作面推进相当于一个装配式衬砌环的宽度时，利用支承环内的千斤顶使 盾构向前推进。盾构隧道的一次衬砌一般由6 8 块预制管片拼装而成，衬砌环的 宽度通常为1 o 1 5 m ，环宽太小会使接缝数量增加，从而增加了防水处理的难 度，环宽过大会使盾尾长度增加，影响盾构的灵敏度。管片材料一般用钢筋混凝 土，局部特殊地质条件部位可用延性较好的金属管片。 壁后注浆阶段 盾尾空隙 1 沽j 厂j 娆 成入 霎 k j i 迦 诌繇j 姆 盾尾空隙壁后注浆 图1 4 盾尾空隙与壁后注浆 拼装好的衬砌脱出盾尾后，由于盾构钢壳原来占据的空间、为衬砌的拼装操 作所留的空隙和盾构推进时部分土体被粘附于盾构外壳上，在衬砌环背面与实际 开挖的洞壁间留有环形空隙，使土体处于无支护状态，该空隙即为盾尾空隙。盾 尾空隙的大小是由盾构钢壳的厚度和盾尾操作空间决定的，一般在8 1 6 c m 左右。 由于盾尾空隙的存在，隧道周围土体应力将会逐渐释放，为减少由于管片四周所 出现的空隙而产生的地基应力释放和地基变形，要及时通过管片上预留的注浆孔 4 河海人学硕士学位论文 向盾尾空隙内压注浆体，刚注入的浆体为液体状态，逐步凝固，最后环绕管片环 形成一层坚硬固体，注浆体的凝固也有利于衬砌的防渗止水。 盾尾空隙和壁后注浆如图1 4 所示。 重复上述过程，使开挖面不断向前推进，同时在盾尾拼装衬砌，直至隧 道完成。 二次衬砌 隧道衬砌可以仅作一次，也可作二次衬砌。一次衬砌作为主承结构，必须在 隧道开工到竣工后长期作用的各种荷载及其变化条件下保持安全。二次衬砌一般 是对一次衬砌的管片起到加固效果并用来进行防蚀、修正蛇行、防水、装饰和防 震等目的而施行的。二次衬砌多采用素混凝土，但为了能适应将来的荷载的变化， 有时也进行一些配筋。 1 3 盾尾空隙壁后注浆研究现状 盾尾空隙的存在，使得隧道周围地层发生不同程度的位移，应用壁后注浆技 术充填盾尾空隙，如何最大限度地控制地层位移，防止地表产生过大沉降而危及 邻近建筑物，就成为隧道设计以及施工人员共同关心的主题。回顾过去，国内外 已有许多专家学者以现场量测与经验方法、物理模型试验、数值分析等方法进行 了盾尾空隙壁后注浆的相关研究，以下分别就各种分析方法展开说明。 1 3 1 现场量测与经验方法 现场量测能够反映真实的反映各种因素的综合影响，因此许多学者都很重视 现场量测数据的收集和分析。 b e z u i j e n 1 1j 等对一个9 5 m 直径的隧道进行了两环的现场壁后注浆测试研究， 在注浆过程中，注浆压力取主导作用，当开挖停止时，注浆液的浮力开始产生影 响，同时随着浆液的硬化必将导致浮力的减少和水平压力的梯度小于水压力梯 度，管片中的弯矩也将较大幅度影响水平压力的梯度。 吉村则通过室内实验和现场量测，对盾尾注浆压力与地表沉降量之间的关系 进行了研究，研究发现：当注浆压力相当于隧道埋深处的地层压力时，对减小盾 构掘进引起的地层损失和地表沉降效果最为显著。 日本小泉淳通过现场实测对注浆减少地层损失和地表沉降的机理和工艺进 行了系统的研究，取得了以下的结论： 1 ) 随着注浆率增大，沉降量减小，但对外插沉降量为零的注浆率( 在 2 0 0 一3 0 0 之间) ，其物理意义不明确。 2 ) 最终沉降量随注浆填充率的增大有减小的趋势，因为减小最终沉降量与其 说是盾尾空隙沉降量减少，不如说是后续沉降量减少。由实测结果，要使后续沉 第一章绪论 降量接近于零，所需的填充率为1 0 0 左右。 3 ) 盾尾填充率主要为盾尾脱出后的注浆时间所控制，即盾尾脱出后经过一段 时间，土层应力会松弛，而管片外围的空隙将会减少，从而导致填充率的下降。 要保证9 0 的注浆填充率，注浆时间应控制在盾尾脱出后5 0 分钟以内。 