軟土地層大直徑盾構(gòu)出洞段加固土體的數(shù)值分析

劉豐軍 ,閆兆強(qiáng) ,廖少明

(1.河南科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,河南洛陽 471003;2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南鄭州 450000;3.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092)

0 前言

盾構(gòu)出洞是指在盾構(gòu)機(jī)組裝完成后,放置在符合設(shè)計(jì)軸線的基座上,將盾構(gòu)機(jī)貫入出洞口進(jìn)入地層沿所定線路向前推進(jìn),直至盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入隧道,拆除洞口負(fù)環(huán)管片、反力架等輔助設(shè)施的一系列作業(yè)。盾構(gòu)推出預(yù)留工作井時(shí),必須鑿除或拆除封門,隨后刀盤切入土體,盾構(gòu)機(jī)逐步進(jìn)入待開挖土體。當(dāng)井壁封門拆除后,如封門后土體不能自立,這時(shí)井內(nèi)洞圈的密封裝置還不能阻擋洞外的土體,極易產(chǎn)生大量土體涌入工作井,造成洞口周圍大面積地表下沉,危及地下管線及附近建筑物;如在地下水位下出洞而不采取措施,井外泥水還將不斷從洞圈與盾構(gòu)或隧道之間的間隙涌入井內(nèi),導(dǎo)致工作井受淹。因此,對(duì)盾構(gòu)出洞段土體進(jìn)行加固,保證盾構(gòu)出洞時(shí)土體的穩(wěn)定性,是盾構(gòu)工法施工中必須解決的問題,尤其是大直徑盾構(gòu)出洞時(shí)該問題更為突出[1-4]。

當(dāng)前常用的土體加固技術(shù)有注漿法、凍結(jié)法、降水法、高壓旋噴樁、深層攪拌樁或SMW工法,以及一些不太常用的工法如雙重鋼板樁法、開挖回填法等。具體工程中,選擇何種土體加固技術(shù),需要結(jié)合場(chǎng)地情況、技術(shù)條件、工期、加固效果等要求進(jìn)行對(duì)比篩選[2-5]。

本文結(jié)合某軟土地層中的大直徑盾構(gòu)出洞段土體的加固方案,采用數(shù)值分析的方法研究采用不同加固技術(shù)時(shí)的土體穩(wěn)定性,為施工時(shí)土體加固技術(shù)的選擇提供參考。

1 工程概況

某長江隧道設(shè)計(jì)為雙管盾構(gòu)隧道,隧道總長度約 3 800m,其中盾構(gòu)段長度約為 2 992m,選用兩臺(tái)泥水加壓盾構(gòu)同向掘進(jìn),盾構(gòu)機(jī)直徑約 14.93m。該隧道使用泥水平衡盾構(gòu)推進(jìn),開洞直徑為 14.9 m,東線隧道工作井出洞中心標(biāo)高-6.258 m,西線隧道工作井出洞中心標(biāo)高-6.235 m,地面設(shè)計(jì)標(biāo)高+7.50 m,設(shè)計(jì)覆土厚度6.3m。

1.1 工程地質(zhì)

根據(jù)鉆孔柱狀圖資料,盾構(gòu)出洞口處土層有:2層填土、粘土,4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,6層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土,7-2層粉土,土質(zhì)不均,其滲透性一般較差。始發(fā)段各土層的參數(shù)如表1所示。

表1 各層土體的物理力學(xué)參數(shù)

1.2 土體加固方案

根據(jù)地質(zhì)情況盾構(gòu)出洞的土體加固有多種方案可以選擇,備選方案包括:凍結(jié)法、攪拌樁、攪拌樁SMW工法,土體加固范圍如圖1圖3所示。加固后的土體物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 加固土體參數(shù)

2 數(shù)值分析方法

本數(shù)值計(jì)算采用的軟件為大型通用有限元計(jì)算程序MSC.MARC,該軟件是功能齊全的高級(jí)非線性有限元分析程序,提供有適合巖土分析的多種線性和非線性復(fù)雜材料特性的材料模型。

2.1 土體本構(gòu)模型

在盾構(gòu)進(jìn)出洞施工三維有限元模擬過程中,土體的本構(gòu)模型選擇彈塑性模型是可行的。本分析選取的彈塑性模型為:Drucker-Prager模型。屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則[6]。

2.2 三維實(shí)體建模

(2)計(jì)算區(qū)域與邊界。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn),本模型的計(jì)算區(qū)域?yàn)?沿x軸(垂直推進(jìn)方向的水平向)對(duì)稱地取為5D(74.5 m);下部區(qū)域取為4D+H(74.5 m);沿z軸(盾構(gòu)推進(jìn)方向)長度取為5D+H(95 m)。其中:D為隧道開挖直徑;H為以隧道中心為基準(zhǔn)的隧道埋深[7-9]。

