弱膨脹土發(fā)育地區(qū)盾構(gòu)掘進過程中換刀對土體穩(wěn)定的影響分析

齊天龍， 李 博， 嚴 峻

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230022）

0 引 言

刀盤是盾構(gòu)機的關(guān)鍵部件之一，在盾構(gòu)機掘進中的換刀、刀盤修復(fù)等盾構(gòu)機掘技術(shù)是盾構(gòu)施工不可缺少的工序。刀具更換是一項較復(fù)雜的工序，首先除去壓力倉中的泥水、殘土，清除刀具上黏附的泥沙，確認更換的刀具，運入刀具，設(shè)置腳手架；然后拆去舊刀具，換上新刀具。更換刀具停機的時間比較長，容易造成盾構(gòu)整體沉降，從而引起地表沉降，損壞地表及建（構(gòu)）筑物，危及工程安全［1］。為此更換刀具盡量選擇在中間豎井或地質(zhì)條件較好、地層較穩(wěn)定的地段進行。合肥地區(qū)大地構(gòu)造位于中朝準地臺江淮臺隆，秦嶺地槽褶皺系北淮陽地槽褶皺帶、楊子準地臺張八嶺臺拱三個一級大地構(gòu)造單元的結(jié)合部，屬于典型的弱膨脹土發(fā)育地區(qū)。膨脹土遇水發(fā)生膨脹、失水收縮，此特性對膨脹土地區(qū)的基坑開挖、隧道施工極為不利。圍巖因開挖而產(chǎn)生變形，因浸水而發(fā)生膨脹，或因風(fēng)化而開裂等，使得隧道開挖的頂部及兩側(cè)向內(nèi)擠入，隨著時間的增長而導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，支撐、支護系統(tǒng)發(fā)生嚴重變形而發(fā)生破壞等問題一直是工程界的難題之一。弱膨脹粘性土地區(qū)采用預(yù)加固技術(shù)處理換刀位置地層并采用盾構(gòu)法進行施工，在國內(nèi)尚無成熟的經(jīng)驗可以借鑒。

本文采用三維有限元差分法軟件FLAC3D分析了盾構(gòu)掘進考慮換刀過程中隧道周圍及地表處土體的位移和變形，得出合肥地區(qū)膨脹土換刀面影響范圍和與加固技術(shù)的有效性，為盾構(gòu)掘進換刀提供理論支持，滿足盾構(gòu)機施工和后期運行要求。

1 計算模型

隧道采用盾構(gòu)法施工，為單圓盾構(gòu)，盾構(gòu)機外徑6．28m，隧道采用6塊管片錯縫拼裝而成，管片外徑6．0m，內(nèi)徑5．4m，厚度0．3m，寬度1．5 m。如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)開挖示意圖（單位:㎜）

由于隧道是在縱向比較長，而在橫向比較小的地下結(jié)構(gòu)物。因此，在計算分析中，簡化為平面應(yīng)變問題。但不管是淺埋隧道還是深埋隧道都屬于半無限空間或平面問題。從半無限理論上講，隧道的盾構(gòu)施工僅影響開挖洞室周圍的地層，隨著離隧道中心軸線的距離不斷增加，其影響程度逐漸減小。因此，在計算過程中所選用的計算邊界不需太大，只要所選取計算邊界適度就可以得出合理的計算結(jié)果。一般取左右兩側(cè)的計算邊界為隧道直徑的3～5倍，隧道下方的計算邊界通常取隧道總高的2倍以上，上邊界取到地面（淺埋隧道）或2倍的隧道總高（對應(yīng)深埋隧道）［2］。各土層分布如圖2所示。

1．1 盾構(gòu)管片

盾構(gòu)管片采用的是實體單元，在隧道開挖時，將管片單元設(shè)置為空模型（Null），支護時，將盾構(gòu)管片設(shè)置為各向同性彈性模型（Elastic），混凝土標號為C50，具體材料參數(shù)如表2所列。

圖2 各土層分布圖

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標

表2 盾構(gòu)管片混凝土材料和等代層計算參數(shù)

1．2 有限元模型的建立

土體在三維有限元模擬建模過程中視為彈塑性體，計算時的基本假設(shè)有以下幾點:

（1）盾構(gòu)施工對周圍土體的影響是一個漸變的過程。一般情況下，盾構(gòu)機向前推進時，機身外殼與周圍土體的相互作用中的水平摩擦阻力，該阻力應(yīng)力水平相對恒定并將在一定程度上對土體產(chǎn)生擾動。

（2）小變形假設(shè)?？紤]研究對象土體的尺寸、施工變形控制和施工技術(shù)水平等，盾構(gòu)施工所引起的地表變形屬于小變形問題。

（3）地層彈塑性模型假設(shè)。土體為非線性材料，盾構(gòu)法施工對土體穩(wěn)定性擾動較小，土體一般不會出現(xiàn)極限破壞變形，且應(yīng)力、應(yīng)變較小，屬彈塑性連續(xù)變形。結(jié)合以上假設(shè)，取隧道直徑D＝6．0m。選取計算范圍為水平X向取48m，沿線路縱向Y方向取36m，根據(jù)現(xiàn)場資料，向上取上覆土厚度為13m，向下取15m［5］。

1．3 計算工況

本工程運用FLAC3D有限差分軟件，在盾構(gòu)換刀這個最不利的工況下，對不同加固范圍進行模擬分析。根據(jù)模擬分析和實際工程，在保證橫向加固區(qū)不變（在一倍洞涇范圍內(nèi)進行加固，即橫向加固12m），縱向加固分別為0m，2m、4m、6m、8m、10m。本模擬選取隧道掘進10m處為換刀面，沿著換刀面兩側(cè)同時加固。

表3 各種模擬的計算工況

表4 加固土體參數(shù)