4 ) f l 了于盾构开挖面的超挖、欠挖以及蛇行等原因，将会造成地层损失量的增 大，在实际注浆过程中，为最大限度地填充空隙、减少地层损失量，应按最佳注 浆量和最佳注浆压力进行注浆。 5 ) 最佳注浆量的确定要综合考虑：盾构掘进对土体的扰动范围、盾尾空隙、 土体塌落部分的土颗粒间的空隙量等因素。 日本t a d a s h ih a s h i m o t o i l 2 】【1 3 】【1 4 】【1 5 】为了准确测量盾构管片上的衬砌压力，发 明了一种垫片式衬砌压力计，能长期监测隧道掘进机后的衬砌压力或浆体压力。 通过现场实测，发现衬砌压力的变化取决于注浆压力消逝的时间，软粘土中由于 壁后注浆的作用，衬砌压力增大，之后随时间的消逝急剧减小，从长期来看又会 再次增大，稳定在地基初始应力左右。硬粘土中衬砌压力的形成主要取决于注浆 压力，在低注浆压力作用下衬砌压力比在高注浆压力作用下增长的大。而且通常 靠近隧道掘进机几环的衬砌压力分布均匀，之后变得越来越不均匀。 1 3 2 物理模型试验 模型试验作为科学研究的一个重要手段，在与隧道开挖有关的地层位移研究 中发挥了重要作用。模型试验又可分为离心模型试验和其他物理模型试验，离心 模型试验是采用人造离心力来模拟重力，将大地工程结构模型所造成的应力状态 提高到与原型相同，而达到相似性较高的模型仿真。由于土体自重是影响隧道稳 定和地层位移的主要因素，因此利用离心模型试验对于研究隧道掘进引起的地层 位移是适合的，特别是浅埋隧道。但是离心模型试验不能考虑壁后注浆浆液的注 入及其硬化过程对地层位移和衬砌土压力的影响，因此并不能认为离心模型试验 是完美无缺的。 k u w a h a r a ，h 等( 1 9 9 7 e 1 6 1 ) 利用离心模型试验对对盾尾空隙引起的地层位移进 行了研究，得到了与工程实测数据相一致的试验结果，并讨论了盾尾空隙导致地 层位移的机理。 n o m o t o 等人( 1 9 9 4 【1 7 】，1 9 9 9 1 8 1 ) 研制了一个新式的1 0 0 毫米直径微型盾构隧 道模型，在2 5 倍重力加速度条件下对干砂中盾构隧道掘进进行了大量的模拟试 验，模拟盾构切削头推进与旋转、盾尾空隙闭合、至周围土体逐渐与衬砌接触的 整个过程。主要探讨盾构机推进对前方土体的挤压效应、盾尾空隙闭合造成横断 面及纵断面地表沉降及作用在衬砌上的土压力，提出了用盾尾空隙厚度和隧道埋 深与直径的比值z d 描述的地面沉降经验公式。 6 河海大学硕士学位论文 国内河海大学张云【1 9 】【2 0 】【2 l 】采用离心模型试验对埋管隧道进行了研究，在分 析盾构法隧道引起地表变形的原因的基础上，将盾尾空隙的大小、注浆充填的程 度、隧道壁面土体受扰动的程度和范围等因素，概化为一均质、等厚的等代层， 分析了地表变形对等代层参数的敏感性。在有实测位移的情况下，可运用位移反 分析法较准确地获取等代层的参数。 清华大学周小文【2 2 】【2 3 】【2 4 】通过减少橡皮囊内的气体压力来模拟盾尾空隙的形 成进行了离心模型试验，试验结果表明，在盾尾空隙闭合的过程中，隧道周围砂 土发挥强烈的拱效应，作用在衬砌上的土压力以及衬砌内力比无初始空隙情况下 的土压力和衬砌应力显著减少，其中砂土饱和时减少更为显著。 离心模型试验不能考虑壁后注浆浆液的注入及其硬化过程对地层位移和衬 砌土压力的影响，而这一注浆硬化层对土压力和地层位移的影响尚难以估计【2 引。 因此，采用其他物理模型试验方法来研究壁后注浆过程是非常有必要的。 y u k i n o r ik o y a m a 2 6 j 等进行了大量的壁后注浆的物理模型试验，研究表明， 土的密实度和注浆压力能够显著影响土压力的分布和大小。当地层条件为密实砂 层时，过大的注浆压力会对局部土体产生破坏，从而导致土压力分布不均，而较 小的注浆压力则能够使得土压力的分布较均匀。