某土壓平衡盾構始發地層的加固優化*

丁萬濤 劉克奇 王旭 朱建 李術才

(山東大學 巖土與結構工程研究中心， 山東 濟南 250061)

某土壓平衡盾構始發地層的加固優化*

丁萬濤 劉克奇 王旭 朱建 李術才

(山東大學 巖土與結構工程研究中心， 山東 濟南 250061)

地鐵隧道盾構施工始發與到達段容易出現塌方、涌水(泥、砂)等工程事故，因此該區域地層的加固優化設計尤為關鍵.文中結合長株潭城際鐵路樹木嶺盾構隧道始發段地層加固工程實際，首先采用彈性薄板理論計算不同安全系數下端頭土體的縱向加固范圍，并利用強度理論和滑移失穩理論對土體進行強度及穩定性驗算;然后基于Terzaghi圍巖壓力理論確定淺埋盾構端頭土體的橫向加固范圍，利用FLAC3D建模分析不同加固范圍盾構施工對周邊環境的影響，依據相關監測規程及設計文件要求，從經濟性和穩定性角度確定優化后的端頭土體加固范圍，并應用到該工程中.優化后的數值模擬數據與實際監測結果吻合較好，說明優化后的設計方案是合理的．

土壓平衡盾構;始發地層;加固優化;安全系數;數值模擬

盾構施工因具有掘進速度快、機械化程度高、對周圍環境影響小、施工安全性高等特點而在城市地鐵、市政、電力等地下隧道修建中得到了廣泛的應用.但隨著城市地下工程的快速發展，盾構隧道直徑不斷加大，地層和周圍環境條件也愈發復雜，特別是盾構始發與到達段地層條件尤為復雜，稍有不慎，施工中將會出現塌陷、涌水等工程事故.因此，需結合地層條件及周邊環境情況對盾構始發與到達區域地層進行加固處理，選擇合理的加固范圍與方法[1- 2]．

目前國內外針對盾構始發與到達區域地層加固設計已進行了大量的研究，并從地質、設計、施工等多角度分析已有的工程事故發生的原因及加固處理方案，提出了一些盾構始發與到達地層的加固設計原理與方法.日本JETGROUP協會(JJGA)利用彈性薄板理論[3]，將端頭土體受到的水土合壓力簡化為均布荷載，研究了加固土體的應力分布規律，得出土體縱向加固范圍的計算公式;江華等[4]考慮尺寸效應對盾構始發與到達端頭加固的影響，建立了適用于大直徑盾構端頭加固計算的荷載等效模型;吳韜[5]綜合分析了大型盾構進、出口加固土體的受力機理，并結合數值計算軟件驗算了土體加固效果;宋克志等[6]基于對數螺旋線滑移面假定，完成了淺埋盾構隧道端頭土體穩定性極限平衡分析;曹成勇等[7]基于極限平衡理論討論了端頭加固土體黏聚力、內摩擦角等參數對端頭土體縱向加固范圍的影響;朱世友等[8]針對盾構始發與到達的端頭地層穩定性加固控制問題，建立了盾構始發與到達端頭的加固方案庫;另有很多工程在施工過程中按經驗確定加固范圍[9].盡管人們已提出了眾多實用的加固理論與方法，但由于工程地層條件的復雜性以及施工環境的多變性，在始發和到達端盾構施工特別是淺埋隧道盾構施工中，盾構上覆地層出現大面積塌方、突水突泥等工程災害時有發生.