至于邊界條件,對(duì)于真三維問題,每一節(jié)點(diǎn)具有 3個(gè)單獨(dú)的自由度;針對(duì)上述計(jì)算范圍的確定情況,認(rèn)為沿隧道縱向前后兩個(gè)斷面土體在水平方向位移被限制,但可以發(fā)生垂直位移;模型左右對(duì)稱,故取一半分析,對(duì)稱面上沿橫斷面的水平位移被約束;另一側(cè)面所有水平位移被約束。

模型底部 3個(gè)自由度完全被約束,上部邊界為臨空面,為自由變化的平面,無自由度約束。

在試算時(shí),不考慮土體加固條件下,從地層變形來看,沿z軸(盾構(gòu)推進(jìn)方向)方向長度方向上的5D+H顯得稍小,在實(shí)際計(jì)算時(shí),進(jìn)一步加大至185m。

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),盾構(gòu)出洞過程中比較危險(xiǎn)的工況有兩個(gè):(1)封門打開,加固土體完全暴露,且盾構(gòu)機(jī)頭未靠上之前。(2)盾構(gòu)機(jī)機(jī)尾脫出連續(xù)墻或加固區(qū),因盾構(gòu)機(jī)下部支撐剛度發(fā)生變化以及盾構(gòu)機(jī)中心的移動(dòng),可能會(huì)引起局部下陷或盾構(gòu)機(jī)傾斜。

本研究主要針對(duì)第一個(gè)工況進(jìn)行,數(shù)值模擬分兩個(gè)荷載步進(jìn)行:(1)土體在重力作用下產(chǎn)生的初始應(yīng)力場(chǎng)。(2)模擬最危險(xiǎn)的施工步,即拆除封門之后,開挖面土體完全暴露,計(jì)算土體在初始應(yīng)力場(chǎng)作用下的變形及受力,在該荷載步下,刪除洞門處土體的垂直約束。對(duì) SMW工法加固方案,則補(bǔ)充計(jì)算鋼樁拔出工況。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同加固方案下地表沉降比較

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果,各加固方案條件下地表沉降如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出:沿盾構(gòu)推進(jìn)方向,由于各種方案的加固范圍和形式都有較大差別,所以沿該方向的地表沉降差別較大。其中,沉降較小的為凍結(jié)法,其次為攪拌樁和攪拌樁 SMW工法。沿該方向,在土體加固和未加固的交界處,由于土體性質(zhì)的突變,有較大的沉降差異,這于計(jì)算是采用連續(xù)介質(zhì)模型有關(guān),可以不予考慮。

由圖5可以看出:沿推進(jìn)的垂直方向,各種加固方案的加固范圍和形式差別不大,地表沉降的趨勢(shì)和數(shù)值均相差不大。由于該方向加固范圍較小,沉降較縱向稍大。

3.2 不同加固方案下洞門處土體水平位移比較

各加固方案條件下洞口處土體水平位移如圖6所示。由圖6可以看出:洞門打開后,洞門處土體有一定的水平位移,但數(shù)值均不大,加固措施發(fā)揮了較好的作用。另外,SMW工法在拔樁后,位移有顯著變化,以旋噴樁+SMW工法為最。在施工工程中應(yīng)特別注意此情況的出現(xiàn)。

3.3 不同加固方案下加固土體應(yīng)力比較

根據(jù)計(jì)算,各加固方案條件下,其關(guān)鍵控制應(yīng)力如表3所示。洞門處土體在封門打開和 SMW工法拔樁后的彎曲正應(yīng)力如圖7所示。

從表3和圖7可以看出:加固土體的彎曲抗拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均小于加固土體的彎曲抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度,滿足工程需要。

SMW工法在未拔樁時(shí)對(duì)洞門處土體的彎曲正應(yīng)力影響較大,拔樁后和其它方案的變化較為一致。

表3 各加固方案的控制應(yīng)力 kPa

4 結(jié)束語

(1)本文的分析表明:在軟土地層中的大直徑盾構(gòu)出洞時(shí)采用凍結(jié)法、攪拌樁、攪拌樁SMW工法加固地層是可行的。施工時(shí),可以結(jié)合工期、施工技術(shù)、周圍環(huán)境等條件選取使用的地層加固方法。

(2)數(shù)值分析方法雖然有一點(diǎn)的局限性,但對(duì)加固結(jié)果的分析可以給出其變化趨勢(shì)和相對(duì)的結(jié)果比較,可以為方案比選提供依據(jù)。

致謝:感謝上海隧道工程股份有限公司李向紅博士對(duì)本文的支持和幫助。

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