盾構始發端單一凍結加固對地表變形影響三維數值模擬分析

夏琴，商兆濤 ，張紅彬，彭帥,2

（1.蕪湖市軌道（隧道）交通工程質量安全監督站，安徽 馬鞍山 243000；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

二十一世紀是地下工程的世紀，也是我國地下空間開發的高峰期[1-2]。隨著盾構法在越江隧道、城市地鐵隧道和市政公路隧道等工程中應用越來越多，盾構施工方法應用場景不斷拓展。在盾構隧道施工過程中，盾構機進出洞為施工的重要風險點。為保證施工安全，必須對端頭土體加固，以提高端頭土體強度，降低土體滲透性[3-6]。

人工凍結技術不但能夠顯著提高端頭土體強度，而且能夠做到充分止水，是比較理想的盾構隧道端頭加固技術[7-8]。隨著人工凍結技術在隧道建設中應用范圍不斷擴大，應用的土層條件越來越復雜。然而，人工凍結技術還有許多需要進一步研究的問題，如凍結加固效果評價，以及對凍融周圍環境的影響等。

本文以蕪湖過江隧道為依托，采用數值模擬方法，開展人工凍結技術對盾構隧道端頭土體加固效果進行分析，著重對凍融對地表沉降影響進行分析評價。研究結果有利于開展人工凍結技術對地表變形預測，有利于制定人工凍結技術監測標準和質量控制方法，有利于人工凍結技術在不同地區推廣應用。

2 工程背景

蕪湖城南過江隧道，為安徽省第一條過江隧道（有“皖江第一隧”之稱），位于安徽省蕪湖市長江皖江段“大拐彎”處，西起江北新城（蕪湖市鳩江區二壩鎮）緯一路，東至江南主城的大工山路，距離下游的長江大橋約9km，距離商合杭大橋約5.5km。此隧道為連接蕪湖市城南主城區和無為縣的重要市政功能過江通道。該區地勢平坦，江面寬約1.5km，見圖1。項目設計全長5.965km，其中，左線盾構隧道段長3957.77m，右線盾構隧道長3967.4m，道路等級為城市快速路，雙向六車道，設計時速80km/h，盾構隧道內徑為13.3m，外徑14.5m，環寬2m，車道高度4.5m，結構內凈寬12.75m，隧道最大縱坡4%；共分三層，上層為排煙通道，中層為行車道，下層為救援車道和管廊。

圖1 擬建蕪湖城南過江隧道位置示意圖

工作井端頭盾構隧道埋深約10.43m，地層自上而下依次為粉質粘土、淤泥質粉質粘土、粉砂、細砂。盾構始發井端頭加固采用凍結+三軸攪拌樁+高壓旋噴樁+800mm厚C15塑性止水墻的綜合加固措施，并設置應急降水井。與工作井相接處采用高壓旋噴樁封閉，并在靠近工作井側設置3m凍結加固區，三軸攪拌樁加固寬度為44.2m，加固深度為盾構隧道頂、底邊緣不小于5m的范圍，在攪拌樁與工作井地連墻接縫位置設置一排Φ850@600mm的旋噴樁，旋噴樁與地連墻及攪拌樁搭接不小于300mm。考慮止水效果，在靠近工作井側設置3m凍結加固區，凍結加固區為隧道上、左、右邊緣外不小于5m，下邊緣外不小于4m的范圍，沿隧道縱向厚度不小于3.0m。

3 三維數值模型建立

本文采用數值計算軟件建立計算模型，假定每層土都是均質、各向同性的。本項目主要研究凍結法加固效果，忽略土體凍脹對地層的影響。

3.1 計算模型

根據工程設計資料可知隧道外徑14.5m，內徑13.3m，兩隧道圓心間距21m。幾何模型豎直向尺寸取為4D+H，縱向尺寸取為5D+H，寬度尺寸取為5D，其中，D指盾構直徑，H為隧道中心埋深。則整個模型長151.5m，寬90m，高72.5m。隧道距右模型右邊界58m，也就是4倍隧道外徑；隧道距下邊界45m，也就是3倍外徑+1.5m；隧道距上邊界13m，此數值根據設計圖紙。以兩隧道圓心之間的中點為原點，建立出雙線隧道模型，數值計算模型如圖2所示。

圖2 三維數值計算模型

襯砌部分X方向網格數為2，單個單元長0.6m；Y方向網格數為90，單個單元長1m，全長90m；Z方向網格數為2，單個單元長0.6m。開挖部分X方向網格數為10，單個單元長1.33m，全長13.3m；Y方向網格數為90，單個單元長1m，全長90m；Z方向網格數為10，單個單元長1.33m，全長13.3m。圍巖部分的單元的尺寸是X方向長0.625m，Y方向長1.00m，Z方向長1.15m。整個模型單元總數量為816480。

3.2 模型參數及邊界條件

結合室內實驗、現場原位實驗和數值計算結果理論分析，模型各土層物理力學參數如下表所示。

采用固定邊界條件，沿隧道縱向前后兩個截面土體沿Y向位移固定，左右截面土體X向位移固定，模型的上部邊界取為自由面，下部邊界X、Y和Z向位移固定。采用摩爾庫倫本構模型。

在地表沿隧道軸線方向每隔2m設置1個位移監測點，共計設置9個監測點，以觀測地表變形。其中第一個監測點位于洞門拱頂垂直對應的地表。

本文先生成自重應力場，而后模擬右線隧道洞門鑿除過程地表變形，在此基礎研究采用凍結法加固始發端后分析洞門和地表變形情況，以此分析人工凍結技術加固效果和對地表的影響。

4 結果分析

對模型賦參數后，生成自重應力場，如圖3所示。

圖3 自重應力場

對右線隧道洞門鑿除后，地表監測點Z向位移如圖4所示。從圖中可知，在地表沿軸線方向均發生沉降。隨著距洞口距離減小，沉降值逐漸增大，最大值為172cm。由此可知，洞門鑿除地表發生較大沉降。

圖4 洞門鑿除地表監測點Z向位移（端頭土體未加固）單位：m

按照實際設計參數對端頭土體進行加固，凍結加固體長度為44.2m，寬度為3m，高度為24.221m。加固土體緊靠工作井處地下連續墻，距地表的距離為4.68m。對端頭加固后，鑿除洞門，地表監測點Z向位移如圖5所示。從圖中可知，隨著監測點到隧道洞口距離減小，地表沉降逐漸增大。監測點沉降值最大，達21.6cm。

圖4 洞門鑿除地表監測點Z向位移（端頭土體已加固）單位：m

與端頭土體未加固工況相比，人工凍結技術加固端頭顯著降低地表位移。這說明人工凍結技術加固盾構隧道端頭效果明顯，但是不能完全消除洞門鑿除對地表的影響。還需要和其他加固技術聯合使用，以降低洞門鑿除對地面變形的影響。

5 結論

數值計算中各土層物理力學參數

①對蕪湖過江隧道始發端頭未采用人工凍結加固時，地表最大沉降量為172cm；只采用人工凍結加固此端頭時，地表最大沉降量為21.6cm。

②人工凍結法加固盾構隧道端頭可以顯著降低地表沉降，但不能消除洞門鑿除對地表的影響。還需要和其他加固措施一起聯合使用，才能徹底降低對地表沉降影響。

本研究為蕪湖過江隧道端頭加固方式進一步研究提供基礎，為人工凍結技術在安徽推廣應用提供指導。