文中結合長株潭城際鐵路綜合II標樹木嶺隧道盾構始發地層加固設計要求，采用數值計算方法和依據相關監測規程及設計文件要求，對加固設計方案進行優化，確定了淺埋隧道盾構端頭土體縱、橫向最優加固范圍并應用到工程中，同時對比分析了數值模型計算結果與現場監測數據，以驗證優化設計方案的合理性．

1 工程背景

長株潭城際鐵路綜合II標樹木嶺隧道盾構區間沿線基本為道路、鐵路及商業建筑，地形除個別區段外基本平坦，盾構隧道左、右線5次穿越既有線段均在泥質粉砂巖中.該隧道區間段是湖南省長株潭城際鐵路盾構施工的主要區間段之一，主體采用盾構施工工藝，盾構外徑9.1 m.根據長沙地區區域的地質資料，結合巖土工程勘察的報告結果，本區間褶皺不發育，斷層不發育，巖層層面較穩定，產狀較平緩，地下水位低于盾構隧道底部位置，勘察場地及其附近未見有影響場地穩定性的構造.盾構隧道進口明挖主要揭露的地層為人工填土、粉質黏土、細砂、細圓礫土及泥質粉砂巖，各巖土層重度γ(kN/m3)見圖1.工程最大的挑戰是盾構隧道進口工作井到既有的京廣線路橫向最短距離為5 m，盾構掘進線路將多次下穿既有鐵路干線，因此在盾構掘進過程特別是在盾構端頭井破土推進的過程中，需嚴格控制地表沉降和鄰近鐵路軌道的豎向位移及不均勻沉降.本工程綜合考慮多種盾構端頭加固工法，并結合工程地質特點選用了地表旋噴樁滿堂加固設計方案，加固深度至隧道底部，另在隧道底部以下1 m范圍內進行注漿加固.

圖1 始發地層剖面圖

Fig.1 Profile of starting stratum

2 盾構端頭縱橫向加固范圍的確定

2.1 縱向加固范圍的確定

縱向加固范圍確定的步驟如下:采用日本彈性薄板理論計算盾構井端頭土體的縱向加固范圍，運用強度理論和滑移失穩理論進行安全性驗算，檢驗設計方案的強度與穩定性.假定加固體為整體板塊，根據JJGA采用的計算公式[3]，縱向加固厚度t的計算公式為

(1)

式中:D為工作井洞門直徑;p為作用于洞門中心處的側向水土壓力;計算系數β一般取1.2;k0為安全系數;σt為加固土體的極限抗拉強度，根據工程施工經驗取為單軸抗壓強度(本工程設計要求加固土體的單軸抗壓強度為2.0MPa(28d)，加固土體黏聚力為300kPa)的15%，即0.3MPa．

2.1.1 均布荷載模型強度理論

均布荷載模型認為土體加固后，加固土體在中心處的彎曲應力最大，在洞周支座處的剪應力最大，土體加固厚度必須同時滿足拉應力與剪應力要求.江華等[4]認為，當盾構隧道的直徑小于等于10m時，均布荷載計算模型與改進的荷載疊加計算模型得出的結論基本一致，因文中盾構隧道的外徑為9.10m，故采用均布荷載計算模型進行驗算.考慮土體加固后抗剪和抗拉要求的縱向加固厚度計算公式變為

(2)

2.1.2 理想滑移失穩理論

理想滑移失穩理論模型假設土體存在圓弧形滑移面，土體加固后增加的抗滑力矩與土體固有的抗滑力矩共同作用，抵抗因地表荷載、土體自重引起的滑移破壞，因此土體的縱向加固厚度必須滿足:

t=Dsinθ

(3)

(4)

式中，MS為滑動力矩，MR為抗滑力矩，Δc為改良后土體增加的黏聚力，k3為抗滑安全系數(穩定性系數)，θ為加固土體與滑移面的夾角．

2.1.3 縱向加固范圍

運用彈性薄板理論，式(1)安全系數k0分別為0.8、1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、2.0時，計算出相應的土體加固縱向厚度，運用均布荷載模型和理想的整體滑移失穩理論模型分別對所得的縱向加固厚度進行強度和穩定性驗算，計算出相應模型下的安全系數，結果見表1.

