6、基于盾尾注浆施工的管片上浮理论分析 - 图文

基于盾尾注浆施工的管片上浮理论分析

（武汉市汉阳市政建设集团公司 吴志权 程强）

摘要：本文从盾尾同步注浆进行渗透理论分析，通过引入等效孔隙率假设，分析得出注浆压力与浆液扩散半径、管片受压的关系，以及不同注浆时间对管片受压影响。并将理论计算结果与数值模拟结果进行比较，提出了盾尾注浆的压力范围和注浆部位。 关键字：盾尾注浆 上浮理论 扩散半径 数值模拟

1. 引言

在隧道盾构施工过程中，对于刚脱离盾尾的管片，经常会出现局部或整体上浮，表现为管片错台、裂缝、破损，乃至轴线偏位等现象，尤其是在地下水压力较大的，上部覆土较浅时，管片上浮现象尤其明显，对管片上浮原因，通常的看法是注浆浆液或泥浆、水等液体包裹住了刚脱离盾尾的管片从而产生了向上的浮力，当该浮力克服了管片上覆土重力时，就有可能产生上浮现象，从而造成管片局部向上偏位。盾构管片上浮的问题，已经引起了科研学者的关注。本文紧密结合武汉轨道交通2号线18B标左线盾构隧道工程的盾尾管片注浆施工，采用注浆理论分析和数值计算方法对管片上浮理论进行研究，得出了注浆压力与浆液扩散半径关系，及相同注浆压力下注浆时间对管片受力发展的变化规律，为盾构隧道设计和盾构注浆施工提供依据。

2. 工程概况及管片上浮理论分析 2.1 工程概况

本工程为武汉轨道交通2号线一期工程第18B标段洪山广场站～中南路站区间隧道，区间始于洪山广场南端，基本沿中南路道路中心布置。洪山广场站与中南路站均为二号线和四号线换乘站。二号线区间左线里程范围为ZK18+705.000～ZK19+394.340，二号线区间右线里程范围为ZK18+705.210～ZK19+397.560,区间采用盾构法施工。隧道结构采用预制装配式钢筋混凝土单层内衬，错缝拼装，环片内径

?5.4m，厚度0.3m，宽1.5m。盾构开挖直径为?6.28m。

2.2 注浆管片上浮理论推导

注浆管片的基本假设根据盾构工法的程序:土体与管片间存在间隙，注浆

注浆孔管片浆液扩散柱面管片外表面图2-1：浆液柱面扩散图的主要目的就是为了及时充填管片间隙保证管片的稳定。假设注浆浆液在土体与管片间隙影响厚度范围内，沿着管片表面平行的方向均匀扩散（图2-1），这就可以引用柱面扩散方式来考虑盾构注浆问题。根据朱建春（2004）的研究结论可知，盾尾的间隙厚度影响范围可依据在注浆计算和施工中，实际注浆量与理论注浆量之比值(即注入率)乘以管片与土体的间隙的厚度来确定。

当管片脱离盾尾后，因盾尾与管片间存在一定间隙，造成周围土体一定范围内应力松弛，回弹应力导致管片向外壁方向的位移，造成一定范围内的土体孔隙率远大于原始土体孔隙率，从而也大大提高其渗透能力。因此本文假设浆液只在一定厚度范围内进行渗透扩散，并且用等效孔隙率n替代土层本身的孔隙率n。

'在盾尾

浆液扩散范围管片进行同

注浆孔步注浆时，浆

P0Pw液的渗透扩散模型如右图2-2所示，

图2-2：盾尾注浆模型P0为注图中：

浆压力，Pw为注浆点处的地下水压力，r0为注浆孔半径，r为经过注浆时间t后浆液的扩散半径，D为浆液扩散体的厚度(即注浆浆液的影响厚度，取D???d。?又为注入率，d为盾尾间隙厚度)。

2.3 注浆管片上浮理论推导过程

根据H.Darcy定律：

由： q?Kgi A （2-1） 得出： Q?KgiAt?Kgg?h?rAt?KgdhdrAt （2-2）

其中：K为浆液在地层中的渗透系数，Kg?k? (k为土体渗透系数，?为浆液粘度与水的粘度比(20℃时水的粘度为

1.010?10Pa?s3)，

Q?212?rDn'2，

A??rD ，

n'???r22?d???1?n???r2?d??r222??d?n?1?n?。

dPr有：?rDn'?2?rDKgdhdrt ，rn'dr?2Kgt?g （2-3）

有边界条件可知：当r?r0，有P?P0。当r?r1，有P?Pw 求得注浆浆液的扩散半径为：

r1?4Kgt?P0?Pw?n'?g，有P?Pr?r02

（2-4）

对于扩散后，当r?r；

求得扩散区域内的任意点浆液压力为：

Pr?P0?n'?g?r?r022?

4Kgt（2-5）

对半径r处的注浆压力进行积分：

Fg???0d??P0?0rn'?g?r?r022?4Kgtdr

（2-6）

可得到浆液对管片的压力：

4422n'???r?rrr0?g220Fg?P0??r?r0????? （2-7）

24Kgt?42?1

3. 实际工程注浆过程中管片上浮理论计算

由浆液扩散半径计算式（2-4），及对管片产生的压力计算式（2-7）可以看出：壁后注浆浆液的扩散半径及对管片产生的压力大小与注浆压力、注浆时间、浆液粘度、土体孔隙率、土体渗透系数(此渗透系数为浆液扩散范围D内的渗透系数，盾尾间隙的存在加大了浆液扩散范围的孔隙率，同时大大加大了该部分土体的渗透系数)、盾尾间隙厚度、注浆管半径等众多因素有关。

根据实际情况的数据可知：盾尾注浆的注浆孔半径

r0?0.25cm，地下掘进土体的孔隙率n?20%，土体的渗透系数

k?0.0002cms，浆液粘度与水的粘度比??4，根据刀盘的半径

6.28m，管片的外径为6.0m。可知管片与土体的间隙厚度d?0.14m，假设注入率??1.5，注浆点处的地下水压力Pw?10000KPa算得出土层的等效孔隙率为n'?73.3%。

。可以计

3.1 不同注浆压力作用下

当盾尾注浆为30min，注浆压力取0.1MPa至0.9MPa时，将以上各个参数代入式（2-3），由推导的浆液扩散半径，可以得到进行盾尾注浆时，注浆压力与浆液扩散半径的关系、由（2-7）可以得到注浆压力与管片受压的关系及与单位面积的管片压力等如表3.1所示。

注浆压力(Mpa)

扩散半径(m) 管片压力(KN) 管片压强(Mpa)

0.1 0.15 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.306 1.63 1.898 2.345 2.72 3.048 3.345 3.617 3.871 4.108 146.8 332.5 592.2 1134.1 2372.7 3707.99 5340.06 7268.79 9494.33 12016.5 0.055 0.080 0.105 0.131 0.204 0.254 0.304 0.354 0.403 0.4533 表：3.1 盾尾注浆压力与浆液扩散半径、管片压力及单位管片压力的关系

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