盾構下穿機場土體掘進環境控制技術

2021-07-06 06:09:06揭定前郭治岳陳文宇徐海南王澤偉

四川建筑 2021年3期

揭定前，郭治岳，陳文宇，徐海南，王澤偉，萬均，陳行

(1. 中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司，廣東深圳，518083； 2.西南交通大學土木工程學院，四川成都，610031； 3.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川成都，610041; 4. 瀘州市政府投資建設工程有限管理第一中心, 四川瀘州 646699)

近年來，盾構法施工已逐漸發展成為城市地鐵建設最常用工法，但盾構掘進不可避免地會產生對土體的擾動[1]，因此對盾構掘進過程中引起的土體沉降進行分析具有重要意義。

針對盾構掘進引起的地層擾動已有不少研究成果。劉招安等[2]依托廣州地鐵二號線某隧道為背景，總結了盾構法施工引起的地表沉降的分析方法，結合實測數據進行了規律分析；彭立敏等[3]通過隨機介質理論對盾構隧道施工造成的地層移動與變形進行了分析計算；林存剛等[4]依托杭州慶春路過江隧道工程為依托，圍繞盾構掘進參數，對地面沉降進行了規律性分析；陳自海等[5]以軟土地層盾構隧道施工參數為研究方向，分析了注漿壓力、土倉壓力等施工參數對地表沉降的影響；包小華等[6]以北京地鐵14號線方莊-十里河站區間雙線隧道為依托，研究了注漿量、注漿壓力和凝結硬化時間等掘進施工參數對表表沉降的影響。謝東武等[7]以Mindlin解為理論基礎，對單線盾構隧道地表位移的影響因素進行了敏感性分析；

以上研究集中于盾構掘進參數對地表沉降的影響，對盾構掘進過程中注漿量和掘進速率對土體沉降的研究較少，本文對此進行有限元分析。

1 工程概況

成都地鐵10號線雙流機場2航站樓站—雙流西站二期工程，地面建筑及規劃如圖1所示。盾構隧道埋深44 m，區間處在泥巖與砂卵石交互地層，該地層巖體整體巖性較差，盾構掘進過程中易發生土體沉降問題。隧道覆蓋土體為厚混凝土、厚石屑找平層、水泥碎石基層、厚水泥卵石基層、壓實土基和砂卵石。

圖1 盾構下穿機場滑行道示意

2 數值模擬

2.1 模型的建立

本文采用大型有限元軟件建立盾構隧道開挖三維數值模型，模型尺寸為100 m×60 m×80 m，見圖2。模型主要包括地層和盾構隧道。盾構隧道主要結構為盾殼、管片和注漿層。區間隧道為雙孔隧道，先進行左隧道(先行隧道)掘進，后進行右隧道(后行隧道)掘進，掌子面間距60 m。隧道掘進時主要施工步為移除開挖土體、激活盾殼和管片單元、施加掌子面壓力、施加掘進頂推力和激活注漿等代層等。

(a)整體模型 (b)盾構隧道圖2 計算模型

模型上部邊界設置自由邊界，下部邊界設置固定邊界。X和Y方向均設置位移約束，X方向設置繞Y軸和Z軸的轉動約束，Z方向設置繞X軸和Y軸的轉動約束。

2.2 參數的確定

土體選用M-C本構模型，混凝土地表選用彈性材料；盾體、盾殼、管片和注漿層選用彈性材料，具體計算參數見表1。盾構機直徑6.28 m，主機長度10.8 m，厚度0.3 m，幅寬1.5 m。

表1 數值模型材料計算參數

2.3 測點布置

沿掘進方向間隔15 m布置A，B，C三個監測斷面，位置如圖3(a)所示；監測斷面B測點布置如圖3(b)所示，b12、b22、b32和b42測點位于隧道中軸線上。

3 計算結果與分析

本文通過先行隧道與后行隧道監測截面B隧道中軸線上各測點數據進行土體分層沉降分析；以隧道掘進掌子面距監測斷面B前15 m(-15 m)、前9 m(-9 m)、監測斷面處(0)、后9 m(9 m)和后15 m(15 m)五個時間點進行土體橫向分層沉降分析。

(a)監測斷面 (b)監測斷面B測點圖3 監測斷面與測點布置

3.1 注漿量

模型中通過改變注漿等代層彈性模量對注漿量進行量化處理。工況參數：隧道埋深16.6 m，土倉壓力86 kPa，注漿壓力120 kPa，通過將模型注漿等代層彈性模量分別設置為1.2 MPa、5 MPa和10 MPa研究隧道掘進時注漿量對土體變形的影響。

3.1.1 土體分層沉降

提取數值模型監測截面B隧道中軸線上各測點的位移，繪制不同注漿量土體沉降曲線，見圖4、圖5。可知，先行隧道和后行隧道掘進過程中監測斷面B不同深度監測點的沉降曲線變化規律相似，即測點的沉降值隨著盾構機掘進距離的增加而增大，但掘進過程中沉降趨勢不同。當盾構機掘進30 m掌子面達到監測斷面B時，b42測點沉降曲線斜率最大，即受盾構掘進影響最大，分析認為盾構掘進對測點的沉降影響隨著測點深度的增加而增大，即土體距掘進隧道豎直距離越近，受盾構掘進影響越大。對比不同注漿量下監測斷面相同位置測點的沉降曲線可知，隨著注漿量的增加，在一定程度上能控制隧道周邊一定范圍內的沉降，對隧道附近的第四層監測點沉降值的影響較為明顯。