表1 安全系數驗算

從表1可知，利用彈性薄板理論計算的安全系數驗算時，若k0≥1.0成立，則k1、k2、k3大于等于1.0均成立，即縱向加固厚度滿足加固區土體的強度和穩定性要求，且按照均布荷載理論模型驗算加固土體的抗剪安全儲備很大.考慮到實際工程中土體加固的非均勻性，利用設計文件選取加固參數與實際工程存在誤差，因此加固土體強度與穩定性安全儲備尤其抗剪安全儲備較大為好．

2.2 橫向加固范圍的確定

圖2 基于Terzaghi理論的垂直地層壓力計算簡圖

Fig.2 Schematic diagram of calculation of vertical strata pre-ssure based on Terzaghi theory

該橫向加固寬度為最小寬度，在該橫向加固寬度下，洞頂的圍巖壓力為

(5)

由式(5)可知，當洞頂的圍巖壓力最小時，所需加固后土體的黏聚力需滿足c≥160kPa.本工程加固設計實驗報告中加固后黏聚力c≥300kPa，滿足工程要求．

3 端頭加固數值模擬

3.1 方案設計及建模

采用FLAC3D有限差分軟件進行建模分析[12].隧道埋深為6.95m(最小埋深)，隧道外徑為9.10m，襯砌環外徑為9.00m，襯砌環內徑為8.10m，襯砌環寬為1.80m，襯砌環厚為0.45m.因與襯砌單元相比，實體單元物理模型更清晰，參數相對較少且容易確定[13]，故盾構管片采用改變強度參數的實體單元模擬;因地下水位低于盾構隧道底，數值分析中不考慮滲流作用.計算中為減小模型邊界效應的影響，隧道模型計算范圍如下:上取至地面，下取至地面以下65m，橫向取120m，因主要研究進口端頭土體穩定性，且模擬開挖過程中通過開挖面的網格重新劃分和單元的生成來模擬逐步開挖和襯砌安裝，能夠較真實反應盾構施工不同工況下的地層響應情況[14]，故一次性開挖長度取1個支撐管片的寬度，即1.80m，總長度取72.80m．

模型底部施加x、y、z向的位移約束，模型后方施加y向位移約束，前方除盾構井壁以外的區域施加y向位移約束，模型左右面施加x向位移約束，模型頂部為自由面，如圖3所示．

圖3 數值計算模型

Fig.3Modelofnumericalcalculation

3.2 模型計算參數

選Mohr-Coulomb本構模型模擬土層材料，采用彈性模型模擬圍護結構，隧道土體的開挖采用空模型.根據地勘報告，土層參數見表2.圍護墻體與土體在相關參數上差距很大，其接觸面性質非常復雜，地下連續墻與周圍土體之間的相互接觸作用主要為法向粘結力和切向摩擦力[15- 16]，在墻土界面加入接觸面單元，考慮地連墻與土體之間的相對滑移.由文獻[17]可知，接觸面的c、φ值取相鄰土體的0.8倍左右,法向剛度(kn)和切向剛度(ks)取周圍“最硬”相鄰區域的等效剛度的10倍，計算公式見式(7).

表2 地層物理力學參數

(7)

