克泥效不同設計參數對盾構掘進時土體穩定性的影響研究

黨濟國

中鐵上海工程局集團有限公司城市軌道交通工程分公司 上海 201906

1 工程概況

福州地鐵6號線2標5工區盾構工程時間緊、任務重、難度大，區間左右線共需穿越Ⅰ級風險源16次，其中左線盾構始發后第27環至63環穿越Ⅰ級風險源，穿越時隧道范圍內對應地層為淤泥質土、強風化凝灰巖等軟弱地層。其中，還需要穿越的1座2～9層混凝土結構酒店為風險建筑。該酒店為沉管灌注樁基礎，樁長23 m，與隧道結構最小水平距離3.78 m，房屋基礎底部位于隧道結構底部以下，隧道埋深10.6～11.6 m，酒店無損傷鑒定結果為Du級。

2 HS模型建立

2.1 HS模型及參數意義

HS模型是Plaxis有限元計算軟件中的一種土體本構模型，加載模量和卸載模量可分別定義，主要用于不同類型土體（如軟土、硬土等）的模擬分析。計算中引入蓋帽型屈服面，如圖1所示，即當在主應力的空間中，屈服面是變化的，是隨著塑性應變而膨脹的，主應力空間中的HS模型屈服面如圖2所示。

圖1 HS模型關于三軸試驗的應力-應變關系

圖 2 主應力空間中HS模型屈服面

該模型能夠同時驗證土體的剪切和壓縮硬化這2個因素，且采用摩爾-庫侖破壞準則，是較全面的本構模型。HS模型的應力應變雙曲線關系，由標準三軸排水通過計算驗證得出。偏應力q與豎向應變ε1的關系如式（1）所示。

式中：Rf——三軸排水試驗土體的破壞比； E50——三軸固結排水試驗割線模量；

qa——土體可以最大承受的抗剪強度值；

qf——在實驗中所承受的最大偏應力。

為保證HS模型得到準確結果，在模擬過程中必須要依靠參數的精確性，經過大量實踐和相關試驗，得到了HS模型參數如表1所示。

表1 土體HS模型參數和意義

2.2 HS模型的建立

為研究克泥效與水玻璃混合液對混凝土管片與土體空隙填充的特性[1-3]，利用Plaxis有限元分析軟件建立數值模型：管片周圍土體為淤泥地層，在進行模擬建立HS模型的過程中要考慮的因素有：土體的硬度變化、應力的偏轉路徑等，而且模擬結果得到的精確數值還要和實際工程土體的檢測數值進行對比，這樣才能夠將實際變形情況全面地表現出來，具體幾何模型及網格劃分如圖3所示。

3 計算分析

3.1 Plaxis計算模型的建立

采用有限元計算軟件Plaxis建立盾構施工計算模型，以此進行盾構穿越的風險模擬，研究不同克泥效與水玻璃混合液的參數對地層變形控制的影響。在建立的模型中，隧道開挖方向用x方向來表示，y方向為地層埋深方向，取x方向計算尺寸為30 m，y方向計算尺寸為25 m，6號線管片外徑6.20 m，開挖斷面直徑6.48 m，盾構機外殼與土層間的間隙按0.14 m計算，該間隙用克泥效與水玻璃混合液填充，隧道凈距11.4 m。模型邊界條件為：上邊界自由，左右及下邊界固定。模型規定，以6號線兩隧道中心為原點，以盾構推進方向為正向，計算模型及計算點位置如圖3所示。

3.2 特定參數下不同計算斷面變形分析

克泥效與水玻璃混合液主要是由克泥效漿液和水玻璃漿液根據不同配合比組合，且混合液的主要物理性能由克泥效決定，因此本文僅對克泥效的不同參數對土體變形的影響進行分析。

數值模擬計算時，克泥效彈性模量取10 000 kPa，泊松比取0.25，黏聚力取10 kPa。根據計算結果，盾構隧道累計沉降最大值為4.5 mm（圖4）。

圖3 HS模型網格

圖4 最大位移云圖

3.3 克泥效不同設計參數對土體變形的影響

3.3.1 克泥效不同彈性模量對變形的影響

地層和穿越風險源變形控制會根據克泥效的填充程度發生改變，填充越及時則填充程度越飽滿，地層和穿越風險源變形控制的越好，反之則越差。克泥效彈性模量取500 kPa模擬無填充狀態、取20 000 kPa模擬半密實狀態、取40 000 kPa模擬完全密實狀態，以此進行數值模擬分析。通過分析可將地層和穿越風險變形控制受克泥效填充密度的變化程度表現出來。模擬結果顯示：在無填充狀態下，土體最大位移為11.3 mm；在半密實狀態下，土體最大位移為4.1 mm；在完全密實狀態下，土體最大位移為3.5 mm。

對模擬結果進行分析可得出如下結論：如果在進行盾構挖掘的過程中，沒有及時用克泥效與水玻璃混合液填充地層，那么地層穿越風險源沉降和變形就會變大，當盾構機與土層的間隙超過10 mm，就會使得穿越風險源的變形超過5 mm的要求；如果及時用克泥效與水玻璃混合液填充盾構機與土層間的間隙，那么彈性模量幾乎不會發生改變，也就近似于原狀地層，所以地層和穿越風險源變形的變化程度就小，甚至可以忽略不計。由此可知，地層和穿越風險源變形控制是受克泥效影響的，當克泥效的彈性模量數值越大，地層和穿越風險源的變形就會越小。

