超前預加固對富水砂卵石地層盾構隧道開挖面穩定性的影響

任躍勤

【摘 要】盾構隧道開挖面不穩將會引起地面塌陷，盡管采用諸如地表注漿加固能夠保證盾構掘進，但施工工序煩瑣、材料浪費嚴重、掘進效率低下，為了穩定盾構隧道開挖面、提高掘進效率，研究了超前預加固對富水砂卵石地層盾構隧道開挖面穩定性的影響。結果表明：采用玻璃纖維注漿錨桿預加固開挖面前方圍巖，能明顯提高開挖面前方圍巖強度，增強盾構隧道開挖面穩定性。研究成果具有重要的理論意義和應用價值。

【Abstract】The instability of shield tunnel face will cause ground surface collapse. Despite the use of such as surface grouting reinforcement can ensure the shield tunnel face， it is not used widely because of the complicated construction process， material waste and low efficiency. In order to stabilize the shield tunnel face， the advance reinforcement is studied to use for shield tunnel face stability in water rich sand and gravel. The results show that the glass fiber reinforcement grouting anchor in front of the excavation face surrounding rock， can significantly improve the strength of surrounding rock excavation in front， increasing the face stability of shield tunnel. The research results have important theoretical significance and application value.

【關鍵詞】超前預加固；砂卵石地層；盾構開挖面；穩定性

【Keywords】advance reinforcement； sandy cobble stratum； shield excavation surface； stability

【中圖分類號】U455 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）12-0164-04

1 引言

近年來，我國城市地鐵建設快速發展，地鐵工程取得了長足進步，各個大中型城市，地鐵已經成為最重要的交通工具。但是城市地鐵設計、施工質量安全問題也日趨顯著，地鐵施工事故頻發，僅在2001-2016年期間，國內隧道施工重大安全事故200多起，其中盾構隧道開挖面塌方事故占49%以上，死亡300多人，經濟損失超過10億元，嚴重的事故危害已經引起了社會各界的高度重視。盾構隧道開挖面穩定已成為地下工程迫切需要解決的重要難題。

為保證我國城市地鐵盾構隧道施工安全，保證開挖面穩定，盾構機掘進前多采用地表注漿法，這些方法最典型特點是工序煩瑣、材料浪費嚴重、掘進效率低，無法提高隧道施工的機械化水平，更無法實現隧道的安全、經濟、快速高效施工。為了克服盾構隧道施工過程中存在的上述不足， Pietro Lunardi等究了1000多例軟巖隧道，認為隧道開挖面穩定是保證隧道穩定性的控制性因素之一。由此基于新奧法施工和壓力拱理論提出了巖土控制變形分析法（ADECO-RS），該方法認為，開挖面前方待挖核心土的剛度和強度同隧道開挖面擠出變形、徑向收斂變形、徑向預收斂變形之間關系密切。增強開挖面前方待挖核心土剛度是控制隧道失穩的關鍵。通過對開挖面前方待挖核心土進行超前預加固可以有效控制開挖面開挖后的圍巖變形，從而有效提高開挖面的穩定性。在地質條件復雜、自穩能力差的軟弱圍巖中實現隧道安全、穩定、高效的全斷面掘進。

以下以成都地鐵18號線火車南站—孵化園站盾構隧道區間起訖里程ZCK10+535.703～ZCK13+021.999為例，研究開挖面在有無采用預加固措施條件下盾構隧道開挖面的變形作用機制，以此來突出巖土控制變形分析法（ADECO-RS）在軟巖大斷面隧道施工中的安全、穩定、高效特點，研究具有重要的理論意義和應用價值。

2 工程概況

成都軌道交通18號線工程土建1標位于成都市高新區，本標段承建火車南站及火車南站—孵化園站、孵化園站—錦城廣場站共一站兩區間，隧道起于火車南站南端，止于錦城廣場站北端，全長6085.030單線延米。火車南站—孵化園站區間起訖里程ZCK10+535.703～ZCK13+021.999，左線長2459.296m（中間風井長27m），右線長2485.897m，隧道中心線間距15.89～32.3m，隧道頂埋深8.3～22.9m，最大坡度15‰，最小曲線半徑R=450m。孵化園站—錦城廣場站區間起訖里程ZCK13+323.294～ZCK13+892.728，左線長569.434m，右線長570.403m，隧道中心線間距18.37～38.25m，隧道頂埋深18～25m，最大坡度 15‰，最小曲線半徑550m。

