盾構始發與到達端頭地層加固方法選擇與穩定性評價

朱世友，林志斌，桂常林

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133;2.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州 221008)

0 引言

盾構法因其具有安全性好、施工速度快、機械化程度高等特點，這些年在國內逐漸普及，應用廣泛。但是作為一種隧道施工方法來說，其安全性雖好，但也存在一定的施工風險，因此，多年來，與盾構法相關的工程事故也屢屢發生，其中盾構始發和到達施工就是盾構法中一個主要的風險集中點。

目前，關于盾構隧道土體穩定性的研究大多是針對盾構隧道開挖面處的土體，其穩定性分析評價方法主要有極限平衡法［1］、模型試驗法［2］、強度折減法［3］;而針對始發到達端頭地層的則很少，文獻［4］雖有涉及，但也只是針對幾種典型的地層做出宏觀穩定性判斷，與實際工程相差較大。在盾構始發到達地層加固方法方面，由于現今盾構始發與到達地層加固方法種類繁多(如降水法加固、旋噴樁加固、攪拌樁加固、凍結法加固等)，工程上一般根據具體工程條件和每種加固方法的適用經濟性，采用排除法來選擇最合適的端頭加固方法。如文獻［5］根據地面旋噴注漿或攪拌樁等加固方法難以穿過填石層而采用深孔注漿加固;文獻［6］根據始發井深度超過40 m時采用傳統加固法容易形成加固盲區或滲漏通道而采用水平凍結法加固。以上文獻選擇的加固方法只是針對特定的工程，具有很大的局限性。本文根據已有的工程實例資料和相關工程經驗先構建一個盾構始發到達加固方案庫，然后借鑒文獻［4］和文獻［7］的穩定性分析方法對盾構始發與到達地層進行綜合穩定評價;再根據端頭地層綜合穩定性評價結果決定是否對盾構始發與到達端頭地層進行加固;最后根據具體工程的地質條件和周邊環境，從盾構始發與到達加固方案庫中選擇出適用于相應工程的端頭加固方法。以期降低盾構始發與到達施工風險，保證工程經濟和質量效益。

1 盾構始發與到達加固方案庫構建

目前端頭土體加固方法主要有:攪拌樁或旋噴樁加固［8］、注漿加固［9］、SMW 法［10］、凍結加固［11］以及組合加固法［11］等。由于盾構始發與到達加固方案庫是這些加固方法及其適用條件的集合，因此要構建盾構始發與到達加固方案庫，首先需要對已有的工程資料進行整理分析，然后根據工程所處地層的土質、水文、環境條件和環境保護要求等級制定出每種方法的適用條件。鑒于此，本文通過整理以往工程資料，查閱相關文獻并結合相關工程經驗構建了盾構始發與到達加固方案庫推理機，用戶只需輸入具體工程的設計條件、地質條件、環境條件等，計算機就會自動完成選擇加固方案的任務，如表1所示。

所謂的推理機即是利用計算機能夠接受并進行處理的符號和方式來表示外界中所獲得的知識，它是研究模擬信息在人類大腦中以何種方式的基礎上來對計算機信息處理中的知識進行表示的。推理機的構建規定要有一種無歧義的語言或具有規范定號的表示方法，產生式規則表示法是眾多表示法中最為常用的方法之一，產生式規則之間相互獨立，規則的結構化較好，簡潔和易于實現，廣泛應用于各類專家系統及人工智能的應用領域。產生式通常用于表示具有因果關系的知識，其基本形式是:

式中:P是產生式的前提，用于指出該產生式是否可用的條件;Q是一組結論或操作，用于指出當前提P所指示的條件被滿足時，應該得出的結論或該執行的操作，如:

IF穿越地層含水量低THEN不宜采用凍結法。

2 盾構始發與到達地層穩定性分析

2.1 端頭地層綜合穩定性宏觀判斷

2.1.1 各類單層土層宏觀穩定性判斷

一般來說，地層穩定性的主要土質特性指標是土體抗剪強度、開挖面土體穩定系數以及開挖面土體自立時間。其中，土體抗剪強度是根本性的因素。各類土體抗剪強度的大小和在各種情況下的變化規律有很大差別。大多數黏性土受擾動后，因重塑作用而失去部分抗剪強度和剛度，而砂性土易在一定動水壓力作用下發生液化而完全失去抗剪強度。由于測定抗剪強度及其變化規律的方法至今尚未很好解決，因此按各類土的特性，從宏觀上判斷各類土抗剪強度的高低及其變化特征以估計土體的穩定性，在目前仍然具有重要的實用意義［4］。

通常情況下，盾構始發與到達端頭地層自上至下包含著多種土層，而這些土層的性質往往存在著較大的差異，因此，本文先沿用文獻［4］的宏觀判別方法對端頭地層包含的各類土分別做出宏觀穩定性判斷，最后再綜合各類土層穩定性判斷結果和所處位置判斷出整個地層的綜合穩定性。

1)砂土類。砂土類包括礫砂、粗砂、中砂、細砂和粉砂等。礫砂類指粒徑大于2 mm的顆粒占全重的25%～50%;粗砂指粒徑大于0.5 mm的顆粒占全重的50%;中砂指粒徑大于0.25 mm的顆粒占全重的50%;細砂指粒徑大于0.075 mm的顆粒占全重的85%;粉砂指粒徑大于0.075 mm的顆粒占全重的50%。

在無水條件下，密實砂土類(標準貫入試驗錘擊數N＞30)是抗剪強度較高的穩定地層，而稍密、中密、松散的砂土類(標準貫入試驗錘擊數N≤30)是抗剪強度較低的不穩定地層;在有水條件下，砂土類容易發生液化而失去抗剪強度或具有涌水、涌砂的風險，是不穩定的地層。

2)粉土類。粉土類可根據粒組含量或塑性指數Ip分為黏質粉土和砂質粉土2大類(如表2所示)。

在無水情況下，粉土類含有適度水分，處于潮濕狀態，具有一定強度，屬于中等穩定地層;在有水情況下，其抗剪強度消失，土體流動乃至涌土崩塌，是不穩定的地層。

3)黏性土類。按塑性指數Ip劃分，Ip＞10的土通稱為黏性土。其中當Ip＞17時，稱為黏土;10≤Ip≤17時，稱為粉質黏土。按液性指數IL劃分，IL≤0為堅硬黏性土;0＜IL≤0.25為硬塑黏性土;0.25＜IL≤0.75為可塑黏性土;0.75＜IL≤1為軟塑黏性土;IL＞1為流塑黏性土。

表1 盾構始發與到達加固方案庫Table 1 Databases of end soil reinforcement methods in shield launching and arrival

表2 粉土的分類Table 2 Classification of silt

其中，堅硬黏性土和硬塑黏性土具有相當高的抗剪強度，一般可達到10 kPa以上，而且在地下水變化或開挖擾動的情況下，其抗剪強度的降低值較小，因此，它們在無水條件下是抗剪強度高的穩定地層，在有水條件下由于存在涌水的風險而屬于中等穩定的地層;可塑黏性土、軟塑黏性土、流塑黏性土由于其抗剪強度低，因此無論在有水還是無水情況下，都屬于不穩定的地層。

4)巖石類。巖石類地層可根據其遇水穩定性狀況，分為遇水不穩定地層和遇水穩定地層。

遇水不穩定巖層包括鹽巖、石膏、各種泥巖、軟頁巖、有裂隙的硬頁巖等。在有水情況下，其為不穩定地層;在無水情況下，未風化、微風化、中風化狀態時為中等穩定地層，強風化、全風化狀態則為不穩定地層。

遇水穩定地層，在有水情況下，若為未風化、微風化狀態，其涌水量通常很小，是穩定地層，為中風化、強風化或全風化狀態時，其節理、裂隙通常較多，具有涌水的風險，屬于不穩定地層;在無水情況下，未風化、微風化、中風化狀態時為穩定地層，強風化、全風化狀態則為不穩定地層。

