流塑狀淤泥質(zhì)地層盾構(gòu)小半徑始發(fā)加固范圍研究

劉恒伏，胡 森，王有旗，崔建強(qiáng)，殷 浩

(中鐵二十五局集團(tuán)第五工程有限公司，山東青島 266000)

隨著城市交通發(fā)展的需要，盾構(gòu)法的掘進(jìn)速度快，機(jī)械化程度高，施工安全可靠而廣泛地運(yùn)用在城市地鐵修建當(dāng)中。而盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵點(diǎn)之一就在于盾構(gòu)始發(fā)，由于盾構(gòu)區(qū)間地層較軟，圍巖自穩(wěn)條件差，盾構(gòu)始發(fā)過程中，容易引起地表沉降過大，始發(fā)井垮塌等重大安全事故，特別是在富水和流塑狀地層，還容易引起滲流破壞，因此往往采取加固始發(fā)土體的方式處理盾構(gòu)始發(fā)難題[1-2]。

而土體的加固范圍作為土體加固的一大重要參數(shù)，近年來許多學(xué)者對其進(jìn)行了研究。然而這些研究主要集中于普通的軟巖地層[3-4]，對于流塑狀淤泥質(zhì)地層的始發(fā)加固研究還較少，因此本文基于深圳國際會展中心配套市政項目會展北站-會議中心站盾構(gòu)項目為依托，對流塑狀淤泥質(zhì)地層始發(fā)加固范圍進(jìn)行研究，為相似地質(zhì)條件工程提供了參考。

1 盾構(gòu)小半徑始發(fā)加固范圍計算

1.1 案例工程概況

深圳地鐵會展北站-會議中心站區(qū)間周邊為待開發(fā)地塊及填海空地，無重要建構(gòu)筑物。地質(zhì)狀況屬于深圳西南部濱海灘涂地貌，線路離海岸線較近，地表為雜填土，下部覆流塑狀淤泥層，層厚較厚，分布較廣，自穩(wěn)能力較差，對施工存在一定的影響。區(qū)間平面最小曲線半徑為R=350m，始發(fā)段處于小半徑內(nèi)，屬于小半徑始發(fā)，始發(fā)難度較大。結(jié)合工程實(shí)踐和工程類比，采用割線始發(fā)將始發(fā)段“化曲為直”[5-6]，并采用雙管旋噴樁加固。

施工采用兩臺φ6 280 mm復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾體長度約為8.5 m，盾構(gòu)始發(fā)井井口的尺寸為11.5 m×7.5 m，井深約14 m。盾構(gòu)始發(fā)段長度為100 m，始發(fā)段隧道埋深為13.4～13.6 m，地質(zhì)參數(shù)見表1，始發(fā)基坑橫斷面如圖1所示。

圖1 始發(fā)基坑斷面

1.2 計算理論分析

目前對于加固土體的計算主要分為橫向計算和縱向計算兩個步驟，再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)方法綜合考量得出加固土體的范圍。對于縱向加固范圍，主要有彈性薄板理論和滑移失穩(wěn)理論，分別對加固區(qū)進(jìn)行的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計算。橫向計算采用傳統(tǒng)的土體擾動極限平衡理論。對于濱海灘涂區(qū)流塑狀淤泥質(zhì)地層，其加固范圍的關(guān)鍵在于防止流塑狀淤泥從洞口涌入始發(fā)井，從而導(dǎo)致地表沉降，甚至始發(fā)井垮塌的重大危險事故。因此在加固區(qū)的范圍計算選取上需要特別注意。

1.3 案例工程計算

運(yùn)用所建立的計算體系，始發(fā)段地質(zhì)條件較差且地下水較多，因此采用幾何準(zhǔn)則的經(jīng)驗(yàn)方法求盾構(gòu)長度t1，采用簡化板塊理論計算t2，根據(jù)地質(zhì)條件可知，采用黏性土的滑移理論計算t3，最終確定加固長度t和加固范圍，計算結(jié)果見表2。

考慮工程實(shí)際操作，加固范圍均按整數(shù)設(shè)計，因此加固范圍為長11 m，上下左右寬為2 m的長方體。考慮到對填土的計算容重較小，以及工程類比，可以適當(dāng)加寬加固范圍，給出建議值為3 m[7]。

表1 地質(zhì)參數(shù)

表2 計算結(jié)果 m

2 FLAC 3D數(shù)值模擬驗(yàn)證

根據(jù)根據(jù)圣維南原理，為滿足既定邊界條件，盡可減小邊界效應(yīng)帶來的影響，有限元模型取為長×寬×高為47 m×84 m×44 m，建立模型如圖2所示。上部邊界為自由邊界，下部邊界取為固定邊界，左右邊界施加X方向水平約束，前后邊界施加Y方向位移約束[8-9]。