火車南站—孵化園站—錦城廣場站區間范圍為第四系（Q）地層覆蓋，地表多為人工填土（Q4ml）覆蓋，其下為全新統沖積（Q4al）黏土、粉質黏土、粉土，其上為更新統冰水沉積、沖積（Q3fgl+al）卵石土夾透鏡狀砂土，下伏基巖為白堊系上統灌口組（K2g）泥巖。其穿越自穩性差，極易擾動的砂卵石、泥巖、砂巖以及部分區域穿越砂卵石與泥巖互層等地層。endprint

3 數值模擬

3.1 計算模型

根據成都地鐵18號線火車南站—孵化園站盾構隧道區間起訖里程ZCK10+535.703～ZCK13+021.999段勘察報告，V圍巖物理力學參數取值如表1所示。由于該段圍巖等級為V級，管片材料為C50 彈性鋼筋混凝土材料，厚度為0.35 m，

為了確保隧道順利經過富水砂卵石地帶，擬在隧道開挖輪廓線以內鉆入玻璃纖維注漿錨桿，以強化開挖面前方待挖核心土來穩定隧道開挖面。具體計算參數如表2所示。

數值模擬軟件采用FLAC3D，計算模型如圖1所示，模型寬度100m，高度80m，縱向長度60m，即：寬×高×深=X×Z×Y=100m×80m×60m。隧道開挖寬度為12.36m，開挖高度為10.28m，開挖面積近127m2。

為簡化計算，特做出如下假定：①不考慮二襯支護作用；②開挖過程中圍巖應力100%釋放；③圍巖破壞遵循相關聯的Mohr-Coulomb屈服準則。

3.2 模擬工況

參照成都地鐵18號線盾構施工方法，為了弄清玻璃纖維注漿錨桿超前預加固開挖面前方待挖核心土能否保證開挖面穩定，如下三種模擬工況均采用全斷面施工方法，參照如圖1所示的結構設計，特做出了如下模擬工況：①開挖面前方待挖核心土不采用玻璃纖維注漿錨桿加固；②開挖面前方待挖核心土采用0.25根/ m2的加固密度；③開挖面前方待挖核心土采用0.69根/ m2的加固密度。玻璃纖維注漿錨桿超前預加固長度均取20m，具體模擬工況如表3所示。

3.3 計算結果分析

3.3.1 玻璃纖維錨桿軸力受力狀況

根據表3的模擬計算工況所得出的玻璃纖維注漿錨桿軸向內力分布如圖2所示。從中不難看出，玻璃纖維注漿錨桿的最大軸向內力均位于隧道開挖面前方2～3 m范圍內。模擬計算工況2、3條件下玻璃纖維注漿錨桿所對應的最大軸向內力分別為13.8kN、11.5kN，對應的最大軸向應力分別為σmax=28.1 MPa、σmax=23.4 MPa，隨著玻璃纖維錨桿加固密度的增大，其軸向內力有所減小，但其減小幅度和錨桿加固密度的變化幅度相比不十分明顯，均小于玻璃纖維錨桿的屈服強度，能夠保證開挖面的安全。

3.3.2 圍巖位移變形狀況

位移是地下工程施工過程中最為常用、直觀、和方便的監控指標，隧道支護能否有效控制圍巖位移變形，可以通過監測隧道開挖面水平位移、地表位移變化以及開挖面前后方拱頂沉降位移來反映隧道開挖面前方待挖核心土經玻璃纖維錨桿注漿預加固后的效果。

