無含水層盾構(gòu)始發(fā)區(qū)加固土體穩(wěn)定性的有限元模擬——以蘇州地鐵某工程為例

胡俊，楊平，曾暉,2，謝大偉

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無含水層盾構(gòu)始發(fā)區(qū)加固土體穩(wěn)定性的有限元模擬——以蘇州地鐵某工程為例

胡俊1，楊平1，曾暉1,2，謝大偉3

（1. 南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 五邑大學(xué) 土木建筑學(xué)院，廣東 江門 529020；3. 上海鐵路局 南京橋工段，江蘇 南京 210015）

盾構(gòu)始發(fā)端頭土體加固時，如何保證加固土體的穩(wěn)定性是需要解決的關(guān)鍵問題. 結(jié)合蘇州地鐵某車站西端頭盾構(gòu)始發(fā)工程（無含水層），運(yùn)用通用有限元分析軟件在封門拆除這種最不利的工況下對該工程始發(fā)掘進(jìn)進(jìn)行了模擬分析. 由數(shù)值模擬知，當(dāng)縱向加固長度為3 m時，沿盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向土體向工作井內(nèi)移動，最大位移發(fā)生在暴露掌子面的中心處，達(dá)12.92 mm，封門上方地表土體變形最大，沉降約為3.0 mm，強(qiáng)加固區(qū)范圍內(nèi)土體受力均在設(shè)計(jì)強(qiáng)度范圍之內(nèi)，計(jì)算出安全系數(shù)分別為2.05、1.47和1.30；在無含水層的盾構(gòu)始發(fā)端頭，縱向加固長度為3 m時就可以在強(qiáng)度上滿足要求，且安全系數(shù)有富余.

盾構(gòu)始發(fā)；蘇州地鐵；加固土體穩(wěn)定性；有限元分析；無含水層

盾構(gòu)始發(fā)是指盾構(gòu)機(jī)從組裝調(diào)試到完全進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道并完成試掘進(jìn)為止的施工過程. 盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)隧道施工中的事故多發(fā)階段，存在著較大的施工風(fēng)險，選擇合理的端頭土體加固方式是需要解決的關(guān)鍵問題[1]. 盾構(gòu)始發(fā)端頭土體加固不僅有強(qiáng)度要求，還有抗?jié)B透性要求[2]，如何對盾構(gòu)始發(fā)區(qū)加固土體的穩(wěn)定性進(jìn)行評價，保證加固土體的強(qiáng)度和安全性，進(jìn)而確定土體加固的范圍，是盾構(gòu)隧道施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié). 本文運(yùn)用通用有限元分析軟件，結(jié)合蘇州地鐵某車站西端頭盾構(gòu)始發(fā)工程（無含水層）實(shí)例，在封門拆除這種最不利的工況下對該工程始發(fā)掘進(jìn)進(jìn)行了模擬分析.

1 端頭土體加固方式

盾構(gòu)始發(fā)之前要對端頭洞口地層的穩(wěn)定性進(jìn)行評價，如果進(jìn)洞地層在破除洞門后穩(wěn)定性不足，就必須對其進(jìn)行加固. 常用加固方式可分為化學(xué)加固方式和物理加固方式，端頭土體常用的加固方法有高壓旋噴法、水泥土深層攪拌法、素SMW 工法、人工凍結(jié)技術(shù)、降水法和注漿法等.

土體加固可以采用一種或者多種工法相結(jié)合的加固手段[3-4]. 在軟土地區(qū)，常用的加固方式有水泥土深層攪拌樁+高壓旋噴樁、素SMW工法樁（三軸攪拌樁）+高壓旋噴樁等. 如果地面環(huán)境不允許以上工法施工時，采用人工凍結(jié)技術(shù)可以達(dá)到很好的加固效果. 在砂層地區(qū)常用的加固方式有素SMW工法樁（三軸攪拌樁）+高壓旋噴樁+深井降水、高壓旋噴樁+深井降水等. 在遇到全斷面巖石地層時，無需進(jìn)行加固. 由于巖石地層多有裂隙發(fā)育，為封堵裂隙水，可采用分層注漿的加固方式[5].

2 工程背景

蘇州地鐵某車站西端頭盾構(gòu)隧道頂板、底板均位于⑤軟-流塑粉質(zhì)粘土層，即隧道只穿越⑤軟-流塑粉質(zhì)粘土層. 根據(jù)從蘇州地鐵施工處取土后所做的土工試驗(yàn)[6-7]，該車站西端頭土體部分物理力學(xué)參數(shù)列于表1.

