盾構(gòu)隧道始發(fā)井基坑土體加固設(shè)計(jì)分析

李光凱

(煙臺(tái)市公路管理局，山東煙臺(tái)　264001)

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盾構(gòu)隧道始發(fā)井基坑土體加固設(shè)計(jì)分析

李光凱

(煙臺(tái)市公路管理局，山東煙臺(tái)264001)

摘要:結(jié)合某盾構(gòu)隧道始發(fā)段地層加固工程實(shí)際，確定了合適的端頭加固工法，利用FLAC3D有限差分方法，建模分析了不同加固范圍時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周邊環(huán)境及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，獲取最佳安全系數(shù)計(jì)算地層加固范圍，為工程施工提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞:始發(fā)井，始發(fā)地層，加固設(shè)計(jì)，安全系數(shù)，數(shù)值模擬

盾構(gòu)施工技術(shù)具有掘進(jìn)速度快、機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已逐步在地下隧道修建中得到了廣泛的應(yīng)用。但是在盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)段施工時(shí)常常伴隨著高風(fēng)險(xiǎn)，需結(jié)合地層條件及周邊環(huán)境情況對(duì)盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)區(qū)域地層選擇合理加固范圍與方法進(jìn)行加固［1］。

1　工程概況

本工程中盾構(gòu)區(qū)間沿線為道路、鐵路及商業(yè)建筑，地形基本平坦，盾構(gòu)隧道左、右線5次穿越既有線段均在泥質(zhì)粉砂巖中，盾構(gòu)外徑9．1 m。根據(jù)巖土工程勘察的報(bào)告結(jié)果，本區(qū)間褶皺不發(fā)育，斷層不發(fā)育，巖層層面較穩(wěn)定，產(chǎn)狀較平緩，地下水位低于盾構(gòu)隧道底部位置，勘察場(chǎng)地及其附近未見有影響場(chǎng)地穩(wěn)定性的構(gòu)造。本工程綜合考慮多種盾構(gòu)端頭加固工法，并結(jié)合工程地質(zhì)特點(diǎn)選用了地表旋噴樁滿堂加固設(shè)計(jì)方案，加固深度至隧道底部，另在隧道底部以下1 m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固。

2　加固范圍計(jì)算理論

2．1盾構(gòu)端頭縱向加固范圍確定

采用日本彈性薄板理論計(jì)算盾構(gòu)井端頭土體的縱向加固范圍，假定加固體為整體板塊，根據(jù)日本JET GROUT協(xié)會(huì)(JJGA)［2］采用的計(jì)算公式，加固厚度為:

其中，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(duì)砂性土，采用水土分算，對(duì)黏性土，采用水土合算，土壓力按靜止土壓力考慮;β為計(jì)算系數(shù)，一般取1．2;μ為加固土體的泊松比，取0．25;k0為安全系數(shù)。

2．2盾構(gòu)端頭橫向加固范圍

盾構(gòu)破洞后原有的應(yīng)力平衡被破壞，在洞壁周圍引起應(yīng)力集中，如果最大剪應(yīng)力超過土體抗剪強(qiáng)度，周圍土體會(huì)受到破壞［3］，并逐步向四周擴(kuò)散，形成一個(gè)塑性松動(dòng)圈。土體擾動(dòng)極限平衡理論認(rèn)為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，是建立在深埋隧道圍巖壓力計(jì)算基礎(chǔ)上的。本文所述隧道屬于淺埋，若依據(jù)土體擾動(dòng)極限平衡理論得到圍巖擾動(dòng)范圍小于隧道直徑，不符合實(shí)際。結(jié)合始發(fā)段地質(zhì)特點(diǎn)，選用Terzaghi圍巖壓力理論［4］來確定其橫向加固范圍為:

3　數(shù)值計(jì)算模型

3．1模型的建立

采用FLAC3D［5］有限差分軟件建模，隧道埋深6．95 m，外徑9．1 m，襯砌環(huán)外徑9 m，襯砌環(huán)內(nèi)徑8．1 m，襯砌環(huán)寬1．8 m，襯砌環(huán)厚0．45 m。盾構(gòu)管片采用改變強(qiáng)度參數(shù)的實(shí)體單元模擬，計(jì)算中為減小模型邊界效應(yīng)影響，隧道模型計(jì)算范圍:上取至地面，下取地面下65 m，橫向取120 m，因主要研究進(jìn)口端頭土體穩(wěn)定性，一次性開挖長度取1個(gè)支撐管片的寬度，即1．8 m，總長度取72．8 m。模型底部施加x，y，z向位移約束，模型后方施加y向位移約束，前方除盾構(gòu)井壁以外的區(qū)域施加y向位移約束，模型左右面施加x向位移約束，模型頂部為自由面。土體采用摩爾—庫侖本構(gòu)模型，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及襯砌管片采用彈性本構(gòu)模型。計(jì)算模型見圖1。

3．2計(jì)算結(jié)果

在端頭土體縱向加固范圍的計(jì)算中，取計(jì)算安全系數(shù)k0分別為0．8，1．0，1．5，2．0，分析比較盾構(gòu)掘進(jìn)至一個(gè)機(jī)身長度這一關(guān)鍵工況時(shí)地表沉降以及盾構(gòu)工作井支護(hù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。圖2和圖3

