凍結水泥土樁法在端頭加固中的數值模擬研究

古小輝，李樂晨，李子陽

（1.河南省水利第二工程局，河南 鄭州450016；2.哥倫比亞大學 工程力學系，紐約州 紐約市 NY10027；3.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210098）

由于盾構隧道施工中事故多發段大多在盾構隧道端頭［1］，端頭加固關系到盾構機能否安全始發和抵達，因此選擇合理的盾構隧道端頭土體加固形式是保障盾構施工順利進行的十分重要的環節［2］。常用的盾構隧道端頭土體加固方法有高壓噴射注漿法、SMW工法、三軸深層攪拌法、人工凍結法、注漿法、素混凝土灌注樁法等［3-5］。針對高埋富水砂性土層，不同的盾構端頭土體加固措施具有其局限性，如高壓旋噴樁法加固施工便捷、施工工期短、加固土體強度高，但止水效果差、抗滲性差，常會出現工程滲漏等問題；SMW法施工對土體擾動較小、止水性好、造價低，但水泥土后期強度增加較大，盾構機在加固區掘進時切削困難，對刀盤磨損嚴重；人工凍結法［6］較適用于富水砂性土層，且加固范圍較大、止水性能好，但施工周期長、造價高。另外，深埋富水砂性土層中的盾構端頭土體加固還存在加固范圍選取困難的問題［7］，需要依據地層條件并滿足強度、穩定性要求，現階段基本上都是憑借工程經驗確定，其合理性難以保證。為克服單一工法的局限性，實際工程中的盾構隧道端頭土體加固多采取兩種或多種工法相結合的措施［8-10］。

針對現有人工凍結法在深埋富水砂性土層下端頭加固時產生凍脹融沉等問題［11］，筆者結合注漿法的技術特點，提出一種采用凍結水泥土樁法對端頭進行加固的方法，并根據凍結水泥土力學試驗所得參數，分析了洞門鑿除后4種不同凍結溫度下的地層位移情況和土體的塑性變化。在掘進模擬中分別對地層位移、土體的塑性區變化等進行了計算分析，并與傳統水泥土加固法進行對比，驗證了凍結水泥土樁端頭加固法的可行性和有效性。

1 模型及參數

凍結水泥土樁法結合注漿法和凍結法的技術特點，首先采用三軸深層攪拌樁注漿法使加固區形成水泥土樁，在每個攪拌樁中心插入凍結管，待土體達到一定強度后開始凍結，從而達到需要的止水效果和加固強度，如圖1所示。該方法與原來的凍結法相比，造價大幅降低。

圖1 凍結水泥土樁加固法示意

河南省鄭州市某引水隧道中心高程67.0 m、埋深39.0 m、直徑18.0 m，其盾構施工的端頭加固即采用凍結水泥土樁法，對其端頭加固及盾構始發掘進進行數值模擬分析。土體建?；贔LAC 3D采用實體單元建模，管片襯砌采用殼形結構單元，模型范圍上至地面，下至隧道底部3d處（d為隧道直徑），橫向取至距隧道豎直軸線左右各3d處，隧道中心為原點，隧道縱向取2d。在隧道端頭處還有一長14.0 m、寬10.0 m、高45.5 m的豎井，豎井的地下連續墻厚度為2.0 m，豎井底部加固厚度為2.5 m。由此確定模型尺寸為：54.0 m（x方向，洞徑方向）×40.0 m（y方向，水平垂直洞徑方向）×78.0 m（z方向，豎直方向）。模型側面為位移邊界，限制水平移動；底部為固定邊界，限制水平移動和垂直移動，模型上表面為地表，設為自由邊界。模型剖面如圖2所示。

圖2 模型剖面

模型中用結構單元中的殼形結構單元模擬作為隧道支護結構的襯砌管片，并視其為彈性材料，管片寬1.0 m、厚 0.4 m、采用 C50 混凝土，彈性模量為 32 GPa、泊松比為 0.2，密度為 2 500 kg／m3。 土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，參數見表1。

表1 土體參數

在工程中采用凍結水泥土樁加固法加固土體，不同凍結溫度下的水泥土材料參數具有差異性，選取水泥摻入比為22%的試樣，養護齡期28 d后，通過室內試驗得到凍結水泥土的力學參數，見表2。