圖2 基坑開挖支護(hù)建立

始發(fā)井根據(jù)圖2設(shè)計圖建立采用彈性本構(gòu)，地質(zhì)參數(shù)按表1選取，采用摩爾庫倫本構(gòu)。管片采用混凝土強(qiáng)度為C50的標(biāo)準(zhǔn)管片拼裝，注漿采用C25混凝土，基坑主體結(jié)構(gòu)采用C35鋼筋混凝土。按標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)施工過程模擬，掘進(jìn)模擬過程中的安全指標(biāo)：

(1)盾構(gòu)在始發(fā)過程中，洞門打開，土體暴露，在盾構(gòu)機(jī)還沒有頂上加固土體之前，在此情況下暴露土體能否自穩(wěn)將成為評價洞門打開過程中重要的安全評價指標(biāo)。

(2)在盾尾脫出加固區(qū)后，由于土體剛度變化，可能引起盾首盾尾沉降差較大，產(chǎn)生“磕頭”現(xiàn)象，因此需要進(jìn)行驗(yàn)算。

(3)在盾構(gòu)掘進(jìn)中和掘進(jìn)后，地面的沉降、拱頂沉降、洞內(nèi)收斂也是重要的安全性評價指標(biāo)，其值不得大于規(guī)范預(yù)警值。

洞門打開的安全性評價主要通過加固始發(fā)(圖3)和無加固始發(fā)(圖4)的對比，可以看出無加固始發(fā)情況下，洞門打開后土體向外滑動，發(fā)生較大的位移，地表發(fā)生大量沉降，計算難以收斂，可以推斷無加固情況下，會發(fā)生破壞。在始發(fā)加固的情況下可以看出，開挖后整個地層受擾動小，洞門附近有一定變形，但變形僅為1 cm，且計算收斂，因此可以得出加固后洞門打開安全。

圖3 無加固始發(fā)

圖4 加固始發(fā)

磕頭檢驗(yàn)主要驗(yàn)算盾構(gòu)機(jī)在土體中的姿態(tài)，通過驗(yàn)算盾首盾尾的沉降差值來具體計算，驗(yàn)算的最危險節(jié)點(diǎn)為盾尾脫離加固區(qū)后，如圖5所示，由圖可知，首尾沉降差值為5 mm，斜率為5÷9000=0.05%，傾斜角度較小，盾構(gòu)不會出現(xiàn)“磕頭現(xiàn)象”，始發(fā)總體安全。

圖5 盾尾離開加固區(qū)

根據(jù)規(guī)范，地表沉降允許值為(按規(guī)范)64 mm，隧道拱頂沉降允許值為20 mm，隧道側(cè)向收斂值為20 mm，實(shí)際模擬情況如圖6,圖7所示。變形值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，隧道掘進(jìn)安全。

圖6 沉降

圖7 收斂

3 現(xiàn)場測試

為了驗(yàn)證計算結(jié)果，現(xiàn)場進(jìn)行了實(shí)地監(jiān)測。分別對隧道拱頂，洞內(nèi)收斂和地表沉降進(jìn)行了監(jiān)測。地表沉降監(jiān)測點(diǎn)布置圖如圖8所示。

圖8 始發(fā)段地表沉降監(jiān)測

地表沉降預(yù)警值為64 mm,控制值為80 mm，監(jiān)測至數(shù)值穩(wěn)定，沉降值如下表3所示。

地表沉降符合規(guī)范要求，始發(fā)安全，與計算結(jié)果相吻合。

拱頂沉降預(yù)警值為16 mm,控制值為20 mm，監(jiān)測至數(shù)值穩(wěn)定，沉降值如下表4所示。

拱頂沉降符合規(guī)范要求，始發(fā)安全，與計算結(jié)果相吻合。

洞周收斂預(yù)警值為16 mm,控制值為20 mm，監(jiān)測至數(shù)值穩(wěn)定，收斂值如下表5所示。

洞周符合規(guī)范要求，始發(fā)安全，與計算結(jié)果相吻合。

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，加固范圍計算結(jié)果較為可靠，加固后始發(fā)安全。

表3 地表沉降監(jiān)測 mm

表4 拱頂沉降監(jiān)測 mm

表5 洞周收斂監(jiān)測 mm

4 結(jié)論

(1)基于現(xiàn)有的加固范圍計算理論公式，結(jié)合流塑狀淤泥質(zhì)地層特性，計算了深圳地鐵國際會展中心配套市政項目盾構(gòu)小半徑始發(fā)的加固范圍，始發(fā)縱向加固長度取11 m，上下左右加固范圍為3 m。

(2)對計算結(jié)果建立數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證分析，無加固時洞門打開發(fā)生破壞，加固后洞門打開最大位移為2 mm，在盾尾脫離加固區(qū)時隧道傾斜角度為0.05 %沒有磕頭風(fēng)險，整個開挖過程中，地面和拱頂?shù)某两抵禎M足規(guī)范要求，洞身收斂值滿足規(guī)范要求，盾構(gòu)始發(fā)安全。

(3)結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了該計算方法可行性，經(jīng)驗(yàn)證，按該計算方法計算得到的加固范圍加固安全可靠。

(4)對于不同端頭加固方式，應(yīng)有不同的計算方法和數(shù)值模擬方法，在這方面有待進(jìn)一步研究。