李海福

（中國水利水電第十四工程局有限公司, 云南 昆明 650000）

本文就對于某隧道地址條件，創(chuàng)建泥水盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)計(jì)算模型，并且得到一定規(guī)律。

1 工程概況

某越江隧道工程使用雙管單層型的方式，主要包括南北兩線穿過湘江。過江段的盾構(gòu)隧道長度為2722.52 單線米，其中的南線長度為1347.58m，北線長度為1374.94m。掘進(jìn)的方式使用泥水盾構(gòu)，隧道的管片外徑為11.3m，管片的內(nèi)徑為10.3m，管片的厚度為50cm，環(huán)寬為2m，環(huán)向一共有九塊。

掘進(jìn)區(qū)域中的地層主要包括中風(fēng)化礫巖、強(qiáng)風(fēng)化礫巖等，盾構(gòu)掘進(jìn)的區(qū)域就在兩者中。根據(jù)此隧道的物探報(bào)告，全面分析隧道掘進(jìn)區(qū)域中裂隙的密度帶。通過分析表示，隧道掘進(jìn)區(qū)破碎帶主要包括裂隙密集帶，掘進(jìn)區(qū)域中具有四個(gè)較大的異常帶，屬于裂隙密集帶，分別為北西向及北東向的走向，其他的裂隙密集帶小，分布沒有規(guī)律。裂隙密集帶中的內(nèi)巖體破碎，缺乏良好整體性。和區(qū)域地質(zhì)資料相互結(jié)合進(jìn)行分析，場地附近具有較多的斷裂構(gòu)造，對隧道沿線位置的巖體破碎造成了影響，節(jié)理裂隙的發(fā)育也有所影響，風(fēng)化的程度比較高，并且分布不均勻。具有多條裂隙密集帶穿越隧道軸線，裂隙帶的走向?yàn)楸蔽鬣l(xiāng)及北東向[1]。

和隧道掘進(jìn)區(qū)域地質(zhì)異常、地層資料及隧道的設(shè)計(jì)文件相互結(jié)合，選擇北線K1+050 到K1+240 段掘進(jìn)參數(shù)成為分析段，也就是管片環(huán)數(shù)為315-410 環(huán)之間。參數(shù)分析段地層的類型屬于中風(fēng)化礫巖，隧道線路坡度從西到東分別為0.4%。區(qū)域中具有較差地址條件區(qū)域，也就是裂隙密集帶F2。以此區(qū)域中的地質(zhì)條件，使實(shí)驗(yàn)分析帶劃分成為正常區(qū)域及裂隙密集區(qū)域。

2 計(jì)算盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

利用對掘進(jìn)施工過程中的實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)，得到超大泥水平衡盾構(gòu)參數(shù)的設(shè)定技術(shù)[2]。

2.1 計(jì)算切口水壓

根據(jù)泥水平衡盾構(gòu)來說，其重點(diǎn)為匹配多種掘進(jìn)參數(shù)。在各個(gè)參數(shù)中，設(shè)置切口壓力和控制技術(shù)尤為重要。為了降低開挖面土體擾動(dòng)，在盾構(gòu)推進(jìn)挖土及襯砌拼裝的過程中，要始終保持密封倉中的壓力比正面主動(dòng)側(cè)壓力及水壓力的和大。分析掘進(jìn)參數(shù)，得到切口壓力計(jì)算方法，并且在后期盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中進(jìn)行完善及驗(yàn)證。隧道頂部切口水壓設(shè)置值能夠以常用土力學(xué)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，上限值根據(jù)靜止土壓力計(jì)算，下限值根據(jù)主動(dòng)土壓力計(jì)算，實(shí)際值的計(jì)算為(上限值+下限值)/2-0.2bar。

以盾構(gòu)掘進(jìn)的區(qū)域，頂部切口水壓包括江中段及岸上段。切口水壓上限值的計(jì)算公式為：

其中Pfu指的是隧道頂部切口水壓的上限值，P1指的是地下水壓力，P2指的是靜止土壓力，P3是指變動(dòng)土壓力，K0指的是靜止土壓力的系數(shù)。

切口水壓下限值的計(jì)算公式為：

Pf1指的是隧道頂部切口水壓的下限值，K0指的是變動(dòng)土壓力[3]。

2.2 切口水壓的完善

通過切口水壓計(jì)算公式表示，切口水壓的值和隧道上部水位具有密切的關(guān)系，要對河流水位的變化進(jìn)行全面的考慮，尤其是因?yàn)槌毕珜?dǎo)致的影響，要重視水位檢測頻率。根據(jù)切口水壓計(jì)算公式表示隧道上部水面標(biāo)高有1m 的變化，那么切口水壓就要調(diào)整0.1bar。另外，在長時(shí)間持續(xù)降雨或者防水的特殊情況，要提高隧道切口水壓的值。在隧道盾構(gòu)掘進(jìn)穿越錢覆土段的時(shí)候，切口水壓要根據(jù)上述公式中的值，避免出現(xiàn)冒漿的情況，使切口水壓降低。以此表示，切口水壓取值能夠在此隧道工程中使用，超大泥水平衡盾構(gòu)穿越淺覆土地段的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)輕微的冒漿情況，根據(jù)以上所出現(xiàn)的泥水切口壓力計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)置[4]。

