流塑狀淤泥質地層盾構小半徑始發加固范圍研究

劉恒伏，胡 森，王有旗，崔建強，殷 浩

(中鐵二十五局集團第五工程有限公司，山東青島 266000)

隨著城市交通發展的需要，盾構法的掘進速度快，機械化程度高，施工安全可靠而廣泛地運用在城市地鐵修建當中。而盾構法施工的關鍵點之一就在于盾構始發，由于盾構區間地層較軟，圍巖自穩條件差，盾構始發過程中，容易引起地表沉降過大，始發井垮塌等重大安全事故，特別是在富水和流塑狀地層，還容易引起滲流破壞，因此往往采取加固始發土體的方式處理盾構始發難題[1-2]。

而土體的加固范圍作為土體加固的一大重要參數，近年來許多學者對其進行了研究。然而這些研究主要集中于普通的軟巖地層[3-4]，對于流塑狀淤泥質地層的始發加固研究還較少，因此本文基于深圳國際會展中心配套市政項目會展北站-會議中心站盾構項目為依托，對流塑狀淤泥質地層始發加固范圍進行研究，為相似地質條件工程提供了參考。

1 盾構小半徑始發加固范圍計算

1.1 案例工程概況

深圳地鐵會展北站-會議中心站區間周邊為待開發地塊及填海空地，無重要建構筑物。地質狀況屬于深圳西南部濱海灘涂地貌，線路離海岸線較近，地表為雜填土，下部覆流塑狀淤泥層，層厚較厚，分布較廣，自穩能力較差，對施工存在一定的影響。區間平面最小曲線半徑為R=350m，始發段處于小半徑內，屬于小半徑始發，始發難度較大。結合工程實踐和工程類比，采用割線始發將始發段“化曲為直”[5-6]，并采用雙管旋噴樁加固。

施工采用兩臺φ6 280 mm復合式土壓平衡盾構機，盾體長度約為8.5 m，盾構始發井井口的尺寸為11.5 m×7.5 m，井深約14 m。盾構始發段長度為100 m，始發段隧道埋深為13.4～13.6 m，地質參數見表1，始發基坑橫斷面如圖1所示。

圖1 始發基坑斷面

1.2 計算理論分析

目前對于加固土體的計算主要分為橫向計算和縱向計算兩個步驟，再結合經驗方法綜合考量得出加固土體的范圍。對于縱向加固范圍，主要有彈性薄板理論和滑移失穩理論，分別對加固區進行的強度和穩定性計算。橫向計算采用傳統的土體擾動極限平衡理論。對于濱海灘涂區流塑狀淤泥質地層，其加固范圍的關鍵在于防止流塑狀淤泥從洞口涌入始發井，從而導致地表沉降，甚至始發井垮塌的重大危險事故。因此在加固區的范圍計算選取上需要特別注意。

1.3 案例工程計算

運用所建立的計算體系，始發段地質條件較差且地下水較多，因此采用幾何準則的經驗方法求盾構長度t1，采用簡化板塊理論計算t2，根據地質條件可知，采用黏性土的滑移理論計算t3，最終確定加固長度t和加固范圍，計算結果見表2。

考慮工程實際操作，加固范圍均按整數設計，因此加固范圍為長11 m，上下左右寬為2 m的長方體。考慮到對填土的計算容重較小，以及工程類比，可以適當加寬加固范圍，給出建議值為3 m[7]。

表1 地質參數

表2 計算結果 m

2 FLAC 3D數值模擬驗證

根據根據圣維南原理，為滿足既定邊界條件，盡可減小邊界效應帶來的影響，有限元模型取為長×寬×高為47 m×84 m×44 m，建立模型如圖2所示。上部邊界為自由邊界，下部邊界取為固定邊界，左右邊界施加X方向水平約束，前后邊界施加Y方向位移約束[8-9]。

