摘要：基于Terzaghi松散体土压力理论，分析浅埋EPB盾构因同步注浆引起其上覆土体的沉陷和隆起两种破坏模式，建立盾尾同步注浆压力的计算模型，推导地表处于沉陷破坏和隆起破坏两种极限状态时对应的注浆压力值，得出了注浆压力值取值区间的理论解，为实际盾构施工注浆压力值的设定提供理论依据。将该理论公式应用于某实际工程，证明了该注浆压力合理取值区间可作为施工的参考。
关键词：浅埋EPB盾构；破坏模式；松散体土压力；注浆压力
引言：土压平衡（EPB）盾构机亦称土压式盾构机，在机械式盾构机的前部设置隔板，使泥土室和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构机千斤顶的推力给泥土室内的开挖土碴施加压，使土压作用于开挖面上以使其相对稳定。在盾构向前推进的同时，盾尾钢壳脱离管片时，会在管片与围岩之间留下空隙，该空隙一般在8～16mm左右，此时需对该空隙进行注浆，让浆液来充填这部分空隙，通过浆液将围岩压力传给管片，以此来减少围岩的变形。如何确定盾尾同步注浆压力已成为土压平衡式盾构施工的关键技术。注浆压力过小，造成地表沉降，过大造成地表隆起。如何确定注浆压力的合理取值，目前，对于最小注浆压力，采用Terzaghi土压力理论计算，但没有给出对于多层土，水平压力与垂直压力之比取值的具体算法，对于最大注浆压力是根据黏性土的室内劈裂试验得出的试验公式进行计算，本文将从Terzaghi的松散土压力理论出发，分析了因EPB盾构同步注浆引起其上土体的破坏模式，建立注浆压力计算模型，对盾尾同步注浆压力的最大和最小值的设定进行理论分析，得出在浅埋隧道盾构注浆压力的合理取值区间。
1 盾尾上覆土体的破坏机理
根据Terzaghi松散体土压力理论，浅埋EPB盾构隧道，若盾尾同步注浆压力过小，围岩将向盾构管片发生变形，盾构上覆土体将有主动破坏趋势，引起地表产生沉降。若盾尾同步注浆压力过大，过大的注将压力促使围岩向外发生变形，盾构上覆土体将有被动破坏趋势，引起地表产生隆起。当盾构向前掘进时，由于施工作业及设备运行的需要，盾构的开挖直径将大于隧道衬砌管片的外径。因此，当盾构机盾尾脱离管片时，隧道周围地层与盾构衬砌管片之间将形成8～16cm环状盾尾空隙，盾尾空隙的大小一般是由盾构钢壳及盾尾操作空间来决定。为了减少地表沉降，使围岩及时获得支撑，防止围岩坍塌，保证环境安全，确保衬砌早期的稳定性和间隙的密封性，需在盾尾脱离管片的瞬间立即注浆液来填补这一空隙，即同步注浆。同步注浆是指通过盾构机注浆系统，在盾构向前掘进和盾尾脱离管片时，利用注浆管向此时盾尾形成的空隙内注入浆液的方法。通过不断的加压，使注浆体在充填盾尾间隙后，还没有达到与土体相同的强度之前，能保持一定的压力和周边土压力相当，从而使地面沉降控制在最小的范围之内。同步注浆的主要工艺参数是注浆量和注浆压力。注浆量是指回填盾尾空隙，并达到同步注浆目的所需的浆液量。注浆压力是指为使盾尾间隙中回填足够的浆液，使浆液很好地遍及管片的外侧，必须以一定的压力压送浆液，才能并保证地层的稳定。由于盾尾间隙的存在，在盾构刚脱离管片时，围岩处于无支撑状态并将发生变形和应力重分布。而同步注浆则是及时地用浆液填充空隙，为围岩提供支撑，阻止围岩向盾构衬砌的变形发展。同步注浆压力适当，可使浆体的压力与地层压力平衡，地表不产生变形。反之，若同步注浆压力值设定不当，则盾尾上覆土体将产生沉降或隆起破坏。根据Terzaghi松散体土压力理论，浅埋EPB盾构隧道，若盾尾同步注浆压力过小，围岩将向盾构管片发生变形，盾构上覆土体将有主动破坏趋势，引起地表产生沉降。若盾尾同步注浆压力过大，将促使围岩向外发生变形，盾构上覆土体将有被动破坏趋势，引起地表产生隆起以及衬砌管片开裂等现象。
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2 同步注浆压力区间范围值的理论分析