对于松散砂层，过大的注浆压力 会对局部土体进行固结加固，从而导致土压力分布更加均匀，而较小的注浆压力 则使得浆液不能完全充填空隙，最终导致土压力的分布不均匀。 国内北方交通大学刘军1 27 j 为了探讨在砂土层中盾尾空隙对地层移动的影响， 通过固定内管、拉动外管模拟盾尾空隙进行了模型试验，研究结果表明在埋深一 定而盾尾空隙大小不同的情况下，沉陷槽宽度趋近一常数，盾尾空隙与地表沉陷 值呈线性变化，当地表沉陷值超过临界值时则只与埋深有关。 冯卫星【2 8 j 介绍了通过管片环模型外侧套上一层其内装水的橡胶模，靠取出模 内水的多少，来控制盾尾空隙的大小，取水同时用速凝水泥充填空隙模拟注浆的 模型试验。模型试验结果表明，当盾尾空隙减少，作用在管片环上的垂直地层压 力也随之减少，在强度较高的土中，盾尾空隙能引起上覆土层压力的减少。 通过物理模型试验研究壁后注浆浆液的硬化过程对管片上土压力的影响是 一种非常有效的途径。已有的试验研究表明【2 6 】【2 9 1 ，注浆压力和土体的密实度对 作用于隧道上的土压力和地层位移影响显著。 1 3 3 数值分析方法 本世纪6 0 年代以来，随着电子计算机的推广和岩土介质本构关系研究的进 步，地下结构的数值计算方法有了很大的发展【3 训。 盾尾空隙闭合的数值模拟，一般可分为应力及位移加载两种方式。应力加载 又可分为两种，第一种是利用挖除隧道位置的土体单元时其边界上的等效节点 力，加载到隧道周围的土体单元；第二种是引用衬砌设计的观点，采用圆形或椭 7 第一章绪论 圆形分布的衬砌应力为释放荷载，其大小为隧道埋深的初始应力。以上两种应力 加载方式都是通过施加荷载使周围土体往隧道内自由变形，直到盾尾空隙闭合为 止，求得所产生的地基沉降。而位移加载则是在挖除隧道内土体单元时，固定外 围单元节点为新边界，再移动边界使盾尾空隙闭合，利用边界位移方式产生等效 节点荷载，计算所导致的地基沉降。 1 3 3 1 应力加载模拟盾尾空隙闭合 f i n n o 署1 c l o u g h ( 1 9 8 5 ) ：】是采用逐渐加载圆形或椭圆形释放荷载于隧道面土 体单元，使土体产生向内变形至盾尾空隙闭合才使衬砌单元发挥作用，属于应力 加载方式中的第二种。但是此种做法有两个不确定性需要克服：( 1 ) 如果释放荷 载的增量太大，土体的位移可能超过；若释放荷载增量太小，则需要大量的计算 时间。( 2 ) 隧道附近土体在接近破坏时将产生大量变形，因此无法保证衬砌在发 挥作用前仍能保持其原来的形状，可能因为衬砌形状不佳而影响分析精度。 w a i l g 和c h a n g ( 1 9 9 2 ) f ：堙】用有限差分程序f l a c 分析上下先后行盾构隧道施工 引起的地基变形及对衬砌应力的影响，土体采用弹塑性变形分析，破坏准则为摩 尔一库伦准则。在白重平衡后挖除隧道内单元，让土体自由变形至盾尾空隙闭合 后将节点锁住，放入衬砌单元后解开节点，计算先行隧道所引起的地基变形。在 适度调整土体强度参数以模拟先行隧道所造成的土体软化和松动之后，以同样方 法模拟后行隧道盾尾空隙闭合，放入衬砌单元后求得最后的地基沉降分布形态。 在衬砌应力分析方面，主要探讨后行隧道对先行隧道的影响；在后行隧道内加入 适当的隆起压力模拟盾构推进对地基的挤压效应，分析其对地基变形、衬砌轴力 及弯矩的影响。 y i 等x 0 9 9 3 ) t 3 3 】采用有限元分析，本构关系考虑塑性变形及应变硬化，建立 孔隙水压和土体变形耦合的粘塑性一压密分析方法。在横断面平面应变分析中， 在隧道面施加隆起压力直至达到预定隆起量( 由现场量测得) 为止，然后允许土体 向内变形至盾尾空隙闭合，探讨地表沉降及孔隙水压随时间的变化。 