綜上，可根據各類土特性以及水文條件，從宏觀上判斷單層土體穩定性，如表3所示。

表3 單層土層穩定性宏觀判斷表Table 3 Judgment on stability of single-layer soil

2.1.2 端頭地層綜合穩定性判斷

總結以往的工程經驗，根據各類地層穩定性對盾構進出洞施工的影響大小將端頭地層分為3個范圍:盾構隧道上下1 m范圍內地層(對施工影響最大)，盾構隧道上下1 m范圍外至盾構隧道上下3 m范圍內地層，盾構隧道3 m范圍外地層(對施工影響最小)。當盾構始發或到達端頭各單一地層穩定性判斷完畢后，將各地層重新劃分成以上3個范圍，這3個范圍的穩定性程度為其所包含所有土類的穩定性最低值，如盾構隧道1 m范圍內地層包含3種土，各種土的穩定性狀況分別為穩定、中等穩定、不穩定，則盾構隧道1 m范圍內地層的穩定性程度為不穩定。確定完3個范圍的地層穩定性程度后，就可以進行端頭地層的綜合穩定性判斷，其判斷依據如表4所示。

2.2 端頭地層綜合穩定性計算判斷

2.1 節內容提出的盾構始發與到達端頭地層宏觀穩定性判斷方法屬于定性分析，為能定量地對端頭地層進行穩定性判斷，則需要對端頭地層進行強度(抗拉、抗剪)和整體穩定性計算分析。

端頭地層的強度與整體穩定性計算方法可采用文獻［7］總結的求盾構始發與到達端頭地層最小加固范圍的方法。先將端頭地層分為黏土地層和砂土地層2大類，然后根據最大剪應力、最大切向拉應力、最大環向拉應力、整體穩定性等公式分別求出端頭地層的最小加固范圍。但有一點不同的是，本文引用文獻［7］的公式對端頭地層進行穩定性計算分析時，使用的端頭地層物理性質參數是端頭地層加固前的參數，而不是加固后的參數。

表4 端頭地層綜合穩定性判斷Table 4 Judgment on comprehensive stability of end soil

一般說來，工程上盾構始發與到達端頭地層的縱向加固長度都小于(l+2)m(l為盾構主機長度)，因此可以取(l+2)m作為判斷端頭地層是否穩定的一個指標。當求出滿足強度和穩定性要求的最小縱向加固范圍后，如其大于(l+2)m，則認為端頭地層是不穩定的，若小于(l+2)m，則認為是相對穩定的，其值越大，則端頭地層的穩定性越差，反之越好。

如盾構始發到達工程的端頭地層綜合穩定性為“穩定”、定量計算結果也顯示“相對穩定”時，盾構隧道能夠滿足自穩要求，可不對端頭地層進行加固(但一般考慮滲流穩定性，需注漿止水來確保安全);當端頭地層綜合穩定性為“中等穩定”、定量計算結果同樣顯示“相對穩定”時，盾構隧道端頭地層只需進行簡單的加固處理(注漿或降水就能滿足要求)。除以上2種情況外，則需要從盾構始發與到達地層加固方案庫選擇出一種最科學、經濟的加固方案對盾構隧道端頭地層進行加固。

3 工程案例分析

3.1 隧道概況及端頭地質狀況

天津地鐵營口道站—和平路站盾構始發工程位于天津赤峰道下，設計從營口道站始發，其中營口道站圍護結構厚為800 mm連續墻;隧道直徑為6.39 m，隧道埋深8.3 m。端頭地層分布如圖1所示，工程地質和水文地質參數如表5和表6所示。

圖1 端頭地層分布圖Fig.1 Distribution of end soils

3.2 端頭地層綜合穩定性宏觀判斷

3.2.1 單種土層穩定分析

第1層土(①1雜填土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩定地層;

第2層土(①2素填土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩定地層;

第3層土(③1粉質黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩定地層;

