基于有限元盾構開倉開挖面穩定性及施工技術研究

張麗娟

(中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司 北京 101300)

1 前言

盾構法施工因其安全性高且對周邊環境影響較小，被廣泛應用于城市軌道交通施工。由于盾構掘進的地層圍巖差異較大，導致盾構在該地層施工中存在開倉較頻繁現象。為確保開倉時安全及盾構開倉開挖面穩定性，本文進行針對性研究。

針對盾構開倉及開挖面的穩定性，國內一些學者進行了相應研究[1－5]。程紅戰等[6]研究了土體抗剪強度指標與盾構開挖面的空間變異性；孟憲彪[7]指出盾構開挖面穩定是確保開倉的關鍵；顏超[8]對盾構開挖面失穩機理進行了研究，同時對引起開挖面失穩機理的因素進行了分類；代仲海等[9]基于極限平衡法，研究盾構近距離穿越隧道開挖面極限支護壓力變化模式，并對相關參數的敏感性進行驗證；汪琴[10]以MATLAB為平臺，利用二次開發開倉壓力上限值進行研究；宋洋等[11]采用有限元數值軟件MIDAS-GTS對盾構隧道開挖面的被動破壞過程進行模擬。

本文以廣州地鐵4號線塘—大區間盾構隧道為工程背景，對盾構開倉開挖面穩定及施工技術進行研究，為區域施工提供技術支撐。

2 工程概況

廣州地鐵4號線南延段塘—大盾構區間隧道工程雙線合計總長3 595.354 m，管片共2 392環。區間地層為典型上軟下硬復合地層，巖土層強度差異較大，局部中等、微風化巖侵入隧道中，單軸抗壓強度最高可達106 MPa，硬質巖段長度共計712.5 m。

3 有限元模型及工況選取

3.1 有限元模型構建

區間隧道直徑根據設計要求取D＝6 m，隧道埋深H(隧道中心到地表的垂直距離)為10 m。管片采用鋼筋混凝土，強度等級為C50，管片厚度為300 mm。相關地層的物理力學基本參數如表1所示。運用FLAC3D有限元軟件建立模型，模型如圖1所示。計算模型尺寸為(x方向)長64 m×(y方向)寬51 m×(z方向)高34 m。模型底部采用固定邊界，周圍采用法向約束邊界。

圖1 有限元計算模型

表1 地層基本物理力學參數

3.2 材料參數

有限元模型采用摩爾－庫侖本構模型，管片參數如表2所示。

表2 管片材料物理力學指標

3.3 工況選取

根據工程實際情況，本文擬選取兩種工況:工況1開倉加壓值選取2D/3處地下水壓力(從盾構頂部算起)；工況2開倉加壓值選取D/2處地下水壓力(從盾構頂部算起)，具體工況如表3所示。

表3 模擬工況下開倉加壓值

4 開挖面穩定性有限元計算結果與分析

4.1 開挖面破壞形式分析

由圖2a可知，區間隧道周邊地層的擾動范圍已發展到地表，盾構開挖面出現失穩破壞時，開挖面土體產生向盾構機擠壓趨勢，其破壞形態為“擠壓擴張型”，此種破壞型式主要出現在盾構開挖面下部，且在該位置產生變形最大值；工況2狀態下，盾構開挖面變形首先出現在其上部，且變形趨勢大于開挖面下部，其局部失穩概率較大，在此工況下產生失穩破壞時，其最終失穩形態為整體失穩破壞，破壞形態也表現為“擠壓擴張型”，如圖2b所示。

圖2 盾構開倉開挖面極限狀態時周圍土層變形

4.2 開挖面變形分析

由圖3可知，工況1狀態下，開挖面的變形隨著開挖面的支護應力比逐漸減小而增大，開挖面產生了面向盾構的“隆起”變形；工況2狀態下，盾構開倉后，開挖面下層為混合花崗巖強風化帶，上層為粉質黏土，導致盾構開倉開挖面上部水平變形明顯高于下部，開挖面最大水平位移發生在開挖面中心點上方約1 m處。

圖3 支護應力比與水平位移關系(極限狀態下)

4.3 盾構開倉開挖面前方地表沉降分析

為準確研究盾構開倉開挖面前方地表沉降與開倉狀態下氣壓支護力的普適性規律，沿盾構掘進方向在地表布置橫向、縱向沉降觀測點，具體如圖4所示。

圖4 觀測點布設

由圖5可知，工況1和工況2狀態下，在失穩破壞前及極限狀態時，地表的縱向沉降分布較為平緩，在盾構掘進方向前部約3 m處(即D/2，D為區間隧道直徑)產生最大沉降量。當支護應力比小于極限支護應力比時，開挖面前方地表沉降急劇增大，呈“U”型。

圖5 盾構開倉支護應力比與前方地表縱向沉降關系

由圖6可知，兩種工況條件下開挖面失穩破壞引起的地表沉降均呈V型分布，沉降槽呈現出一個倒錐體，沉降槽寬度均約為2D。工況1在極限狀態時開挖面前方最大地表沉降約為30 mm，工況2在極限狀態時開挖面前方最大地表沉降小于30 mm，可滿足盾構施工地表沉降控制要求。