e z z e l d i n e ( 1 9 9 9 ) 【_ m j 用有限单元程序p i s a 模拟盾构推进，拼装衬砌及壁后注浆 对地基变形的影响。土体采用双曲线本构模型，作用力如图1 5 所示。开挖的模 拟上，在挖除隧道内单元时，将满足整体力平衡的作用力加在隧道开挖面上。在 盾构机往前推进一个开挖步o m ) 的后，在盾尾施加纵向作用力代表衬砌压力、并 施加注浆压力；其中衬砌压力及注浆压力都以地应力标准化，即衬砌压力比等于 衬砌压力除以隧道中心侧向土压力，注浆压力比等于注浆压力除以隧道中心垂直 土压。由参数研究探讨改变衬砌压力比及注浆压力比对纵断面与横断面地表位移 的影响。 河海大学硕士学位论文 图1 5 盾构推进模拟受力图( e z z e l d i n e ，1 9 9 9 ) 1 3 3 2 位移加载模拟盾尾空隙闭合 0 h t a 等人( 1 9 8 5 ) p5 j 用弹塑性有限单元程序，在盾尾的隧道开挖面施加强制位 移模拟盾尾空隙闭合，分析所造成的地表沉降。初步分析用纵向加上横向平面应 变模式和轴对称模式分析结果比较，藉以求出在横向平面应变分析所需的等效强 制位移量；此强制位移量随着盾构推进而逐渐增加，以模拟盾尾空隙闭合的过程， 因此以横断面平面应变分析亦可考虑到三维效应。盾尾空隙的分布形态如图1 6 所示为如下弦月的分布，闭合量在顶拱为最大，在仰拱为零。 图1 6 盾尾空隙分布形态与闭合向量 o u 和c h e m g ( 1 9 9 5 ) 【3 6 1 以移动隧道边界方式产生等效节点荷载，只要适当地采 用盾尾空隙闭合向量，便可合理地分析地基沉降情形。由于衬砌环片脱离盾壳后 9 笫一章绪论 因重力将沉到盾构开挖面的最底端，因此盾尾空隙闭合量并非均匀分布。所采用 的盾尾空隙分布及闭合向量也如图1 6 所示，可由现场地基沉降的观测数据绘制 等位移图来决定，或是用有限元法分析无衬砌支护隧道，可由其自由位移结果得 到。之后第四阶段拼装衬砌及第五阶段长期固结压密沉降的模拟则与f i n n o 和 c l o u g h ( 19 8 5 ) 市h 同。 张海波( 2 0 0 4 e 3 7 1 ，2 0 0 5 3 8 】【3 9 1 ) 编制了盾构法施工三维非线性有限元程序，对盾 构施工引起的地面沉降影响因素( 隧道覆土厚度、隧道外径、开挖面应力释放量、 地基模量、盾尾空隙填充率等) 进行了研究，盾尾空隙的模拟方法为先将相应位 置的盾构壳单元和衬砌单元用刚度极小的软材料代替( 活化减退) ，给外围土体 施加己知径向位移，当土体接触到盾构壳或者衬砌外壁时，再将盾构壳和衬砌单 元重新激活，使它们与土体共同作用。盾尾注浆的模拟采用对盾构壳外围的土体 单元施加远离隧道中心的结点荷载，其数值由注浆压力计算得到。 1 3 3 3 间隙参数应用于盾尾空隙的模拟 r o w e 矛1 l o ( 19 8 3 ) 4 0 】用平面应变弹塑性有限单元程序分析衬砌隧道，考虑土 体塑性破坏、衬砌自重及衬砌和土体间的相互作用。经参数分析探讨弹性模量、 隧道至下层坚硬地基的距离、塑性破坏、初始应力、地层损失( 包含环状盾尾空 隙) 、及壁后注浆等因素对隧道施工引起的地基沉降的影响。文中首次引入间隙 参数( g a pp a r a m e t e r ) ，其大小决定于盾构机直径与衬砌直径的差以及施工的质 量。如果施工控制得当，地层损失将近似二维状态而降至最低，唯一的来源只在 于盾构机与衬砌外径大小的差别。 隧道断面二维平 面应变示意图 盾壳 拼装净空 图1 7 间隙参数的定义( l e e 等人，1 9 9 2 ) l e e 和r o w e ( 1 9 8 9 a 【4 1 1 ，1 9 8 9 b 4 2 1 ) 同样用有限单元程序进行参数研究，分别探 讨弹性模量及不排水剪切强度的不同对隧道施工所造成地表沉降的影响。