式中:K為體積模量，G為剪切模量,Δzmin為接觸面法向方向上連接區域的最小尺寸．

3.3 加固范圍的優化

通過比較分析不同縱向加固范圍盾構掘進過程中地表的沉降規律[18]，尋找盾構端頭土體加固的最優化方案.考慮盾構在掘進時，掌子面前方的施工風險遠大于側壁，故文中主要對縱向土體加固范圍進行優化，并考慮經濟因素，橫向加固范圍選取式(5)所確定的值.因地下水位遠低于隧道底部，故模擬中不考慮滲流作用;因鄰近鐵路對地表變形要求嚴格，且同步注漿需要一定時間才能達到所需強度，為保險起見，模擬過程中不考慮同步注漿以及盾殼側摩阻力的影響[19- 20].在盾構始發掘進中，當盾構機安全掘進一個機身長度時，盾構支撐管片能與盾構機本身形成較完整的支護體系，故把盾構掘進一個機身長度歷程作為一個風險監測周期，根據此周期內周圍環境的動態響應來判斷加固土體范圍是否安全穩定，從而優化加固范圍.Peck[21]研究表明，雙線淺埋盾構隧道二次掘進對地層造成的損失更大.因此考慮工程實際需要，文中首先掘進靠近鐵路的右線，當右線掘進大于一個機身長度時，開始左線掘進.由表1可知，理論上可選的安全系數必須滿足k0≥1.0，故文中優化分別選取k0=1.0，1.2，1.3，1.4，1.5，2.0;討論不同工況(見表3)的加固效果，并依據監測控制指標(見表4)確定安全經濟有效的加固范圍．

表3 施工工況

1)每個循環掘進1.8 m．

表4 監測控制指標

3.3.1 地表沉降分析

選取k0=1.0、1.2、1.3、1.4、1.5和2.0時的數值計算結果，對比分析不同安全系數對應的加固范圍在盾構掘進過程不同工況時的地表沉降情況，k0取1.4、1.5、2.0時的地表沉降曲面如圖4-6所示，圖中S為地表沉降，地表橫向范圍L以雙線盾構的中心線為對稱中心，縱向范圍B以盾構豎井井壁處為起點.由圖4-6可知，針對選取分析的安全系數，地表沉降均未達到沉降預警值范圍;對比圖4、5發現，土體加固對左線隧道二次開挖造成的地表沉降有明顯的控制作用，地表沉降的累計值控制在預警值范圍內，且控制效果更明顯;對比圖5、6發現，當k0≥1.5時，進一步增大縱向加固安全系數在風險監測周期不會對地表沉降的控制產生積極的影響．

圖4 k0=1.4時4種工況下的地表沉降曲面

Fig.4 Settlement surface of ground under four working conditions fork0=1.4

圖5 k0=1.5時4種工況下的地表沉降曲面

Fig.5 Settlement surface of ground under four working conditions fork0=1.5

3.3.2 鐵路豎向位移及不均勻沉降率分析

分析比較安全系數k0取1.0、1.2、1.3、1.4、1.5和2.0時對鐵路豎向位移及不均勻沉降率的影響，k0取1.4、1.5、2.0時的鐵路豎向沉降位移及不均勻沉降率如圖7、8所示．

圖6 k0=2.0時4種工況下的地表沉降曲面

Fig.6 Settlement surface of ground under four working conditions fork0=2.0

圖7 不同安全系數下的鐵路沉降曲線Fig.7 Railway settlement curves under different values of safety factor

數值計算結果表明，在盾構雙線隧道掘進過程，當k0≥1.0即能滿足鐵路豎向沉降監測規范要求.從圖7可以看出，當k0≥1.5時，對應的加固厚度能夠控制沉降槽在盾構井一端的沉降梯度，從而保證地表的不均勻沉降率能夠滿足工程要求．

依據《鐵路線路修理規則》[24]，本工程鐵路沿線相鄰測點之間的不均勻沉降率要求小于0.06%，分析圖8中相鄰測點間沉降梯度可知，當k0≥1.5時滿足要求．

圖8 不同安全系數下的鐵路不均勻沉降率

綜合分析盾構端頭土體縱向加固安全系數對地表沉降、既有線路豎向位移及不均勻沉降率的影響，優化后的端頭土體縱向加固安全系數取k0=1.5，即優化所得的縱向加固厚度為t=4.43 m．

4 數值計算與監測數據對比

選用優化所得土體縱向加固厚度對實際工程端頭地層土體進行加固，在加固和掘進過程中進行現場監測.同時加固區域土體參數采用剛度等效原理

(8)

