電力盾構(gòu)隧道端頭加固范圍計(jì)算及始發(fā)模擬

裴書鋒，李倩倩，郭 朝，黃明利

(1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，鄭州 450006;2.西安理工大學(xué)巖土所，西安 710048;3.北京交通大學(xué)土建學(xué)院，北京 100044)

0 引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，各種市政管線建設(shè)方興未艾。盾構(gòu)法由于具有地層適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)械化程度高、對周圍環(huán)境影響小、施工精度高和耐久性強(qiáng)等優(yōu)勢，在市政管線建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。北京地區(qū)采用盾構(gòu)法先后修建了亮馬河北路、壩河、清河及涼水河污水截流管線工程，同時(shí)也在電力、上水和熱力管道中逐漸得到應(yīng)用。

盾構(gòu)法相比其他工法雖然具有較大的優(yōu)勢，但是盾構(gòu)的始發(fā)和到達(dá)容易發(fā)生事故，特別是在有水地層，易引起滲流破壞，地表下沉嚴(yán)重導(dǎo)致始發(fā)失敗，主要原因通常是洞門端頭土體加固范圍不足［1］。為了保證北京市昌平區(qū)順于路西延電力隧道始發(fā)和到達(dá)安全，采用已有理論模型計(jì)算端頭加固范圍。通過理論計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)加固范圍的對比，考慮安全性，并且當(dāng)設(shè)計(jì)范圍小于理論值時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。

1 工程概況

北京市昌平區(qū)順于路西延電力隧道穿越溫榆河段，為保證河道安全，采用盾構(gòu)法施工。隧道覆土厚度6.4～13.5 m。電力隧道采用C50、P10鋼筋混凝土管片，內(nèi)徑3.0 m，管片厚250 mm，環(huán)寬1.0 m。盾構(gòu)始發(fā)井平面凈空尺寸為6.0 m×30.0 m，井深約19.55 m;接收井平面凈空尺寸為5.0 m×10.5 m，井深約15.5 m。

該段地層為厚度不大人工堆積的雜填土、素填土，人工堆積層以下為新近沉積土層、一般第四紀(jì)沖洪積成因的黏性土、砂土交互沉積層，顆粒較細(xì)，成層性較好。存在2層地下潛水，第1層潛水在始發(fā)端附近埋深0.2～2.5 m，在到達(dá)端附近埋深4.2～4.6 m;第2層潛水在始發(fā)端埋深14.0～15.5 m，到達(dá)端13.5～14.0 m。

2 端頭加固范圍理論計(jì)算

2.1 理論模型

2.1.1 縱向加固長度

在計(jì)算端頭縱向加固長度方面依據(jù)的主要理論有彈性薄板理論和滑移失穩(wěn)理論。彈性薄板理論和滑移失穩(wěn)理論分別滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。彈性薄板有圓形和矩形2種，其中圓形薄板模型在端頭加固范圍計(jì)算中應(yīng)用較為普遍，具體又可分為均布荷載計(jì)算模型和均布荷載加反三角對稱荷載2種處理方法，其中當(dāng)隧道直徑小于10 m時(shí)，2種計(jì)算方法結(jié)果差別不大［2-3］，本文采用前者，均布荷載模型如圖1所示。

圖1 均布荷載計(jì)算模型Fig.1 Uniform load calculation model

1)按照均布荷載模型計(jì)算得到的強(qiáng)度驗(yàn)算公式和最小縱向加固長度

式中:D為工作井洞門直徑;t為縱向加固范圍;p為作用于洞門中心處的側(cè)向水土壓力，對于砂性土，水壓力和土壓力分別計(jì)算，對于黏性土，采用水土合算，土壓力按靜止土壓力考慮;μ為加固土體的泊松比;σt為加固土體的極限抗拉強(qiáng)度，一般可取極限抗壓強(qiáng)度的10%，即σt=qu/10;τc為加固土體的極限抗剪強(qiáng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，τc=qu/6;k1，k2為安全系數(shù)，一般取1.5。

2)日本JET GROUT協(xié)會(huì)(JJGA)規(guī)范采用的縱向加固長度

式中:安全系數(shù)K0取1.5～2.0，計(jì)算系數(shù)β取1.2，其他符號意義同前。

在黏土地層中的理想整體滑移理論認(rèn)為加固土體在地面超載p和上部土體共同作用下可能沿某滑動(dòng)面向洞內(nèi)整體滑動(dòng)，假定滑動(dòng)面下部是以端墻洞門外頂點(diǎn)為圓心、洞門直徑為半徑的圓弧面［4-5］，整體滑移模型如圖2所示。

圖2 黏土理想化滑移模型Fig.2 Idealized sliding model of clay

3)采用理想整體滑移失穩(wěn)理論求得的端頭縱向加固長度

式中:M為滑動(dòng)力矩;Md為抗滑力矩;Δc為改良后土體增加的黏聚力;K為抗滑安全系數(shù);θ為加固土體與滑移面的夾角;γt為隧道范圍內(nèi)土體重度。