l e e 等 ) k ( 1 9 9 2 ) 4 3 进一步定义间隙参数g a p 为( 如图1 7 ) ： g a p = g p + u 3 + ，) + 国 ( 1 1 ) 其中g 。= 2 a + 万代表盾构机与衬砌直径大小在几何上所形成的孔隙，包含 1 0 河海大学硕士学位论文 两倍的盾壳厚度( 4 ) 及拼装衬砌所需的净空( 万) 。“为开挖面的等效三维弹塑性 变形量，缈则考虑施工不当而超挖所造成的额外地层损失量。 ( a ) 一 l d = 2 a i ( b ) 1 i l 1 ，q a + u + 3 】 1 2 a 1r 图1 8 开挖面地层损失和横断面等效地层损失( l e e 等人，1 9 9 2 ) “；d 有更进一步的定义，如图1 8 。当盾构机往前推进时，因开挖面应力释放 而涌进隧道内的土体终究会被挖除，因此在开挖面所超挖的体积就称为开挖面地 层损失( y ，o 其大小等于开挖面面积( 翘2 ) 乘以单位推进长度的土体涌进位移量 ( 融缸) ；而受到盾构机盾尾的拖曳使涌进位移呈现如图1 8 ( a ) 的不均匀分布， 以系数k ，代表其不均匀性( o k l l 时) ，顶拱径向位移u ，可为： 弘一1 。一一1 口 r 1 - l o ) 其中e ，及v 。分别为土体不排水情况下的弹性模量和柏松比。 综上所述，由现场施工当时的应力状态决定隧道稳定性之后，便可决定间隙 参数g a p ，然后以弹塑性有限单元程序分析盾尾空隙闭合引致的地表沉降。r o w e 币l k a c k ( 1 9 8 3 ) t 4 4 1 、n g 等j l ( 1 9 8 6 ) 4 5 1 、l e e 署- i r o w e ( 1 9 9 0 ) 4 6 1 、l e e 并i r o w e ( 1 9 9 1 ) 4 7 1 、 r o w e 矛l l e e ( 1 9 9 2 a ) 0 48 、及l o g a n a t h a j l 和p o u l o s ( 1 9 9 8 ) h 9 j 将此分析方法应用于各个 隧道施工案例分析上，将预测的地基变形和实测数据比较，都能获得良好的结果。 在r o 、v e 和l e e ( 1 9 9 1 ) 47 j 采用三维有限单元分析之后，r o w e 矛i l e e ( 1 9 9 2 b ) 5 0 j 试 图采用若干简化方法来取代复杂且费时的三维分析，包括轴对称分析、纵向平面 应变分析及累积( c u m u l a t i v e ) 机率曲线经验法。一般而言，轴对称分析适用于深 埋隧道；对于浅覆隧道，尝试采用两个轴对称模式来分析，分别仿真隧道至地表 的上半部份及隧道至底部坚硬地基的下半部份。结果发现在分析无衬砌支护浅覆 隧道开挖面的位移时，采用两个轴对称分析结果的平均和三维分析有相当接近的 结果。纵向平面应变模式分析所得开挖面涌进位移量随着开挖面纵向距离的变化 趋势大于三维分析所得到的，原因是纵向平面应变分析方法低估了地基的刚度。 地表的三维位移量可用累积机率曲线法加以适当地预测。 e 1 n a h h a s ( 1 9 9 7 ) l 5 t 将间隙参数应用在开罗t b m 隧道的案例分析中；同时为 了模拟土体一衬砌的相互作用，沿着环状盾尾空隙放置了弹簧形式的界面单元。 一旦土体和弹簧接触，弹簧的刚度便贡献于整体的刚度上。开挖的模拟是以逐步 施加释放应力使盾尾空隙逐渐闭合，让土体和衬砌之间的界面单元发挥作用，以 进行土体一衬砌的相互作用研究。 