圖1　數(shù)值計(jì)算模型

從圖2可以看出，當(dāng)左右雙線隧道均推進(jìn)一個(gè)機(jī)身長度時(shí)(右線先于左線6個(gè)循環(huán))，當(dāng)k0=0．8或k0=1．0時(shí)可以看出，地表沉降的最大值在地表沉降的預(yù)警值范圍［6］，且地表沉降槽范圍大，對(duì)臨近既有的鐵路線路影響大［7］，尤其是距離盾構(gòu)井壁近段的地表沉降明顯;當(dāng)k0=1．5或k0=2．0時(shí)，地變沉降的最大值嚴(yán)格控制在預(yù)警值范圍內(nèi)，地表沉降槽范圍明顯減小，更重要的是嚴(yán)格控制了靠近盾構(gòu)井壁附近的地表沉降值，保證了盾構(gòu)推進(jìn)過程中盾構(gòu)工作井基坑的穩(wěn)定性。

同時(shí)對(duì)比圖2c)，圖2d)我們能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)k0＞1．5時(shí)，安全系數(shù)的提高將不再進(jìn)一步控制地表沉降值以及地表沉降槽范圍，因此確定k0=1．5為工程施工端頭地層加固合理的計(jì)算安全系數(shù)。

圖3選取了盾構(gòu)井壁上距離雙線隧道中軸線距離分別為1 m，3 m，7 m處三個(gè)測(cè)斜孔在盾構(gòu)開挖掘進(jìn)至左右線均大于一個(gè)機(jī)身長度時(shí)，不同加固安全系數(shù)下的水平位移情況。對(duì)比圖3可以看出，越靠近雙線盾構(gòu)中軸線處，盾構(gòu)開挖對(duì)盾構(gòu)井壁地下連續(xù)墻的水平位移影響越大，在遠(yuǎn)離雙線盾構(gòu)中軸線的地方(地下連續(xù)墻邊緣處)，地下連續(xù)墻的水平位移基本為0;綜合來看，土體加固安全系數(shù)的提高能夠有效控制盾構(gòu)井支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，但是總體上盾構(gòu)井壁地下連續(xù)墻的水平位移較小。

圖2　不同安全系數(shù)下土體加固地表沉降等值線圖

圖3　不同安全系數(shù)不同位置處地連墻水平位移曲線

4　結(jié)語

1)結(jié)合具體工程，采用日本彈性薄板理論獲取盾構(gòu)端頭土體縱向加固范圍，采用不同的計(jì)算安全系數(shù)k0得到四種縱向加固范圍，考慮地表沉降以及盾構(gòu)井水平位移采用數(shù)值模型進(jìn)行安全性驗(yàn)算。

2)考慮不同的計(jì)算安全系數(shù)對(duì)加固區(qū)土體地表沉降的影響，當(dāng)安全系數(shù)k0＞1．5時(shí)，能夠有效控制地表沉降在地表沉降預(yù)警值范圍內(nèi)，同時(shí)盾構(gòu)井壁近端地表沉降控制良好，地表沉降區(qū)范圍明顯減小;此時(shí)，安全系數(shù)的提高將不再進(jìn)一步控制地表沉降值以及地表沉降槽范圍，從而確定k0=1．5為工程施工端頭地層加固合理的安全系數(shù)。

3)基于盾構(gòu)工作井壁地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地下連續(xù)墻的水平位移影響較小，越靠近工作井中部，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移越大，但是能夠有效降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)安全系數(shù)k0＞1．5時(shí)，地連墻的水平位移并不能隨著安全系數(shù)的提高得到進(jìn)一步的控制。

4)考慮實(shí)際工程中地下水位較低，故本次數(shù)值計(jì)算不考慮孔隙水壓力以及滲流問題;同時(shí)模擬過程中未考慮同步注漿影響，因此模擬結(jié)果略顯保守。

參考文獻(xiàn):

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［5］ 陳育民．FLAC及FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］．北京:中國水利水電出版社，2009．

［6］GB 50497—2009，建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］．

［7］鐵運(yùn)［2006］146號(hào)，鐵路線路修理規(guī)則［S］．

中圖分類號(hào):U459．2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1009-6825(2016)17-0172-02

收稿日期:2016-04-08

作者簡介:李光凱(1980-)，男，工程師分別從地表沉降的角度以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的角度對(duì)比分析了不同安全系數(shù)下始發(fā)地層土體的加固效果。

The research of soil reinforcement at shield tunnel starting well

Li Guangkai
(Yantai Highway Administration，Yantai 264001，China)

Abstract:According to a practice engineering of soil reinforcement at shield tunnel starting well，since a appropriate construction method has been adopted，the FLAC3D finite difference method was used to build a numerical model，analyzing the different effect on ground surface settlement and the horizontal displacement of retaining structure in terms of different reinforcement scope．Finally，the optimal safety factor and the best reinforcement scope were obtained through this way，so as to provide some reference for practice engineering．

Key words:starting well，starting stratum，reinforcement design，safety factor，numerical simulation