2.1.2 橫向加固范圍

端頭加固的橫向加固范圍主要是考慮破除洞門和圍護(hù)結(jié)構(gòu)后對洞周土體的擾動(dòng)范圍，理論依據(jù)是土體擾動(dòng)的極限平衡理論。橫向加固范圍要大于擾動(dòng)范圍(塑性圈)才能保證橫向穩(wěn)定［6］。土體擾動(dòng)下的塑性圈和橫向加固范圍如圖3所示。

式中k為加固安全系數(shù)。

圖3 塑性圈與橫向加固范圍Fig. Plasticized ring and transverse reinforcement scope

2.1.3 滲透性和盾構(gòu)幾何特征要求

在盾構(gòu)有水始發(fā)和到達(dá)時(shí)，將理論計(jì)算的縱向加固長度與盾構(gòu)主機(jī)長度加上1.5～2 m做比較，取大者作為縱向加固長度［7］。同時(shí)根據(jù)盾構(gòu)本身尺寸要求，最小的橫向加固范圍見表1。

表1 橫向加固范圍最小厚度Table 1 Minimum thickness of transverse reinforcement scope m

2.2 盾構(gòu)始發(fā)端和到達(dá)端土層參數(shù)

始發(fā)端隧道埋深為14.1 m，到達(dá)端隧道埋深為11.85 m。始發(fā)端和到達(dá)端地表到隧道底各層土層參數(shù)如表2和表3所示。

2.3 理論計(jì)算范圍

2.3.1 縱向加固長度

考慮以往工程實(shí)例的加固經(jīng)驗(yàn)，加固區(qū)土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于1.0 MPa，所以加固土體容許抗剪強(qiáng)度可取0.17 MPa，容許抗彎拉強(qiáng)度取0.1 MPa。由于黏土層的隔水作用，不考慮第1層潛水在隧道洞門處產(chǎn)生的側(cè)壓力，在始發(fā)端第2層潛水，比隧道底高2.15 m，且下部為中砂層，在始發(fā)端考慮第2層潛水產(chǎn)生的側(cè)向水壓力。按照不同理論模型計(jì)算得到的始發(fā)端和到達(dá)端縱向加固長度如表4所示。

表2 始發(fā)端端頭土體參數(shù)Table 2 Parameters of end soil of shield launching

表3 到達(dá)端端頭土體參數(shù)Table 3 Parameters of end soil of shield arrival

表4 始發(fā)端和到達(dá)端縱向加固長度理論計(jì)算值Table 4 Theoretical calculation values of longitudinal reinforcement length of shield launching and shield arrival m

考慮土體滲透性要求，始發(fā)端按有水始發(fā)考慮，盾構(gòu)主機(jī)身長3 m，始發(fā)端加固長度宜取4.5 m。到達(dá)端地層以粉土和黏土為主，滲透性較小，到達(dá)端加固長度宜取3 m。

2.3.2 橫向加固范圍

隧道開挖后，圍巖形成一個(gè)塑性松動(dòng)圈，土體松動(dòng)圈半徑［6］

式中:σm為土體邊界應(yīng)力，取隧道中心處土體垂直應(yīng)力。

始發(fā)端和到達(dá)端圍巖松動(dòng)圈半徑、隧道上下側(cè)加固范圍和左右側(cè)加固范圍理論計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 始發(fā)端和到達(dá)端橫向加固范圍Table 5 Transverse reinforcement scope of shield launching and shield arrival m

考慮盾構(gòu)機(jī)身幾何尺寸要求，本工程隧道左右側(cè)加固厚度取1.5 m，隧道上部加固范圍取2.0 m，下部加固范圍取1.0 m?？紤]到始發(fā)端有砂層，下部加固范圍可增大為1.5 m。

3 設(shè)計(jì)加固范圍始發(fā)模擬

土體采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，加固體參數(shù)參照已有工程實(shí)例取值。為了模擬計(jì)算方便，在縱向加固范圍內(nèi)未加固土體按均質(zhì)土體計(jì)算，土體參數(shù)為各層土的加權(quán)平均值。模擬計(jì)算各層土體參數(shù)見表6。土體網(wǎng)格劃分見圖4。管片、盾構(gòu)以及注漿層視為彈性體，參數(shù)如表7所示。

表6 模擬計(jì)算各層土體參數(shù)Table 6 Soil parameters for simulation

圖4 各層土體網(wǎng)格劃分Fig.4 Gridding of soil layers

表7 管片、盾構(gòu)及注漿層參數(shù)Table 7 Parameters of segments，shield machine and grouting layer

模型尺寸長度方向上取10D，隧道左右兩側(cè)各取5D，隧道下側(cè)取4D，上側(cè)取到地表。4個(gè)側(cè)面邊界約束水平位移，上部邊界取自由面，下部邊界取固定邊界，整個(gè)模型允許有豎向位移。

模擬危險(xiǎn)工況如下:

1)洞門打開，隧道范圍內(nèi)加固土體暴露，盾構(gòu)刀盤未頂上加固土體之前，此時(shí)隧道掌子面沒有支撐力，本過程采取解除洞門約束實(shí)現(xiàn)。