根據(jù)工程類比及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，擬采用的加固方式：用φ850mm＠600mm三軸深層攪拌樁進(jìn)行端頭加固施工，攪拌樁與車站圍護(hù)連接部位相切并在接縫處采用單排φ800mm@600mm的雙重高壓旋噴樁進(jìn)行接縫處理，三軸攪拌加固均采用滿堂套打加固的方法進(jìn)行. 擬選加固范圍：始發(fā)端長3 m和盾構(gòu)外徑外側(cè)、底、頂部3.0 m范圍內(nèi)為強(qiáng)加固區(qū)，隧道頂部以上3.0 m至地面為弱加固區(qū).

表1 西端頭各土層主要物理力學(xué)參數(shù)

3 三維有限元數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型和參數(shù)選取

數(shù)值模擬計(jì)算中作如下假定：

1）假定地表面和各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布；

2）模型荷載考慮重力荷載，不考慮地面超載情況.

考慮到現(xiàn)場問題的對稱性，為了提高計(jì)算效率，本模型取一半模擬. 幾何模型尺寸：垂直距離為4+，縱向長度為5+，寬度方向?yàn)?. 其中，指盾構(gòu)縱向直徑，6.34 m；為隧道中心埋深，11.7 m；縱向長度×橫向?qū)挾取链怪本嚯x=43.4 m×31.7 m×37.06 m. 采用齊次邊界條件，隧道縱向前后兩個截面土體沿盾構(gòu)推進(jìn)方向的位移被約束，左右截面土體垂直于盾構(gòu)推進(jìn)方向的位移被約束，模型的上部邊界取為自由面，下部邊界取為固定邊界. 模型選取八節(jié)點(diǎn)六面體映像網(wǎng)格劃分格式，用莫爾-庫侖材料模擬各土層，不考慮剪切膨脹效應(yīng). 地層由上至下共分8層，各層土體的計(jì)算參數(shù)取用如表1所示，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)與查閱相關(guān)資料[8]，加固后土體的計(jì)算參數(shù)取用如表2所示.

表2 加固土體參數(shù)

3.2 模擬方法

利用通用有限元軟件對加固土體進(jìn)行位移場、應(yīng)力場分布情況的數(shù)值分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算. 本數(shù)值計(jì)算考慮盾構(gòu)始發(fā)最不利的情況，即洞口封門全部破碎，完全由加固土體承受其后土體壓力. 若在此情況下加固土體滿足強(qiáng)度要求，則實(shí)際情況下的強(qiáng)度即可得到保證.

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 位移場

圖1為拆除封門之后地層的縱向（軸）、橫向（軸）和豎向（軸）的位移云圖. 從圖1可以看出：封門拆除之后，土體在縱向（軸）向工作井內(nèi)移動，最大位移發(fā)生在暴露掌子面的中心處，達(dá)到12.92mm. 從形狀上看，強(qiáng)加固區(qū)土體的變形趨于板塊受壓變形. 地層的橫向（軸）位移在暴露的掌子面處，并且在開挖面斜下角9 m范圍內(nèi)有較大變形，影響范圍也較廣，該位置處的土體在軸方向上有滑移錯動.軸方向的位移影響范圍比較廣，掌子面對應(yīng)的地表最大沉降值約為3.0 mm，地表沉降的影響半徑達(dá)到20 m左右. 掌子面下端土體有上浮，最大上浮量為1.1 mm.

圖1 拆除封門之后地層的位移云圖

4.2 應(yīng)力場

圖2 拆除封門之后加固土體的拉（壓）應(yīng)力云圖

圖3 拆除封門之后加固土體的剪應(yīng)力云圖

表3 拆除封門之后加固區(qū)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.3 地表位移

圖4為隧道橫向、縱向不同位置縱剖面地面沉降曲線，可以看出：在封門拆除之后，加固土體正上方的地面發(fā)生沉降位移，形狀為漏斗型，封門上方地表土體變形最大，沉降約為3.0 mm.

圖4 拆除封門之后隧道不同位置縱剖面地面沉降曲線

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，從位移場和應(yīng)力場出發(fā)，在無含水層的盾構(gòu)始發(fā)端頭，縱向加固長度為3 m時就可以在強(qiáng)度和變形上滿足要求，且安全系數(shù)有富余. 但是，當(dāng)盾構(gòu)始發(fā)端頭有富含水層（特別是含水砂層）時，受止水性要求的控制，此種情況盾構(gòu)始發(fā)時的縱向加固長度應(yīng)為盾構(gòu)主機(jī)長度加上1.5～2.0 m的止水厚度.