3.3.2 克泥效不同泊松比對土體變形的影響

在克泥效的彈性模量值不變的條件下，對克泥效的泊松比對地層變形及穿越風險源沉降的影響進行研究。選定克泥效完全密實的狀態（即彈性模量為40 000 kPa時），分別取泊松比為0.20、0.25、0.30進行數值模擬。模擬結果顯示：當泊松比為0.20時，土體的最大位移為5.2 mm；當泊松比為0.25時，土體的最大位移為4.5 mm；當泊松比為0.30時，土體的最大位移為4.2 mm。

對模擬結果進行分析可得出如下結論：在克泥效的彈性模量不變的情況下，地層變形及穿越風險源沉降會因為泊松比產生一定的變化，當泊松比的取值越大，地層變形及穿越風險源沉降越小。

3.3.3 克泥效不同黏聚力對變形的影響

在克泥效彈性模量及泊松比不變的條件下，對克泥效的黏聚力對地層變形及穿越風險源沉降的影響進行研究。選定克泥效半密實的狀態（即彈性模量為10 000 kPa時）、泊松比為0.25時，分別取黏聚力為5、10、20 kPa進行數值模擬。模擬結果顯示：黏聚力的不同，對地層和穿越風險源沉降影響的程度不明顯。在黏聚力為5、10、20 kPa這3種情況下，反映出的最大的沉降值為4.5 mm（見圖4）。

4 理論分析驗證

4.1 整體思路

針對本工程下穿風險源建（構）筑物較多的情況，為了達到減小盾構穿越建（構）筑物期間地面沉降的目的，在不包裹盾體的情況下，利用克泥效與水玻璃的混合液高黏度膠化體、不易受水稀釋的特點，盾構在淤泥地層中穿越風險建（構）筑物時，從盾構機中盾徑向孔處向土體與盾體的間隙處注入克泥效與水玻璃混合液，起到減小地面沉降的作用。那么，如何選用材料、確定混合液配比、確定注入量及速度等問題將尤為重要。

4.2 材料選用

克泥效主要由合成鈣基黏土礦物、纖維素衍生劑、膠體穩定劑和分散劑等混合而成，現無明確技術指標，現場使用時選用黏性較強的克泥效；水玻璃的黏聚力強、耐熱性和耐水性都很好，而且還具有耐堿和耐酸性，是一種礦黏合劑。所以在施工過程中選用40 Bé的高效能水玻璃。

4.3 配比選定

在克泥效施工前，對克泥效與水玻璃混合液配比進行試驗對比，考慮區間地下水較為豐富，在室外環境下凝結時間需較快，按凝結時間4.5 s，黏度30～50 Pa·s進行試驗、配比，經過多次試驗確定克泥效∶水玻璃=20∶1，即每立方米克泥效與水玻璃混合液中的克泥效用量為400 kg，混合液凝結時間與黏度滿足施工要求。

4.4 注入孔確定

因本工程Ⅰ級風險源（即2～9層混凝土結構酒店）在區間隧道左線左側，同時為了更及時地填充盾殼與圍巖之間的空隙，故選定中盾靠前的左上部徑向孔注入克泥效與水玻璃的混合液。

4.5 每環注入量及注入速度

盾構機刀盤直徑為6 480 mm，管片外徑6 200 mm，管片長度為1.2 m，根據計算每環應注入0.48 m3克泥效與水玻璃的混合液，按照130%的理論填充系數（淤泥等軟土層），每環掘進克泥效注入量為0.62 m3，泵送壓力控制在0.4～0.6 MPa。

克泥效注入時間同同步注漿，遵循“掘進必須注漿”的原則，注入速度如表2所示。

表2 克泥效與水玻璃混合液注入速度

5 實施效果對比

使用前：在福州地鐵6號線2標段5工區區間隧道右線穿越Ⅰ級風險源時，未使用克泥效，在水平間距更大的情況下最大沉降達到－17.5 mm，地面監測沉降數據偏大。

使用后：左線穿越Ⅰ級風險源時，使用了克泥效，成功地安全穿越，人工監測錄得的最大累計沉降值為－5.0 mm，自動化監測錄得的最大累計沉降為－5.6 mm。

使用克泥效與水玻璃混合液后，盾構施工過程中，地面沉降明顯減小，實現了盾構安全、順利地穿越，得到了業主的一致好評。同時達到了控制成本、減少后期施工，甚至替代地面建筑物預加固、減小地面施工占道影響交通及降低穿越風險的目的。

6 結語

通過進行HS模型數值模擬并對模擬結果進行分析后得出，地層在掘進過程中，克泥效與水玻璃混合液填充盾構間隙的施工方案能夠減少對地層土體的破壞，防止沉降和變形，減少建筑物的損害，所以該方案在盾構穿越及盾構停機保壓過程中可操作性強、安全系數高，減少損害，可以推廣應用。

克泥效與水玻璃在盾構掘進淤泥地層中的應用是利用克泥效與水玻璃混合液為高黏度膠化體不易受水稀釋的特點，盾構施工在淤泥地層中穿越高風險建構筑物時，通過盾體徑向孔注入，從而迅速填充盾殼與周圍土體間隙，且在不包裹盾體的情況下，減小了土體沉降，起到保障安全穿越的作用。