2)盾構(gòu)刀盤頂上加固土體，此時(shí)土體會(huì)有較大變形。掘進(jìn)過程同時(shí)施加盾殼支護(hù)，掌子面施加土倉壓力0.1 MPa。

3)盾尾脫出加固區(qū)，因盾構(gòu)下部支撐剛度發(fā)生變化，可能會(huì)引起盾構(gòu)向下傾斜，發(fā)生“磕頭”現(xiàn)象。本步掘進(jìn)9 m，除施加土倉壓力和3 m盾殼支護(hù)外，施加6環(huán)管片及6 m注漿層。

3.1 打開洞門

打開洞門時(shí)土體豎向位移和縱向位移剖分圖如圖5所示。加固區(qū)第一主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別見圖6和圖7。

圖5 土體位移剖分云圖(單位:m)Fig.5 Subdivision cloud of soil displacement(m)

從圖5可見，打開洞門時(shí)，地表最大沉降為2.4 mm，洞門處最大縱向位移3.2 mm，土體變形較小，應(yīng)力釋放的影響范圍不大，土體變形沒有出現(xiàn)整體滑移趨勢。

從圖6可見，由于隧道埋深較大，加固體受到的側(cè)向土壓力較大，加固體上部范圍仍舊存在一定程度的拉應(yīng)力，不過范圍較小，整個(gè)加固體多數(shù)區(qū)域仍處于受壓狀態(tài)，拉應(yīng)力最大值為0.046 MPa，小于假定的設(shè)計(jì)抗彎拉強(qiáng)度0.1 MPa。最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在XY方向拱腰部位，為 0.11 MPa，小于假定設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度0.17 MPa。

3.2 盾構(gòu)到達(dá)加固體端部

盾構(gòu)到達(dá)加固體端部時(shí)土體豎向位移和縱向位移剖分圖見圖8。

當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)加固體端部時(shí)，拱頂沉降最大值為3.4 mm，地表沉降最大值2.8 mm，仰拱部位最大隆起6 mm，掌子面最大縱向位移為2.7 mm，各項(xiàng)模擬值都小于設(shè)計(jì)容許值。但在從加固土體過渡到原狀土體時(shí)，應(yīng)盡量減少對土體擾動(dòng)。

3.3 盾尾離開加固區(qū)

盾尾離開加固區(qū)時(shí)土體豎向位移剖分圖見圖9。

從圖9可見，盾構(gòu)刀盤和盾尾處土體豎直位移相差約4 mm，向下的傾斜率4/4 000=0.1%，傾斜角度較小，盾構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)明顯的“磕頭”現(xiàn)象，始發(fā)總體安全。

當(dāng)盾尾離開加固區(qū)時(shí)，盾構(gòu)已逐漸進(jìn)入到了正常掘進(jìn)狀態(tài)，拱頂沉降和仰拱隆起較大值均集中在加固體及加固體向原狀土體過渡范圍，原狀土體段拱頂沉降與仰拱隆起量均較小，這也證明了盾構(gòu)始發(fā)是施工過程中危險(xiǎn)的工況。

4 結(jié)論與討論

1)按照理論公式和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算了順于路電力隧道始發(fā)端和到達(dá)端理論加固范圍，始發(fā)端縱向加固長度取4.5 m，橫向加固范圍分別為隧道左右側(cè)1.5 m，上部為2.0 m，下部為1.5 m;到達(dá)端縱向加固長度取3 m，橫向加固范圍為隧道左右側(cè)1.5 m，上部為2.0 m，下部為1.0 m。

2)對加固設(shè)計(jì)范圍進(jìn)行始發(fā)安全性分析，打開洞門時(shí)，地表沉降和土體縱向位移最大值分別為2.4 mm和3.2 mm，總體較小。加固體最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別為0.046 MPa和0.11 MPa，分別小于假定抗彎拉強(qiáng)度0.1 MPa和抗剪強(qiáng)度0.17 MPa。盾構(gòu)掘進(jìn)到加固體端部時(shí)，拱頂沉降最大為3.2 mm，仰拱隆起最大為6.0 mm，地表沉降最大為2.8 mm，掌子面最大縱向位移為2.7 mm，分別小于相應(yīng)容許值。盾構(gòu)從加固區(qū)進(jìn)入正常區(qū)段時(shí)，應(yīng)盡量減少對土體的擾動(dòng)。當(dāng)盾尾離開加固體時(shí)，盾構(gòu)刀盤和盾尾處土體豎直位移相差約4 mm，向下傾斜率為0.1%，盾構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)明顯的磕頭現(xiàn)象。盾構(gòu)始發(fā)較為安全。

3)隧道覆跨比較大(約為4)，沒有出現(xiàn)整體滑移趨勢，所以滑移理論只適用于覆跨比較小的隧道。

4)對盾構(gòu)始發(fā)過程進(jìn)行較為真實(shí)的模擬，有利于節(jié)約縱向加固長度，具有較大經(jīng)濟(jì)意義。

5)端頭加固范圍隨埋深和土質(zhì)應(yīng)該有一定的變化規(guī)律，在這方面應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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