盾構(gòu)始發(fā)端頭縱向土體加固范圍的分析

李 博， 席培勝， 齊天龍， 嚴 峻

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

盾構(gòu)始發(fā)是指利用反力架和臨時組裝的負環(huán)管片等設(shè)備，將處于始發(fā)基座上拼裝調(diào)試完成的盾構(gòu)推入已加固的端頭土體中，開始沿著預(yù)先設(shè)計的線路進行掘進的一系列過程。盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)施工中最容易發(fā)生事故的工序之一，存在著較大的風(fēng)險［1］。盾構(gòu)始發(fā)端頭土體加固的不確定性又是事故頻發(fā)的主要原因?，F(xiàn)階段國內(nèi)外已建和在建的隧道盾構(gòu)始發(fā)端頭土體縱向加固的范圍大多是根據(jù)工程經(jīng)驗確定的，沒有形成統(tǒng)一的關(guān)于縱向土體加固范圍方面的理論，為了保證盾構(gòu)始發(fā)的安全性和經(jīng)濟性，如何確定盾構(gòu)始發(fā)段土體的加固范圍成了盾構(gòu)施工中亟待解決的問題之一。

1 盾構(gòu)始發(fā)端頭加固的目的和常用的方法

1．1 盾構(gòu)始發(fā)端頭土體加固的目的

洞門破除后，端頭土層的受力平衡被打破，土體的自穩(wěn)定性差，可能會發(fā)生潛在的滑移破壞，因此對端頭土體的加固非常有必要。端頭土體加固的目的主要有；

（1）確保土體加固后滿足強度的要求；

（2）確保土體加固后滿足穩(wěn)定性的要求，包括盾構(gòu)掘進過程中的土體的穩(wěn)定性和在施工外荷載的作用下土體的穩(wěn)定性；

（3）確保土體加固后滿足土體變形的要求；

（4）確保土體加固后滿足滲水性的要求；

1．2 常用的方法

盾構(gòu)始發(fā)洞門破除后，端頭土體暴露，其受力平衡被打破，土體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、滲透性等都要發(fā)生改變，暴露的端頭土體自穩(wěn)定性差易發(fā)生事故，威脅到盾構(gòu)隧道施工的安全，因此要對一定范圍的土體進行加固，提高土體的強度、降低其滲透性。目前國內(nèi)常用的端頭加固土體的方法主要有深層攪拌法、高壓旋噴法、凍結(jié)法、降水穩(wěn)定地層法、SMW工法等。

2 盾構(gòu)始發(fā)端頭加固范圍的計算方法

目前國內(nèi)外關(guān)于如何確定盾構(gòu)始發(fā)端頭縱向土體加固范圍的計算理論和相關(guān)文獻比較少，有關(guān)盾構(gòu)始發(fā)段加固土體的計算理論還不完善，一般情況下，還是采用相近工程類比的方法確定?，F(xiàn)階段針對盾構(gòu)始發(fā)縱向土體加固范圍的確定主要采用的設(shè)計理論有:板塊強度理論、靜力理論。

2．1 板塊強度理論

假定加固土體為整體板塊，根據(jù)日本JET GROT協(xié)會（JJGA）規(guī)范［2］中所采用的計算公式，盾構(gòu)端頭縱向土體的加固長度h應(yīng)為:

式中，P為封門中心處的水土壓力合力；D為封門直徑；δt:為加固土體的極限抗拉強度；K0為安全系數(shù)，一般取1．5～2．0；β為計算系數(shù)，取1．2。

2．2 靜力理論

在盾構(gòu)端頭土體加固研究中，根據(jù)靜力理論，將加固土體簡化為彈性薄板，看作小撓度問題進行分析，且這樣計算的結(jié)果對于實際是厚板的端頭加固土體的強度和剛度的要求也是滿足，是在偏于安全的范圍之內(nèi)，不會出現(xiàn)工程問題。

以單圓為例，基于基爾霍夫假設(shè)，將已有模型簡化為四周自由支撐厚度為t的彈性薄板，如圖1所示。按彈性力學(xué)原理，求得在外側(cè)水土壓力的作用下，彈性薄板中心的最大彎曲應(yīng)力，強度驗算公式［3］:

圖1 簡化的力學(xué)模型

式中:D為工作井封門直徑；t為盾構(gòu)端頭縱向加固長度；P為作用在封門中心處的側(cè)向水土壓力；對于砂性土采用水土分算，對于粘性土采用水土合算，土壓力按靜止土壓力考慮；μ為加固土體的泊松比；δt為土體加固后的極限抗拉強度，據(jù)工程經(jīng)驗取其極限抗壓強度值的10%，即KK:安全系數(shù)，一般取1．5。

根據(jù)薄板的邊界條件，滿足抗拉要求的端頭土體的縱向加固范圍［4］為:

按彈性力學(xué)原理求得圓板支座處最大剪力的公式［3］:

式中:τc為加固后土體的極限抗剪強度，根據(jù)經(jīng)驗τc＝qu／6。

K為安全系數(shù)，一般取1．5。

由式（5）可以求得滿足抗剪要求的縱向加固范圍為:

因此，根據(jù)靜力學(xué)理論強度準則，加固同時滿足抗拉和抗剪強度要求時的縱向土體加固范圍為:

以上兩種方法都有一定的局限性，主要有以下問題有待解決:

1）在板塊強度理論中δt的取值的確定是根據(jù)經(jīng)驗公式取其抗壓強度的10%，對于不同的加固方式，δt的取值方法是不同的，這樣取值存在較大的誤差。

2）靜力理論適用于粘性土，而對砂性土利用水土分算計算縱向土體加固長度存在一定的誤差。

3）這兩種理論沒有解決土體擾動問題和土體的長期穩(wěn)定性問題。

2．3 利用靜力理論對砂土和粘土計算分析

根據(jù)理論分析和工程經(jīng)驗可知，盾構(gòu)始發(fā)端頭土體的縱向加固是端頭加固的重點和核心。由以上公式可知盾構(gòu)直徑和埋深是影響端頭土體縱向加固長度的主要因素。本節(jié)以砂土和粘土地層為研究對象（土層的力學(xué)參數(shù)見表1）分析了盾構(gòu)直徑分別取3m、6m、9m、12m、15m，隧道埋深為10m、15m、20m、25m等不同盾構(gòu)直徑和埋深條件下土體縱向加固范圍的變化規(guī)律。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

土的側(cè)壓力系數(shù)的取值根據(jù)經(jīng)驗公式［5］

式中φ為土的內(nèi)摩擦角

根據(jù)端頭加固經(jīng)驗、室內(nèi)土工實驗和日本對端頭的土體抗壓強度的要求可知，端頭土體的無側(cè)限抗壓強度qu≥1MPa，本節(jié)在計算時假定qu＝1MPa，利用上述公式（2）～（7）分別計算了不同埋深和盾構(gòu)直徑條件下端頭土體需要的縱向加固范圍，如圖2所示，圖中h為隧道埋深。

圖2 砂土在不同埋深下縱向土體加固長度與盾構(gòu)直徑變化關(guān)系曲線

圖3 粘土在不同埋深下縱向土體加固長度與盾構(gòu)直徑變化關(guān)系曲線

由圖2、圖3可知（1）不論是砂土還是粘土當隧道埋深一定時，盾構(gòu)端頭縱向土體的加固長度隨盾構(gòu)直徑的增加而增加；當盾構(gòu)直徑一定時，盾構(gòu)端頭縱向土體的加固長度隨隧道埋深的增加而增加。（2）盾構(gòu)在埋深較淺時，縱向土體加固長度過小，不符合實際，應(yīng)按地鐵施工經(jīng)驗確定其縱向加固長度。

圖4 在埋深10米時砂土、粘土縱向土體加固長度與盾構(gòu)直徑變化關(guān)系曲線

圖5 在埋深15米時砂土、粘土縱向土體加固長度與盾構(gòu)直徑變化關(guān)系曲線

圖6 在埋深20米時砂土、粘土縱向土體加固長度與盾構(gòu)直徑變化關(guān)系曲線

圖7 在埋深25米時砂土、粘土縱向土體加固長度與盾構(gòu)直徑變化關(guān)系曲線

由圖4～圖7可知，當盾構(gòu)埋深一定，盾構(gòu)直徑相同時，砂土的縱向土體加固范圍大于粘土的縱向土體加固范圍，因此在其他條件相同的情況下砂土比粘土更容易發(fā)生破壞；砂土縱向土體加固長度隨盾構(gòu)直徑的變化曲線的斜率大于粘土的，說明砂土地層的縱向加固長度增加速率大于粘土，即在盾構(gòu)直徑比較大的情況下，砂土的縱向加固長度比粘土的縱向加固長度大的多。

2．4 板塊強度理論、靜力理論對比：

圖8 砂土、粘土在不同計算理論下縱向土體加固長度與隧道埋深的變化關(guān)系曲線

用板塊理論和靜力理論模型計算，當盾構(gòu)直徑為6米，隧道埋深分別為10m、15m、20m、25m時土體縱向加固長度見圖8。由圖8可以看出，砂土的縱向加固長度大于粘土的；并且用靜力理論計算的縱向土體的加固長度稍大于用板塊強度理論計算的縱向土體加固長度，說明計算縱向加固長度時，靜力理論比板塊理論要保守一些。

3 結(jié) 論

本文通過對砂土和粘土兩種不同地層盾構(gòu)始發(fā)端頭縱向加固長度的分析，得到以下結(jié)論:

（1）盾構(gòu)始發(fā)端頭的縱向加固長度隨盾構(gòu)直徑、盾構(gòu)埋深的增加而增加；在其他條件都相同的情況下，砂土的加固長度大于粘土的加固長度。

（2）在埋深較淺時，靜力理論計算的縱向加固長度較小，不符合實際，應(yīng)該地鐵施工經(jīng)驗和具體情況確定其加固長度。

（3）與板塊強度理論相比，利用靜力理論計算的砂土和粘土的端頭縱向土體加固長度雖然比較保守，但滿足土的抗剪強度要求，是安全可行的。

1 張鳳祥，朱合華，福德明．盾構(gòu)隧道［M］．北京:人民交通出版社，2004．

2 吳韜，韋良文，張慶賀．大型盾構(gòu)出洞加固土體穩(wěn)定性研究［J］．地下空間與工程學(xué)報，2008，4（3）:477－484．

3 施仲衡．地下鐵道設(shè)計與施工［M］．西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006．

4 江玉生．盾構(gòu)始發(fā)與到達——端頭加固理論研究與工程實踐［M］．人們交通出版社，2011．

5 李曉萍，趙亞品．靜止側(cè)壓力系數(shù)及其試驗方法的探討［J］．鐵道工程學(xué)報，2007（8）:20－23．