隧道開挖面開挖后的水平位移情況如圖3所示，從中可以發現，在隧道開挖面掘進到前方20m時，隨著開挖面玻璃纖維錨桿加固密度的增大，開挖面水平位移在急劇減小，模擬計算工況3條件下開挖面玻璃纖維錨桿加固密度達到0.69根/ m2時開挖面產生的水平位移比模擬計算工況1條件下開挖面無玻璃纖維錨桿加固密度時開挖面產生的水平位移減少了約50%。在六盤山隧道實際施工過程中K1861+697～K1861+706段開挖面，由于當時并未采用玻璃纖維錨桿加固，左拱拱腰處混凝土突然塌落，導致隧道由西向東車道上方的拱頂產生了一個長約10m、寬約1.2m，深淺不均的不規則空洞。這個實踐同時表明，采用玻璃纖維注漿錨桿對開挖面前方待挖核心圍巖進行預加固時，可以提高其強度和剛度，極大地抑制開挖面的水平位移變形，但是，這里的玻璃纖維注漿錨桿加固密度必須達到一定值才有明顯效果。

隧道開挖面前方待挖核心土經玻璃纖維錨桿注漿預加固后的效果除了圖3隧道開挖面水平位移之外，還表現在圖4是3種工況下隧道橫斷面地表位移上，其變化規律與前面圖4相似。當玻璃纖維注漿錨桿加固密度達到0.69根/ m2時隧道橫斷面最大地表沉降值約為4mm，相對于開挖面未采用玻璃纖維注漿錨桿加固時減少了約60%，足以進一步證明玻璃纖維錨桿注漿預加固隧道開挖面前方待挖核心土可以有效控制軟巖隧道開挖面的穩定性。

另外一個反映玻璃纖維注漿錨桿預加固開挖面前方待挖核心土效果的位移指標是隧道開挖面前后方拱頂沉降位移變化值。由圖5可以看出，采用玻璃纖維注漿錨桿預加固開挖面前方待挖核心土，不僅減小了開挖面前方圍巖的豎向預收斂變形，而且還能大大減小開挖后隧道的最終沉降值。由此可見玻璃纖維注漿錨桿能提高開挖面前后方隧道圍巖的穩定性。

3.3.3 超前核心土塑性區分布狀況

圖6反映了開挖面前方待挖核心土在無玻璃纖維注漿錨桿加固條件下和玻璃纖維注漿錨桿加固密度達到0.69根/ m2條件下隧道開挖面前方待挖核心土塑性區分布，從中可以發現，隧道開挖面前方待挖核心土的塑性區深度由加固前的6～7m，急劇減小到玻璃纖維注漿錨桿加固密度達到0.69根/ m2條件下的2～3m。除此之外，隧道開挖面前方待挖核心土的塑性分布特征也呈現明顯不同，主要表現在隧道開挖面前方待挖核心土經玻璃纖維注漿錨桿預加固后，提高了開挖面前方待挖核心土體系的強度，增強了開挖面前方待挖核心土的抗變形能力。開挖面前方待挖核心土未采用玻璃纖維注漿錨桿加固條件下貫穿的剪切滑移面，經玻璃纖維注漿錨桿加固后變為了頂部和底部的局部破壞區，這就大大提高了開挖面的穩定性。

4 結論

針對我國近年來城市地鐵隧道施工塌方事故不斷的狀況，采用諸如地表注漿加固后盾構掘進施工時施工工序煩瑣、材料浪費嚴重、掘進效率低。為了穩定盾構隧道開挖面、提高掘進效率，采用玻璃纖維注漿錨桿對開挖面前方待挖核心土進行預加固，能明顯改善圍巖的工程特性，比如隧道開挖面玻璃纖維注漿錨桿加固密度達到0.69根/ m2時，開挖面水平位移、地表位移變化以及開挖面前后方拱頂沉降位移比未采用玻璃纖維注漿錨桿加固時數值急劇減小，開挖面前方待挖核心土未采用玻璃纖維注漿錨桿加固條件下貫穿的剪切滑移面，經玻璃纖維注漿錨桿加固后變為了頂部和底部的局部破壞區，隧道開挖面前方待挖核心土的塑性區深度，增強了開挖面的穩定性。

此外，巖土控制變形分析法（ADECO-RS）是在新奧理論基礎上發展起來專門用于解決復雜地質隧道開挖面不穩定的一種施工方法，目的是保證隧道設計可靠、施工安全，它已成為國際上一種新型盾構隧道突破不良地質的快速施工方法。目前我國對于超前預加固的研究處于試驗和探索階段，也缺乏工程實踐。隨著地下工程建設規模的不斷擴大，軟巖隧道開挖面變形破壞機制及控制技術必將得到越來越多的研究和應用。

【參考文獻】

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