獲取，并建立數值模型分析．

工況14- 7下y=8 m與y=12 m處兩個監測斷面地表沉降數值計算結果與實測結果的對比見圖9．從圖中可知:當盾構左右線路施工掘進都超過一個機身長度時，數值計算結果在地表沉降大小及分布規律方面較好地符合實際工程地表的沉降規律.對比發現盾構井圍護結構的計算水平位移與實際監測值基本一致，此處未給出分析對比圖．

圖9 地表沉降的實測值與計算值對比

工況14- 7下鐵路沿線測點沉降的實際監測值與數值計算結果對比見圖10，數值模型與實際工程中鐵路沿線監測點的布設見圖11．

圖10 鐵路沉降實測值與計算值對比

圖11 鐵路監測點布設圖

從圖10可以看出，當盾構左右線路施工掘進都超過一個機身長度時，數值計算結果比較合理地反映了既有線路的沉降規律;相比數值計算結果，實測數據存在局部差異，可能是因為在模擬分析中忽略了盾構掘進中同步注漿的影響．

5 結論

以長株潭城際鐵路樹木嶺隧道淺埋盾構區間施工為背景，結合傳統盾構端頭加固范圍計算理論及有限差分數值軟件，研究了盾構始發端頭土體的加固優化設計，得到如下結論:

(1)依據彈性薄板理論計算盾構端頭土體縱向加固范圍，當驗算安全系數k0≥1.0時，加固土體的抗拉、抗剪強度以及整體穩定性能夠滿足均布荷載模型與滑移失穩理論模型的計算要求，且相對于抗拉安全系數與穩定性安全系數，抗剪強度安全儲備更高．

(2)對于淺埋隧道(深徑比H/D<2)，傳統的圍巖擾動極限平衡理論不再適用于計算端頭土體橫向加固范圍，可引入Terzaghi圍巖壓力理論用于計算淺埋隧道端頭土體橫向加固范圍．

(3)因實際工程中地下水位低于盾構隧道底，故數值計算不考慮滲流問題;同時，模擬過程中未考慮同步注漿的影響，因此模擬結果略顯保守．

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Reinforcement Optimization of Starting Stratum of Earth-Pressure Balance Shield

DINGWan-taoLIUKe-qiWANGXuZHUJianLIShu-cai

(Geotechnical and Structural Engineering Research Center,Shandong University,Jinan 250061,Shandong,China)

As such accidents as landslide and water (mud,sand) gushing constantly occur in the starting and arriving stratums in the process of shield construction of subway tunnel,the reinforcing design of stratum in these areas should be optimized.In this paper,firstly,by taking the actual reinforcement in the starting stratum of the Shumuling shield tunnel of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan inter-city railway for example,the longitudinal reinforcement range of end soil under different safety factors was calculated in light of elastic thin plate theory,and the strength and stability of the soil were calculated by means of strength theory and sliding instability theory.Secondly,the transverse reinforcement range of end soil of shallow shield was determined by means of Terzaghi’s theory of rock pressure.Then,the influence of different reinforcement ranges on the surrounding environment was analyzed via FLAC3D modeling.Moreover,according to the relevant monitoring specifications and design documents,the optimized reinforcement range of end soil was determined from the viewpoints of economy and stability,and the optimized range was finally used in the actual engineering.The numerical simulation results accord with the actual monitoring ones well,which means that the optimal design scheme is feasible.

earth-pressure balance shield;starting stratum;reinforcement optimization;safety factor;numerical simulation

2016- 04- 07

國家自然科學基金資助項目(41572275);山東省自然科學基金資助項目(ZR2012EEM006) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(41572275) and the Natural Science Foundation of Shandong Province(ZR2012EEM006)

丁萬濤(1975-),男,博士,副教授,主要從事巖土工程穩定性及耐久性研究.E-mail:dingwantao@sdu.edu.cn

1000- 565X(2017)05- 0105- 08

U 459.2

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.05.015