2.3 泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程

其一，盾構(gòu)機(jī)開挖第一環(huán)節(jié)，這個(gè)時(shí)候的相應(yīng)位置土體被殺死，以此實(shí)現(xiàn)土體被挖掘過程的模擬，還能夠使預(yù)設(shè)機(jī)身殼單元進(jìn)行激活，機(jī)身和土體接觸的單元也激活。

其二，盾構(gòu)機(jī)開挖到第二環(huán)距離的時(shí)候，盾構(gòu)機(jī)機(jī)身也施加位移。

其三，盾構(gòu)機(jī)在完全進(jìn)入到土層之后，盾構(gòu)機(jī)機(jī)尾已經(jīng)完成一環(huán)襯砌的拼裝。

其四，完成第一環(huán)襯砌，并且同步注漿。這個(gè)時(shí)候，使注漿單元層的位置機(jī)身單元?dú)⑺?，?shí)現(xiàn)盾尾遷移的模擬，將此機(jī)身和土體的接觸進(jìn)行接觸。對注漿力學(xué)性質(zhì)在空間及時(shí)間中的變化考慮，所以使注漿充分考慮非線性彈性材料。

其五，在開挖盾構(gòu)機(jī)一段時(shí)間之后，盾構(gòu)機(jī)后方拖車隨著盾構(gòu)機(jī)運(yùn)動(dòng)，拖車施力位置也運(yùn)動(dòng)，表示拖車對于襯砌作用屬于連續(xù)靜荷載，實(shí)現(xiàn)開挖模擬。

2.4 配置模型地層

以相似比原理選擇模型底層，對比實(shí)際底層，內(nèi)摩擦角、重度、彈性模量、粘聚力要滿足相似比，模擬實(shí)驗(yàn)過程中使用灰度淤泥質(zhì)粘土和灰色粉西沙[5]，表1 為土體力學(xué)參數(shù)。

表1 土體力學(xué)參數(shù)

3 模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、模型盾構(gòu)、實(shí)驗(yàn)土箱及測試系統(tǒng)。泥水平衡盾構(gòu)模型機(jī)的直徑為40mm，通過一臺小型土壓平衡盾構(gòu)模型改造。試驗(yàn)土箱為長方體。因?yàn)榇藢?shí)驗(yàn)臺的尺寸比較小，數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)較為簡單，推進(jìn)系統(tǒng)泥漿壓力能夠通過在泥水倉壓力埋設(shè)計(jì)算，利用人工測量推進(jìn)距離。

對比推進(jìn)段實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且使試驗(yàn)值和模型理論計(jì)算上下限制和沉降檢測數(shù)值實(shí)現(xiàn)對比，能夠得到泥水倉壓力和地表關(guān)系規(guī)律。圖1 為0-10cm 推進(jìn)段的泥水倉壓力。

圖10-10cm 推進(jìn)段的泥水倉壓力

盾構(gòu)在開始10cm 試推進(jìn)過程中，因?yàn)槟酀{管路反復(fù)堵管，要不斷的進(jìn)行管路疏通，因?yàn)闊o法正常創(chuàng)建泥漿壓力，泥水倉內(nèi)部泥漿利用刀盤間隙涌出，降低泥水倉壓力。實(shí)際的泥水倉壓力比理論計(jì)算下限要低，但是因?yàn)槎軜?gòu)在高底層強(qiáng)度出洞加固體范圍中，檢測底層沉降值較低。

盾構(gòu)在進(jìn)入到模擬江中淺埋試驗(yàn)段之后，泥水倉壓力上下的浮動(dòng)比較大，是因?yàn)楣艿绹?yán)重堵塞，從而導(dǎo)致壓力波動(dòng)。通過實(shí)驗(yàn)過程表示，在泥水倉壓力浮動(dòng)值長時(shí)間比理論值±20%要長的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)堵管及冒漿的情況。和其相互對應(yīng)的沉降分析可以看出來，壓力波動(dòng)較大時(shí)候的沉降監(jiān)測值及隆起值也比較大[6]。

4 結(jié)語

在盾構(gòu)穿越底層過程中，要實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化和控制，使盾構(gòu)總推力得到提高，解決總推力降低的問題，避免刀盤每轉(zhuǎn)切深降低，以此使盾構(gòu)機(jī)能夠快速的穿越到裂隙密集區(qū)域中。提高泥水進(jìn)漿量，對掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行保證。