圖2 基坑開挖支護建立

始發井根據圖2設計圖建立采用彈性本構，地質參數按表1選取，采用摩爾庫倫本構。管片采用混凝土強度為C50的標準管片拼裝，注漿采用C25混凝土，基坑主體結構采用C35鋼筋混凝土。按標準盾構施工過程模擬，掘進模擬過程中的安全指標：

(1)盾構在始發過程中，洞門打開，土體暴露，在盾構機還沒有頂上加固土體之前，在此情況下暴露土體能否自穩將成為評價洞門打開過程中重要的安全評價指標。

(2)在盾尾脫出加固區后，由于土體剛度變化，可能引起盾首盾尾沉降差較大，產生“磕頭”現象，因此需要進行驗算。

(3)在盾構掘進中和掘進后，地面的沉降、拱頂沉降、洞內收斂也是重要的安全性評價指標，其值不得大于規范預警值。

洞門打開的安全性評價主要通過加固始發(圖3)和無加固始發(圖4)的對比，可以看出無加固始發情況下，洞門打開后土體向外滑動，發生較大的位移，地表發生大量沉降，計算難以收斂，可以推斷無加固情況下，會發生破壞。在始發加固的情況下可以看出，開挖后整個地層受擾動小，洞門附近有一定變形，但變形僅為1 cm，且計算收斂，因此可以得出加固后洞門打開安全。

圖3 無加固始發

圖4 加固始發

磕頭檢驗主要驗算盾構機在土體中的姿態，通過驗算盾首盾尾的沉降差值來具體計算，驗算的最危險節點為盾尾脫離加固區后，如圖5所示，由圖可知，首尾沉降差值為5 mm，斜率為5÷9000=0.05%，傾斜角度較小，盾構不會出現“磕頭現象”，始發總體安全。

圖5 盾尾離開加固區

根據規范，地表沉降允許值為(按規范)64 mm，隧道拱頂沉降允許值為20 mm，隧道側向收斂值為20 mm，實際模擬情況如圖6,圖7所示。變形值均在規范允許范圍內，隧道掘進安全。

圖6 沉降

圖7 收斂

3 現場測試

為了驗證計算結果，現場進行了實地監測。分別對隧道拱頂，洞內收斂和地表沉降進行了監測。地表沉降監測點布置圖如圖8所示。

圖8 始發段地表沉降監測

地表沉降預警值為64 mm,控制值為80 mm，監測至數值穩定，沉降值如下表3所示。

地表沉降符合規范要求，始發安全，與計算結果相吻合。

拱頂沉降預警值為16 mm,控制值為20 mm，監測至數值穩定，沉降值如下表4所示。

拱頂沉降符合規范要求，始發安全，與計算結果相吻合。

洞周收斂預警值為16 mm,控制值為20 mm，監測至數值穩定，收斂值如下表5所示。

洞周符合規范要求，始發安全，與計算結果相吻合。

根據現場測試結果，加固范圍計算結果較為可靠，加固后始發安全。

表3 地表沉降監測 mm

表4 拱頂沉降監測 mm

表5 洞周收斂監測 mm

4 結論

(1)基于現有的加固范圍計算理論公式，結合流塑狀淤泥質地層特性，計算了深圳地鐵國際會展中心配套市政項目盾構小半徑始發的加固范圍，始發縱向加固長度取11 m，上下左右加固范圍為3 m。

(2)對計算結果建立數值模型進行驗證分析，無加固時洞門打開發生破壞，加固后洞門打開最大位移為2 mm，在盾尾脫離加固區時隧道傾斜角度為0.05 %沒有磕頭風險，整個開挖過程中，地面和拱頂的沉降值滿足規范要求，洞身收斂值滿足規范要求，盾構始發安全。

(3)結合現場監測結果，進一步驗證了該計算方法可行性，經驗證，按該計算方法計算得到的加固范圍加固安全可靠。

(4)對于不同端頭加固方式，應有不同的計算方法和數值模擬方法，在這方面有待進一步研究。