表2 不同凍結溫度下的凍結水泥土力學參數

隧道盾構施工過程中盾構機是漸進向前的，四周土體是相對靜止的?？紤]FLAC 3D很難做到完全模擬盾構的連續推進過程，在模擬計算時做如下假定：①地表和各土層均呈勻質水平層狀分布；②開挖時在盾構作業開挖面處施加一定的表面力，以模擬刀盤的推進力；③盾構推進一步長度為1.0 m；④在距地表8.0 m處設置靜止水壓力；⑤假定盾構隧道開挖初期，管片襯砌支護形成“毛洞”狀態時，周圍土體荷載釋放率為20%，管片安裝后，周圍土體完成余下的80%釋放率。

2 洞門鑿除后加固土體變形分析

盾構始發時，先要把始發位置的地下連續墻鑿除。洞門鑿除分兩次，第一次鑿除一部分將外部鋼筋切割，第二次鑿除的同時盾構機也要做好掘進準備。為簡化模擬和分析，模型計算前將各地層位移變化清零，并一次把洞門鑿除完全。分布選取-5、-10、-15、-20℃等4種凍結溫度進行計算，并對比分析不同凍結溫度下的水泥土樁加固土體位移和塑性區變化。

2.1 位移變化

不同凍結溫度下洞門鑿除后掌子面的縱向位移變化如圖3所示。取各凍結溫度下洞門鑿除后的掌子面的縱向最大位移繪制曲線，如圖4所示。

圖3 不同凍結溫度下洞門鑿除后掌子面土體縱向位移（單位：m）

圖4 不同凍結溫度下洞門鑿除后掌子面土體縱向最大位移

洞門鑿除后，加固土體暴露在空氣中。根據土體位移云圖可知，土體出現大變形的位置主要集中在洞口及其周圍。不同凍結溫度下水泥土樁加固后的位移云圖對比后發現，-5℃時的洞門縱向最大位移為2.52 cm，方向沿隧道軸線向外，說明洞門鑿除后所暴露的土體基本穩定；-10℃時的洞門縱向最大位移大幅減小，為0.19 cm，方向沿隧道軸線向外，說明洞門鑿除后所暴露的土體已十分穩定；-15℃和-20℃時的洞門縱向最大位移更小，分別為0.15 cm 和0.12 cm，方向沿隧道軸線向外，說明洞門鑿除后所暴露的土體也十分穩定。根據不同凍結溫度下的土體最大位移變化可以看出，當凍結溫度在-5℃時，洞門鑿除后雖然土體也相對穩定但位移相對較大；當凍結溫度達到-10℃及以下時，土體加固效果好，且溫度越低洞門鑿除后的土體位移越小。

2.2 塑性區變化

加固后的盾構隧道應具有足夠的彈性，以保證有能力減輕不利環境造成的破壞，并迅速恢復到可接受的性能水平［12］。為進一步分析隧道的彈性性能喪失狀況，繪制4種不同凍結溫度下鑿除洞門后隧道塑性區的變化，如圖5所示?？梢钥闯?，-5℃時，洞門鑿除后隧道及隧道周圍土體均發生塑性變形，主要破壞形式為剪切破壞和張拉破壞；-10℃時，洞門鑿除后只在隧道中心的一小部分發生塑性變形，主要破壞形式為剪切破壞；-15℃和-20℃時，洞門鑿除后只在隧道外上部的一小部分發生塑性變形，主要破壞形式為張拉破壞。對比塑性區范圍，-5℃時塑性區面積最大且超過了整個掌子面的面積，分析其原因為凍結溫度低，加固土體的初始屈服強度低，產生塑性變形的土體大。當凍結溫度達到-10℃及以下時，塑性區范圍很小，且出現于掌子面上部。由圖5可得出結論，塑性區范圍變化的轉折點在-5～-10℃之間，隨著凍結溫度的降低，加固土體的初始屈服強度增大，洞門鑿除后的土體塑性區范圍變小。