圖4 不同注漿量先行隧道監測斷面沉降曲線

圖5 不同注漿量后行隧道監測斷面沉降曲線

對比先行隧道與后行隧道可知，盾構掘進對后行隧道監測點造成的沉降明顯大于對先行隧道監測點的沉降，分析認為先行隧道掘進過程中會對后行隧道范圍內的土體產生擾動，而后行隧道掘進后，這部分土體再次受到擾動。當盾構機掘進到監測斷面B附近時，后行隧道測點b42出現了“上凸”狀的沉降曲線，分析認為可能是由于盾構機掘進過程中擠壓周圍土體，產生“上升”趨勢，盾構通過之后，擠壓移除，又產生更大的沉降。

3.1.2 土體橫向分層沉降

提取數值模型監測截面B不同時刻的位移，繪制不同注漿量土體橫向沉降曲線，見圖6、圖7。可知，先行隧道和后行隧道掘進過程中監測斷面不同時刻橫向沉降曲線變化規律相似，即沉降曲線呈現凹槽形，先行隧道整體沉降偏向先行隧道，各時刻沉降最大位置出現在先行隧道附近；后行隧道整體沉降偏向后行隧道，各時刻沉降最大位置出現在后行隧道附近。盾構機在監測斷面B前后9 m范圍內掘進時，橫向分層沉降受掘進施工影響較大。不同注漿量隧道監測斷面同一時刻橫向沉降數值變化不大。

圖6 不同注漿量先行隧道監測斷面橫向沉降曲線

圖7 不同注漿量后行行隧道監測面橫向沉降曲線

對比先行隧道與后行隧道可知，盾構掘進對后行隧道土體監測點造成的沉降明顯大于對先行隧道土體監測點的沉降，分析認為先行隧道掘進過程中也會對后行隧道范圍內的土體產生擾動，后行隧道掘進后，這部分土體再次受到擾動，故后行隧道沉降值偏大。

3.2 掘進速率

工況參數：隧道埋深44 m，土倉壓力86 kPa，注漿等代層彈性模量5 MPa，通過將掘進速率分別設置為6 m/d、7.5 m/d和9 m/d研究隧道掘進時掘進速率對土體沉降的影響。

3.2.1 土體分層沉降

提取數值模型監測截面B隧道中軸線上各測點的位移，繪制不同掘進速率土體沉降曲線，見圖8、圖9。可知，先行隧道和后行隧道掘進過程中監測斷面B不同深度測點的沉降曲線變化規律相似，即測點的沉降值隨著盾構機掘進距離的增加而增大，但掘進過程中沉降趨勢不同。當盾構機掘進30 m掌子面達到監測斷面B時，b42測點沉降曲線斜率最大，即受盾構掘進影響最大，分析認為盾構掘進對土體的沉降影響隨著測點深度的增加而增大，即距掘進隧道豎直距離越近，受盾構掘進影響越大。對比不同掘進速率下監測斷面相同位置測點的沉降曲線可知，隨著掘進速率的增加，隧道附近土體的分層沉降會隨著增大，分析認為盾構掘進速率增大會導致同步注漿不及時，盾尾空隙增大，故土體沉降增大。

對比先行隧道與后行隧道可知，盾構掘進對后行隧道監測點造成的沉降明顯大于對先行隧道監測點的沉降，分析認為先行隧道掘進過程中會對后行隧道范圍內的土體產生擾動，而后行隧道掘進后，這部分土體再次受到擾動。當盾構機掘進到監測斷面B附近時，后行隧道測點b41出現了“上凸”狀的沉降曲線，分析認為可能是由于盾構機掘進過程中擠壓周圍土體，產生“上升”趨勢，盾構通過后，擠壓移除，產生更大的沉降。

3.2.2 土體橫向分層沉降

提取數值模型監測截面B不同時刻的位移，繪制不同掘進速率土體橫向沉降曲線，見圖10、圖11。由上圖可知，先行隧道和后行隧道掘進過程中監測斷面不同時刻橫向沉降曲線變化規律相似，即沉降曲線呈現凹槽形，先行整體沉降偏向先行隧道，各時刻沉降最大位置出現在先行隧道附近；后行整體沉降偏向后行隧道，各時刻沉降最大位置出現在后行隧道附近。盾構機在監測斷面B前后9 m范圍內掘進時，橫向分層沉降受掘進施工影響較大。

對比先行隧道與后行隧道可知，盾構掘進對后行隧道監測點造成的沉降明顯大于對先行隧道監測點的沉降，分析認為先行隧道掘進過程中也會對后行隧道范圍內的土體產生擾動，后行隧道掘進后，這部分土體再次受到擾動，故后行隧道沉降值偏大。