圖6 盾構開倉支護應力比與前方地表橫向沉降關系

5 盾構開倉開挖面穩定控制技術

盾構開倉受區間周邊環境、工程地質、水文地質、施工能力等一系列因素影響，同時具備高風險、高費用、長周期特點。為確保盾構開倉順利完成，最關鍵一環是確保盾構開倉開挖面穩定，因此，需根據工程實際，設計合理的盾構開倉開挖面穩定施工方案，本文從以下幾個方面進行盾構開倉開挖面穩定及施工技術研究。

5.1 盾構開倉刀盤后止水措施

為降低盾構開倉期間地下水侵入影響，首先對區間盾構開倉部位進行地表加固，然后再進行區間隧道二次注漿，以提高止水效果。

(1)在盾構開倉期間，利用盾構外殼預留孔采用高壓注漿方式向盾構周邊注入1.10～1.15 g/cm3高粘度漿液，以免漿液流失。

(2)為避免二次注漿漿液流失影響盾尾刷，確保盾尾刷在盾構開倉后繼續掘進時的可靠度，提高盾尾止水效果，向該部位注入部分油脂。

(3)盾構開倉后，在離開盾尾第2環管片位置，在管片上部吊裝孔處進行高壓雙液注漿，注漿壓力高出同步注漿0.4～0.8 bar。注漿完畢后，連通盾尾后第1環管片，注漿孔中無明顯漿液滲漏，則符合要求。

5.2 開挖面泥膜質量控制

泥膜質量對維持盾構開倉開挖面穩定具有重要作用，本文根據工程實際地質條件與區間周邊環境，施工中遵循“高稠度、高密閉、低比重、易成膜”的原則，并調整泥漿參數，同時對所選泥漿材料進行優化。為確保盾構開倉開挖面泥漿成膜質量，采取“勤檢測、重調整”的措施，及時將檢測結果通過試驗應用于工程實際。

5.3 盾構開倉期間監測措施

根據工籌計劃，提前確定盾構開倉位置，多采取主動開倉方式。編制盾構開倉期間專項監測方案。監測點布置于盾構開倉開挖面前后部位。采取加密監測頻率方式，周邊地表監測頻率為8次/d。如監測數據發生突變，則在分析數據基礎上，還需增加開挖面相應監測。特殊情況時，需終止開倉，待情況穩定且提出合理施工措施后再繼續開倉。

6 異常工況處理

6.1 盾構開倉前土壓異常處治措施

盾構開倉前，確保盾構出土量控制在12 m3(2/3斗)內，同時通過盾構刀盤充高氣壓來確保渣土出土過程中土倉壓力正常。如發現土倉壓力不穩定時，應暫停出土，待通過工程措施確保土倉壓力穩定后可進行后續施工。

6.2 盾構開倉前地層含水量較大時的處治措施

盾構開倉前，通過土工試驗及超前預報，探明盾構開倉開挖面前部地層含水量，并根據含水量情況制定相應的應急預案。如含水量超出預報，則可通過盾構土倉內置排水閥確定艙內水位。

6.3 盾構開倉維護期間產生異常的處治措施

盾構開倉維護期間，應安排專人監測盾構開倉開挖面土層的穩定，如出現管涌、塌方等地質災害預兆時，要立刻暫停施工，人員全部撤離，待處理完成相關危險源后，恢復盾構掘進。

6.4 盾構開倉開挖面周邊環境產生異常的處治措施

盾構開倉期間，根據工程實際制定專項監測方案，根據實際監測數據動態調整施工方案。當出現重大危險源時，應根據應急預案立即采取處治措施，同時應加強與盾構隊伍溝通，通過恢復掘進、同步注漿重建土倉壓力，延緩地層沉降，待危險源消除，確保地層穩定后再開始下一步施工。

7 工程效果

廣州地鐵四號線南延段塘—大盾構區間隧道地層復雜，存在基巖凸起軟硬不均地層。復雜地層條件引起盾構刀具損耗增大，根據工程實際工籌安排，需進行多次開倉換刀及維護工作。本工程實際施工過程中共進行11次開倉作業，開倉開挖面穩定，均順利完成相應作業，具體開倉情況如表4所示。

表4 區間上下行線盾構開倉情況

本工程采取盾構開倉刀盤后止水措施，加強開挖面泥膜質量控制，同時制定盾構開倉專項監測方案，確保了本工程盾構開倉順利完成。

8 結束語

(1)本文基于有限元對開挖面破壞形式、開挖面變形和開挖面前方地表沉降三方面進行開挖面穩定性分析，并得到相應的規律。

(2)從盾構開倉刀盤后止水措施、開挖面泥膜質量控制和盾構開倉期間監測措施三方面對盾構開倉開挖面穩定控制技術進行研究，提出相應參數并將該方案應用于實際，取得良好效果。

(3)給出開挖面異常工況處理及施工安全事項等一系列盾構施工帶壓開倉特種作業技術措施，為大灣區盾構開倉開挖面穩定提供工程參考與借鑒。