第4層土(③2粉土)屬于粉土類，且該層受水壓力影響，抗剪強度消失，土體容易發生流動乃至涌土崩塌，是不穩定的地層;

第5層土(③3黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩定地層;

第6層土(④1粉質黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩定地層;

第7層土(④2粉土)屬于粉土類，且該層受水壓力影響，抗剪強度消失，土體容易發生流動乃至涌土崩塌，是不穩定的地層;

第8層土(④5淤泥質粉質黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩定地層;

第9層土(⑤1粉質黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩定地層;

第10層土(⑥1粉質黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩定地層;

第11層土(⑥2粉土)屬于粉土類，且該層受水壓力影響，抗剪強度消失，土體容易發生流動乃至涌土崩塌，是不穩定的地層;

第12層土(⑥3黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩定地層;

表5 工程地質參數表Table 5 Engineering geological parameters

表6 水文地質參數表Table 6 Hydrogeological parameters

第13層土(⑥4粉砂)屬于砂類土，且該層受水壓力影響，容易發生液化而失去抗剪強度或具有涌水、涌砂的風險，是不穩定的地層;

第14層土(⑦1粉質黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩定地層;

第15層土(⑦2粉土)屬于粉土類，且該層受水壓力影響，抗剪強度消失，土體容易發生流動乃至涌土崩塌，是不穩定的地層;

第16層土(⑦3黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩定地層;

第17層土(⑦4粉砂)屬于砂類土，且該層受水壓力影響，容易發生液化而失去抗剪強度或具有涌水、涌砂的風險，是不穩定的地層;

第18層土(⑦5粉質黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩定地層;

第19層土(⑧1粉質黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩定地層。

3.2.2 地層綜合穩定分析

根據本文2.1.2節所示的判別方法可知，本工程盾構隧道上下3 m外的地層穩定性程度為“不穩定”，盾構隧道上下1 m外至3 m內的地層穩定性程度為“不穩定”，盾構隧道上下1 m內的地層穩定性程度為“不穩定”;因此，根據穩定性判斷標準表4可知，本工程的端頭地層穩定性程度為“不穩定”。

3.3 端頭地層綜合穩定性計算判斷

3.3.1 水土壓力計算

本工程地層主要為黏土地層，因此，水土壓力采用合算法，靜止土壓力側壓系數K=0.7。

封門上部的朗肯土壓力為:qa=K0q上=110.54 kPa，q上為封門上部的自重應力。

封門下部的朗肯土壓力為:qb=K0q下=196.31 kPa，q下為封門下部的自重應力。

封門中心的朗肯土壓力為:p=(p1+p2)/2=153.428 kPa。

3.3.2 端頭加固土體強度計算

1)最大剪應力理論。根據最大剪應力理論可知，滿足最大剪應力理論要求的縱向加固范圍為:

式中:τc為端頭土體的極限抗剪強度，根據經驗取τc=qu/6=0.017 MPa(qu為端頭土體的無側限抗壓強度);t1為端頭地層滿足抗剪最小加固長度;k1為抗剪安全系數，通常取1.5;D為盾構開挖直徑;μ為加固土體的泊松比。

2)最大拉應力理論。根據最大切向拉應力理論，滿足最大切向拉應力理論要求時的縱向加固范圍為:

式中:σt為土體的極限抗拉強度，通常取抗拉強度σt=(1/12～1/8)qu=0.01 MPa;t2為端頭地層滿足切向抗拉最小加固長度;k2為抗拉安全系數，通常取1.5。

同理，根據最大環向拉應力，滿足最大環向拉應力理論要求時的縱向加固范圍為:

式中:t3為端頭地層滿足環抗拉最小加固長度;k3為抗拉安全系數，通常取1.5。

根據最大徑向拉應力和最大環向拉應力的要求可知，滿足拉應力要求的縱向加固范圍計算公式為:

3)黏土地層縱向加固范圍。在盾構始發與達到的過程中，為了保證端頭加固土體在水土側壓力作用下不被破壞，端頭土體加固后應該同時滿足拉應力理論和剪應力理論的要求，即端頭土體加固后要同時滿足抗拉強度與抗剪強度的要求，求得黏土地層縱向加固范圍與加固強度之間的關系式為:

本工程盾構主機長度為7.56 m，因此端頭地層強度穩定性計算結果為“不穩定”。

3.3.3 整體穩定性計算

地面荷載Q引起的下滑力矩M1=D2Q/2=204.16 kN·m(Q為地面荷載大小)。

上覆土體自重引起的下滑力矩M2=D2W/2=3 224.1 kN·m(W為上覆土體自重大小)。

滑移圓環線內土體的下滑力矩M3=D3γ/3=1 667.26 kN·m(γ為滑移圓環線內土體的平均重度)。

則土體的下滑總力矩

M=M1+M2+M3=5 095.52 kN·m。

地層抵抗力矩

Mr=cπD2/2+HCD=1 611.49 kN·m。式中c為端頭地層的內聚力。

Mr＜M，端頭地層整體穩定性計算結果為“不穩定”。

因此，綜上所述，本工程需要對端頭地層進行加固處理。

3.4 端頭加固分析

根據盾構始發與到達加固方案庫，構建了盾構始發與到達加固方法的推理機，將上述的工程條件輸入推理機，并選擇一些輔助的判斷條件后，計算機自動推理出的結果如下:

1)由于端頭周邊存在建筑物，采用降水法對周邊環境影響大，因此不宜采用降水法。

2)本工程地層為軟土，采用軟土盾構進行掘進時，不宜切割素墻，因此不宜采用攪拌樁+素混凝土墻，旋噴樁+素混凝土墻。

3)當可供選擇的加固方法較多時，同等條件下應優先選用降水法，其次是化學加固方法，最后才選用凍結法。

綜上所述，本工程不宜采用的方法有:1)降水法;2)攪拌樁+素混凝土墻;3)旋噴樁+素混凝土墻。允許采用的方法有:1)攪拌樁+旋噴樁;2)攪拌樁+凍土壁;3)攪拌樁+地面注漿加固;4)旋噴樁;5)旋噴樁+素樁;6)旋噴樁+凍土壁;7)旋噴樁+混凝土灌注樁;8)袖閥管注漿;9)地面注漿;10)水平注漿;11)SMW;12)水平凍結;13)局部垂直凍結;14)凍結板塊+拱棚;15)水平凍結+垂直凍結。

本工程優先選用的方法為旋噴樁、旋噴樁+素樁、袖閥管注漿、地面注漿、水平注漿、攪拌樁+旋噴樁、旋噴樁+混凝土灌注、攪拌樁+地面注漿加固、SMW;其次是旋噴樁+凍土壁、攪拌樁+凍土壁;最后是水平凍結、局部垂直凍結、凍結板塊+拱棚、水平凍結+垂直凍結。這些可選方法可根據其他相關條件做進一步過濾以縮小范圍。

另外，還可根據當地類似工程的成功經驗，優先選用這些工程使用過的加固方法。

4 結論與討論

結合相關研究成果和工程經驗，通過對以往盾構始發與到達工程資料進行總結分析，得到了以下研究成果。

1)制定了一個盾構始發與到達加固方案庫，并以此為基礎設計了盾構始發與到達加固方案的推理機。

2)考慮有水和無水2種情況，根據各類土的類型特性和關鍵參數指標，對盾構始發與到達工程中的各單一類型土層分別進行了穩定性判斷，并根據各類土的穩定性判斷結果，提出了盾構始發與到達地層的綜合穩定性宏觀判斷方法。

3)通過程序編制，實現了盾構端頭地層穩定性自動分析判別與關鍵加固參數的計算。

隨著工程技術的不斷發展，盾構始發與到達地層加固方法將越來越多，各方法適用性也將有所不同，可對盾構始發與到達加固方案庫及時進行補充和完善。由于盾構始發與到達工程地質的復雜多變性以及工程條件(如隧道直徑、埋深)的不確定性，對端頭地層穩定性判斷方法有待做進一步的探討與研究。

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