2 數(shù)值分析

土體的應(yīng)力源自于土體的自重和外荷載作用，自重產(chǎn)生的應(yīng)力稱之為自重應(yīng)力，土體的受外荷載的作用產(chǎn)生的應(yīng)力稱之為附加應(yīng)力。由于合肥軌道交通一號線繁華大道站位置無其他外荷載作用，想要正確模擬出盾構(gòu)法隧道施工所引起的土體應(yīng)力重分布，進行盾構(gòu)施工前對土體的進行初始應(yīng)力場計算是必要的且是必須的。為了解其初始狀態(tài)，圖3、圖4給出了模擬計算得到土體初始豎向應(yīng)力云圖和初始水平應(yīng)力云圖。

由圖3、圖4可知，在自重應(yīng)力的作用下，通過2 178步的循環(huán)計算之后，土體達到穩(wěn)定狀態(tài)，土體豎直方向初始位移最大值為0．567m（豎直向下）。

圖3 初始豎向位移（單位 米）

圖4 初始豎向應(yīng)力（單位Pa）

圖5 掌子面加載拱頂?shù)乇沓两祱D

圖6 掌子面加載換刀面加載地表沉降圖

圖7 掌子面加載不同距離換刀面拱頂?shù)乇沓两祱D

從5圖可以得出掌子面加載加固距離為0m，2m，4m，6m，8m，10m 時 隧 道 掘 進0m處，地表沉降為3．76cm，3．17cm，2．73cm，2．07cm，1．35cm，1．25cm，其中加固范圍為2m，4m，6m，8m時沉降明顯減小，加固長度為10m時趨勢減??；當加固距離超過10m時沉降趨于穩(wěn)定，從而可以得出換刀面縱向影響范圍為10m（1．5－2倍洞徑）

由圖7可以得到當加固2m時，沉降槽曲線底部明顯上升，整體曲線明顯減小，隨著加固距離增加沉降槽曲線漸趨于穩(wěn)定。當加固距離為0m，2m，4m，6m，8m，10m時地表橫向兩側(cè)距離20m地表沉降分別為0．231cm（0．233cm），0．235cm（0．235cm），0．238cm（0．239cm），0．223cm（0．224cm），0．189cm（0．189cm），0．193cm（0．194cm）。由以上數(shù)據(jù)可以得出當橫向超過20m時地表沉降趨于穩(wěn)定，隨著加固距離變化很小。

由圖8可以得出掌子面加載加固距離2m時出現(xiàn)拐點，即加固距離為2m時換刀面地表沉降有明顯減小，隨著加固范圍的增大沉降漸趨于穩(wěn)定，從而進一步支持了換刀面縱向影響范圍為10m（1．5－2倍洞徑）。

圖8 掌子面卸載拱頂?shù)乇沓两祱D

圖9 換刀面卸載地表沉降圖

圖10 掌子面卸載不同加固距離隧道掘進地表沉降圖

從圖8可以得出掌子面卸載加固距離為0m，2m，4m，6m，8m，10m時隧道掘進0m處，地表沉降為3．89cm，3．13cm，2．64cm，1．99cm，1．27cm，1．18cm，其中加固范圍為2m，4m，6m，8m時沉降明顯減小，加固為10m時趨勢減?。划敿庸叹嚯x超過10m時沉降趨于穩(wěn)定，從而可以得出換刀面縱向影響范圍為10m（1．5－2倍洞徑）

由圖9可以得到當加固2m時，沉降槽曲線底部明顯上升，整體曲線明顯減小，隨著加固距離增加沉降槽曲線漸趨于穩(wěn)定。當加固距離為0m，2m，4m，6m，8m，10m時地表橫向兩側(cè)距離20m地表沉降分別為0．28cm（0．281cm），0．229cm（0．23cm），0．22m （0．22cm），0．206cm（0．207cm），0．172cm（0．173cm），0．177cm（0．178cm）。有以上數(shù)據(jù)可以得出當橫向超過20m時地表沉降趨于穩(wěn)定，隨著加固距離變化很小。

由圖10可以得出掌子面加載加固距離2m時出現(xiàn)拐點，即為2m時換刀面地表沉降有明顯減小，隨著加固范圍的增大沉降漸趨于穩(wěn)定，從而進一步支持了換刀面縱向影響范圍為10m（1．5－2倍洞徑）。

3 結(jié) 語

（1）不論縱向加固長度大小，盾構(gòu)周圍土體沉降最大值均出現(xiàn)在換刀工作面的頂面，最大隆起值在工作面的底面，說明在換刀盤的情況下需要對土體縱向加固較長的距離方能有效減小地表的位移。

（2）當縱向加固距離較小的時候，弱膨脹土地區(qū)換刀引起的地表沉降范圍較大，初期加固效果較明顯，隨著加固長度增加沉降趨于穩(wěn)定；換刀面縱向影響范圍為10m（1．5－2倍洞徑）。

（3）位移云圖印證了換刀過程中在工作面附近對土體的擾動較大，離工作面越遠影響越小。

（4）弱膨脹土地區(qū)換刀面橫向影響范圍為影響范圍約在3－4倍洞徑隧道半徑。

1 陳 饋，洪開榮，吳學(xué)松．盾構(gòu)施工技術(shù)［M］．人民交通出版社．2009．

2 寒煊，李寧．地鐵隧道施工引起地層位移規(guī)律的探討［J］．巖土力學(xué)，2007，28（3）:609－613．

3 黃宏偉，胡昕．頂管施工力學(xué)效應(yīng)的數(shù)值模擬分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（3）:400－406．

4 黃 衛(wèi)．花崗巖殘積土盾構(gòu)施工對周圍環(huán)境［J］．安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2007，28（3）:609－613．