圖5 不同凍結溫度下鑿除洞門后隧道的塑性區變化情況

2.3 與傳統常溫水泥土樁加固法對比

對采用傳統常溫水泥土樁加固后的始發洞門鑿除進行模擬計算，得出其掌子面的縱向位移，如圖6所示?？梢钥闯?，采用傳統的常溫水泥土樁加固，在鑿除洞門后掌子面土體縱向最大位移為6.05 cm，變形過大，存在坍塌的可能，對比-10℃下凍結水泥土樁加固法，在鑿除洞門后掌子面土體縱向最大位移僅為0.18 cm，減小了97%，相較于傳統常溫水泥土樁加固法土體位移大幅減小。

圖6 傳統常溫水泥土樁加固洞門鑿除后掌子面縱向位移（單位：m）

進一步分析傳統常溫水泥土樁加固的始發洞門鑿除后塑性區變化，如圖7所示，掌子面的土體發生剪切破壞和張拉破壞。采用-10℃下凍結水泥土樁加固法，鑿除洞門后掌子面僅有很小一部分發生張拉破壞，說明凍結水泥土樁法相比傳統常溫水泥土樁法的加固效果大大提高。

圖7 傳統常溫水泥土樁加固洞門鑿除后土體塑性區變化情況

3 盾構掘進后土體變形分析

本工程采用的盾構方式為泥水平衡盾構，即在盾構開挖面的密封隔倉內注入泥水，經過泥水加壓和其外部土體壓力平衡，從而保障開挖面土體的穩定。為了解盾構施工過程中加固區作業和穿過加固區作業時地層的變化，對盾構掘進過程進行數值模擬。仍然選取-5、-10、-15、-20℃等4種凍結工況，研究凍結水泥土樁加固后，盾構穿過加固區時地層位移變化，共模擬開挖20環，每環寬度為1.0 m。

開挖20環后，選取距始發洞門3.0 m處的橫斷面（加固區）作為分析斷面，其距拱頂不同距離處（0.0、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.5、6.5、9.5 m）土體的豎向位移如圖8所示?？梢园l現，在凍結水泥土樁法加固區內，隨著凍結溫度降低，隧道拱頂土體位移變小，這是因為凍結溫度越低，加固區土體的強度越大（見表2），開挖后加固區周圍的土體越不容易失穩。距拱頂較遠處土體發生了部分隆起現象，分析認為是由于土體埋深較大、地下水位較高造成了一定的土體上浮。凍結溫度越低上浮現象越不明顯，-20℃凍結溫度時，土體加固強度最高，受水浮力影響最小。

圖8 加固區3.0 m處斷面土體豎向位移

4 結 論

針對高埋深富水砂性土層盾構隧道施工單種工法的局限性，提出采用凍結水泥土樁法進行端頭加固的技術，基于FLAC 3D對加固過程中的洞口土體鑿除后以及盾構掘進后的土體變形性態進行了-5、-10、-15、-20℃等4種凍結工況的模擬分析，并與采用傳統水泥土樁加固法的土體變化進行了對比，得到以下幾點結論。

（1）采用凍結水泥土樁加固法，洞門鑿除后暴露在空氣中的土體位移均較小，土體穩定性較好。其中當凍結溫度為-5℃時，土體位移相對較大；當凍結溫度達到-10℃及以下時，位移隨溫度降低進一步減小，但差距不大。不同凍結工況下鑿除洞門后隧道的塑性區變化也具有類似規律，塑性區明顯減小的轉折點在-5～-10℃之間。

（2）采用傳統的常溫水泥土樁加固，洞門鑿除后掌子面土體縱向最大位移為6.05 cm，變形過大，存在坍塌可能，且掌子面土體塑性區明顯，存在剪切破壞和張拉破壞。對比-10℃工況下凍結水泥土樁加固法在鑿除洞門后掌子面土體縱向最大位移僅為0.18 cm，減少了97%，且僅有很小一部分發生張拉破壞，說明凍結水泥土樁法相比傳統方法加固效果大大提升。

（3）凍結水泥土樁加固后，隨著凍結溫度的降低，盾構穿過加固區后的隧道拱頂向上的土體位移越小，表明凍結后加固區土體的強度變大，大大提高了盾構開挖后周圍土體的穩定性。