2.1 最小注浆压力
Terzaghi用干砂进行脱落实验，当ab板下移时，板上部的砂体就塌落下来，板宽较小时，在板的上方形成了砂拱。如果增大板ab的宽度使砂塌落，滑动面将变为ad和bc。在注浆压力过小时，盾尾上覆土体将产生主动下滑，如Terzaghi的脱离实验所示。对于浅埋隧道，盾构顶部土层产生的土层压力可采用Terzaghi的松散土压力进行计算。根据Terzaghi对干砂脱离实验的模型简化图，将小注浆压力条件下，盾构顶部土体产生的土层压力计算模型简化[1]。
2.2 最大注浆压力
如果注浆压力过大，会使地表隆起，盾构顶部的上覆土向上移动。应用太沙基的松动土压力理论，对盾构顶部土体所受的土压力进行计算，即可得出此种情况的注浆压力。需注意的是，在应用太沙基的松动土压力模型时，由于土体发生向上移动的趋势，应将盾构上方滑动体所受到摩擦阻力的方向调整为向下。
3 工程实例
昆明地铁某区间隧道起止里程为：DK30+805～DK33+555.31，隧道区间长度为2917.50m。DK30+805～DK30+900采用明挖工法，DK30+900～DK33+555.31采用盾构法施工，盾构直径为6.4m，结构断面形式为圆形断面[2]。该地铁隧道所处地貌单元为冲湖积倾斜平原盆地边缘的剥蚀残丘。该区地层自上而下可分为第四系人工填土层Q4m1、第四系全新统冲积湖积层Q4a1+1、第四系残积坡积层Q4e1+d1、寒武系变质砂岩等。右DK30+805.101～右DK33+556.114区段土层主要为素填土、粘土、粉质粘土和泥炭质土等。地下水主要为孔隙潜水和基岩裂隙水。孔隙水含水层岩性为第四系粉质粘土及基岩全风化土，成分以粘粒为主，透水性及富水性差，为相对隔水层。场地内岩基岩性为寒武系泥质粉砂岩、砂岩，节理裂隙较发育，地下水量较小，主要靠上层的孔隙潜水下渗补给，基岩裂隙水较为贫乏[3]。上层滞水的水位随季节变化而变化，受大气降水、灌溉水、河流流水及管道渗漏的影响，变化与赋存区域的环境关系密切，没有明显的变化规律。潜水的动态与大气降水关系密切，每年6～9月份为大气降水丰水期，地下水位自6月份开始上升，9～10月份达到最高水位，随后逐渐下降，次年5月份达到最低水位，平均年变幅约为1～5m。由于实际施工的时候，盾构注浆压力值0.35MPa大于该断面计算所需的地表不发生沉降的最大土舱压力值0.200MPa，故造成了地表的隆起。为了不使地表发生过大的沉降或隆起，对于该断面的注浆压力的设定值应取0.144～0.200MPa。
结论
本文将从Terzaghi的松散土压力理论出发，分析了因EPB盾构同步注浆引起其上土体的破坏模式，建立注浆压力计算模型，对盾尾同步注浆压力的最大和最小值的设定进行理论分析。浅埋EPB盾构隧道，若盾尾同步注浆压力过小，盾构上覆土体将有主动破坏趋势，引起地表产生沉降；若盾尾同步注浆压力过大，盾构上覆土体将有被动破坏趋势，引起地表产生隆起。将该理论应用于实际工程，证明了该理论合理取值区间可作为实际施工注浆压力取值的参考。
参考文献：
[1]张合沛，陈馈，李凤远，王助锋，王吉平.基于S7-400H的EPB盾构盾尾密封系统软件设计[J].隧道建设，2013，33（02）：165-168.
[2]王明年，黄海斌，汤渊，王创，刘大刚.盾构施工对盾尾浆液压力波动变化的影响研究[J/OL].西南交通大学学报：1-7.
[3]孙延盼，万凯，王涛，朱立财，董晓龙.无锡地铁土压平衡盾构盾尾刷更换技术[J].江苏建筑，2017（05）：53-55+87.
论文作者:付晓坤,柳建忠
论文发表刊物:《基层建设》2018年第33期
论文发表时间:2018/12/21
标签：盾构论文; 压力论文; 注浆论文; 围岩论文; 地表论文; 管片论文; 浆液论文; 《基层建设》2018年第33期论文;