五2 舛 第一章绪论 l o g a n a t h a n 和p o u l o s ( 1 9 9 8 ) 4 9 】引入间隙参数的观念，将v e r r u i j t 和 b o o k e r ( 1 9 9 6 ) 5 2 】提出的平面应变汇点( p o i n ts i n k ) 造成地基变形的解析解加以修 正：若己知间隙参数及土体的柏松比，便可由所提出的公式预测周围地基任意点 的垂直沉降及水平位移。经由若干案例的分析，验证该模式的适用性，此模式于 坚硬粘土层可得到较佳的结果。 杨冠天等( 2 0 0 5 1 5 3 1 ) 7 i 进间隙参数的概念来模拟地层损失，同时按照盾构位移 来模拟地层损失，由二者一致得出间隙参数与盾构偏移量的关系，在此基础上引 , 2 k e l i l o g a n a t h a n 并i p o u l o s ( 1 9 9 8 ) 1 4 9 】推导的地层位移的表达式，并经工程实例验证 该方法具有较好的预测精度。但是，该方法没有考虑地层条件的影响，在实际计 算中这种方法的预测可能不够准确。 1 3 3 3 应力释放系数的模拟方法 h a s h i m o t o ( 1 9 9 9 5 4 1 ) 采用应力释放l l , ( s t r e s sr e l e a s er a t i o ) 分析盾构推进造成 的隆起与扰动、盾构通过后盾尾空隙闭合产生的沉降、壁后注浆引起的隆起及长 期压密沉降。应力释放比可由轴对称弹性有限元分析求得盾尾孔隙长度和应力释 放比的关系，或是由现场量测所得的土压力释放比获得。另外，由现场土体资料 反分析得到，可由土体的液限指数求得隧道顶拱附近地基的长期沉降。 丁文其等( 1 9 9 9 5 5 】，2 0 0 0 5 6 1 ) 利用应力释放系数的概念，针对盾构隧道的施工 阶段、注浆材料及管片接头的特性提出了有限元模拟方法，注浆材料采用变刚度 等效法来模拟其力学变化，施工阶段的模拟则依据经验或由现场量测得到的位移 分别选定不同的初始地应力释放系数，盾尾空隙和注浆压力的作用都由不同的应 力释放系数所反映。 - 季 e - t z ( 2 0 0 4 卅) 采用平面有限元对盾构施工过程中的地层位移和土压力进行 了研究，通过单元“生死”来模拟盾构开挖、盾尾注浆和衬砌管片支护过程。在对 注浆材料不同硬化阶段受力性质进行室内试验的基础上，采用变刚体模拟浆液的 固化过程，同时采用应力释放系数法考虑地应力释放过程。分析了注浆体厚度、 土质条件、衬砌刚度、隧道相对埋深对地层位移和衬砌土压力分布的影响。盾尾 空隙认为被浆液完全充填，没有考虑到浆体压力的变化。 1 3 4 研究现状评价 纵观研究文献，国内外对于盾构隧道盾尾空隙和壁后注浆的研究方法主要 有：现场实测方法、物理模型试验方法、数值计算方法等。这些方法各有优缺点， 更多场合则是将这些手段结合起来应用。从前面的分析来看，现有的研究主要局 限于数值模拟范畴，而现场实测和物理模型试验研究相对较少，尤其是在国内， 应用盾构法修建隧道的历史不长，现场实测数据很少，再加上国内单位即使有现 场实测也不愿公开，不利于研究的开展。目前的物理模型试验则主要以离心模型 1 4 河海大学硕士学位论文 试验为主，离心模型试验对于了解盾构隧道施工引起地层位移的机理，揭示各个 施工因素对地面沉降的影响具有重要意义，但其模型难以精确模拟实际工程地质 条件和施工参数，更重要的是无法模拟壁后注浆施工过程，因此无法使用离心模 型试验进行壁后注浆的研究，完全有必要开发新的物理模型试验。数值计算方法 目前得到了广泛的应用，其主要的优点：( 1 ) 数值模拟可进行不同土体参数的模 拟。( 2 ) 数值模拟可根据原型尺寸模拟，没有尺度效应的问题。( 3 ) 没有现场量测 施工人员安全上的顾虑。( 4 ) 不会因读取数据错误而产生的人为误差。但对于盾 尾空隙和壁后注浆的研究，数值模拟不外乎前述的几种模拟方法，应力加载的大 小通常通过前