5 結(jié)語

本實(shí)例工程盾構(gòu)始發(fā)端頭采用三軸深層攪拌樁+高壓旋噴樁的加固方式，加固范圍取為始發(fā)端長3 m和盾構(gòu)外徑外側(cè)、底、頂部3.0 m范圍內(nèi)為強(qiáng)加固區(qū)，隧道頂部以上3.0 m至地面為弱加固區(qū). 在實(shí)際施工過程中正如數(shù)值模擬結(jié)果一樣，形成了良好的始發(fā)端加固區(qū)，封門拆除后，端頭地層自立性和穩(wěn)定性較好，確保了盾構(gòu)順利完成始發(fā).

實(shí)踐證明，在無含水層的盾構(gòu)始發(fā)端頭采用三軸深層攪拌樁+高壓旋噴樁的加固方式時，能夠形成自立性和穩(wěn)定性較好的加固區(qū). 采用上述加固范圍時，加固區(qū)能夠起到很好的穩(wěn)定地層作用；該加固工法能夠保證無含水層盾構(gòu)始發(fā)時的安全性和經(jīng)濟(jì)性.

[1]胡俊，楊平，董朝文，等. 盾構(gòu)始發(fā)端頭化學(xué)加固范圍及加固工藝研究[J]. 鐵道建筑，2010, 15(2): 47-51.

[2]胡俊，楊平，董朝文，等. 蘇州地鐵一號線盾構(gòu)隧道端頭加固方式現(xiàn)場調(diào)查研究[J]. 鐵道建筑，2010, 15(11): 32-35.

[3]HU Jun, YANG Ping, DONG Zhaowen, et al. Study on numerical simulation of cup-shaped horizontal freezing reinforcement project near shield launching[C]//International Workshop on Architecture, Civil and Environmental Engineering, 2011: 5522-5525.

[4]ZENG Hui, HU Jun, YANG Ping. A numerical simulation study on the chemical reinforcement area at shield start shaft[C]//International Workshop on Architecture, Civil and Environmental Engineering, 2011: 29-34.

[5]曾暉，楊平，胡俊. 特殊地層下盾構(gòu)始發(fā)端頭加固技術(shù)實(shí)例研究[J]. 鐵道建筑，2011, 16(2): 79-81.

[6]胡俊，邵光輝，朱春峰. 海相粘土室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)研究[J]. 路基工程，2008, 25(6): 160-162.

[7]胡俊，光輝，朱春峰，等. 海相軟土三軸流變試驗(yàn)研究[J]. 西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008, 27(3): 89-91.

[8]岳戈，陳權(quán)，王麗娟，等. ADINA應(yīng)用基礎(chǔ)與實(shí)例詳解[M]. 北京：人民交通出版社，2008: 211-224.

A Finite-element Numerical Simulation Study of the Reinforced Soil Stability ofAquifer-free Shield Starting Zone

HUJun1, YANGPing1, ZENGHui1,2, XIEDa-wei3

(1. College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2. School of Civil Engineering and Architecture, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;3. Nanjing Section of Shanghai Railway Bureau, Nanjing 210015, China)

Shield starting is an accident-frequent phase in the construction of shield tunnel and ensuring the stability of reinforced soil in this phase is a key and urgent problem. In this paper, first, frequently-adopted methods for reinforcing the soil at the shield tunnel ends were summarized, then by combining the case of shield launching project (aquifer-free) of one station’s west end in Suzhou Subway, a numerical simulation program was applied to conduct simulation analysis of reinforced areas at shield starting shafts under the most unfavorable construction condition—with the sealed door removed. According to numerical simulations, when the longitudinal reinforcement length reaches 3 m, the soil shall move towards the working well in the tunneling direction of the shield tunnel, and the maximum displacement occurs in the center of exposed tunnel face, up to 12.92 m. Surface soil above the sealed door becomes deformed most, settling by approximately 3.0 m and soil within the strong reinforcement area is stressed within designed strength range, and the safety factor is 2.05, 1.47 and 1.30 respectively. At the shield starting shaft which is aquifer-free, if the longitudinal reinforcement length reaches 3 m, requirements in both strength and deformation can be met.

shield launching; Suzhou Subway; stability of reinforced soil; finite element analysis; aquifer-free

1006-7302（2012）01-0031-06

TU432；U455

A

2011-10-14

蘇州市科技局蘇州軌道交通專項(xiàng)課題（zxj0802）

胡?。?983—），男，四川樂山人，在讀博士生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境巖土與地下工程.