克泥效不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)土體穩(wěn)定性的影響研究

黨濟(jì)國(guó)

中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司城市軌道交通工程分公司 上海 201906

1 工程概況

福州地鐵6號(hào)線2標(biāo)5工區(qū)盾構(gòu)工程時(shí)間緊、任務(wù)重、難度大，區(qū)間左右線共需穿越Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源16次，其中左線盾構(gòu)始發(fā)后第27環(huán)至63環(huán)穿越Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，穿越時(shí)隧道范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)地層為淤泥質(zhì)土、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r等軟弱地層。其中，還需要穿越的1座2～9層混凝土結(jié)構(gòu)酒店為風(fēng)險(xiǎn)建筑。該酒店為沉管灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)23 m，與隧道結(jié)構(gòu)最小水平距離3.78 m，房屋基礎(chǔ)底部位于隧道結(jié)構(gòu)底部以下，隧道埋深10.6～11.6 m，酒店無(wú)損傷鑒定結(jié)果為Du級(jí)。

2 HS模型建立

2.1 HS模型及參數(shù)意義

HS模型是Plaxis有限元計(jì)算軟件中的一種土體本構(gòu)模型，加載模量和卸載模量可分別定義，主要用于不同類型土體（如軟土、硬土等）的模擬分析。計(jì)算中引入蓋帽型屈服面，如圖1所示，即當(dāng)在主應(yīng)力的空間中，屈服面是變化的，是隨著塑性應(yīng)變而膨脹的，主應(yīng)力空間中的HS模型屈服面如圖2所示。

圖1 HS模型關(guān)于三軸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖 2 主應(yīng)力空間中HS模型屈服面

該模型能夠同時(shí)驗(yàn)證土體的剪切和壓縮硬化這2個(gè)因素，且采用摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，是較全面的本構(gòu)模型。HS模型的應(yīng)力應(yīng)變雙曲線關(guān)系，由標(biāo)準(zhǔn)三軸排水通過計(jì)算驗(yàn)證得出。偏應(yīng)力q與豎向應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系如式（1）所示。

式中：Rf——三軸排水試驗(yàn)土體的破壞比； E50——三軸固結(jié)排水試驗(yàn)割線模量；

qa——土體可以最大承受的抗剪強(qiáng)度值；

qf——在實(shí)驗(yàn)中所承受的最大偏應(yīng)力。

為保證HS模型得到準(zhǔn)確結(jié)果，在模擬過程中必須要依靠參數(shù)的精確性，經(jīng)過大量實(shí)踐和相關(guān)試驗(yàn)，得到了HS模型參數(shù)如表1所示。

表1 土體HS模型參數(shù)和意義

2.2 HS模型的建立

為研究克泥效與水玻璃混合液對(duì)混凝土管片與土體空隙填充的特性[1-3]，利用Plaxis有限元分析軟件建立數(shù)值模型：管片周圍土體為淤泥地層，在進(jìn)行模擬建立HS模型的過程中要考慮的因素有：土體的硬度變化、應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)路徑等，而且模擬結(jié)果得到的精確數(shù)值還要和實(shí)際工程土體的檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，這樣才能夠?qū)?shí)際變形情況全面地表現(xiàn)出來(lái)，具體幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

3 計(jì)算分析

3.1 Plaxis計(jì)算模型的建立

采用有限元計(jì)算軟件Plaxis建立盾構(gòu)施工計(jì)算模型，以此進(jìn)行盾構(gòu)穿越的風(fēng)險(xiǎn)模擬，研究不同克泥效與水玻璃混合液的參數(shù)對(duì)地層變形控制的影響。在建立的模型中，隧道開挖方向用x方向來(lái)表示，y方向?yàn)榈貙勇裆罘较?，取x方向計(jì)算尺寸為30 m，y方向計(jì)算尺寸為25 m，6號(hào)線管片外徑6.20 m，開挖斷面直徑6.48 m，盾構(gòu)機(jī)外殼與土層間的間隙按0.14 m計(jì)算，該間隙用克泥效與水玻璃混合液填充，隧道凈距11.4 m。模型邊界條件為：上邊界自由，左右及下邊界固定。模型規(guī)定，以6號(hào)線兩隧道中心為原點(diǎn)，以盾構(gòu)推進(jìn)方向?yàn)檎颍?jì)算模型及計(jì)算點(diǎn)位置如圖3所示。

3.2 特定參數(shù)下不同計(jì)算斷面變形分析

克泥效與水玻璃混合液主要是由克泥效漿液和水玻璃漿液根據(jù)不同配合比組合，且混合液的主要物理性能由克泥效決定，因此本文僅對(duì)克泥效的不同參數(shù)對(duì)土體變形的影響進(jìn)行分析。

數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，克泥效彈性模量取10 000 kPa，泊松比取0.25，黏聚力取10 kPa。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，盾構(gòu)隧道累計(jì)沉降最大值為4.5 mm（圖4）。

圖3 HS模型網(wǎng)格

圖4 最大位移云圖

3.3 克泥效不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)土體變形的影響

3.3.1 克泥效不同彈性模量對(duì)變形的影響

地層和穿越風(fēng)險(xiǎn)源變形控制會(huì)根據(jù)克泥效的填充程度發(fā)生改變，填充越及時(shí)則填充程度越飽滿，地層和穿越風(fēng)險(xiǎn)源變形控制的越好，反之則越差?？四嘈椥阅Ａ咳?00 kPa模擬無(wú)填充狀態(tài)、取20 000 kPa模擬半密實(shí)狀態(tài)、取40 000 kPa模擬完全密實(shí)狀態(tài)，以此進(jìn)行數(shù)值模擬分析。通過分析可將地層和穿越風(fēng)險(xiǎn)變形控制受克泥效填充密度的變化程度表現(xiàn)出來(lái)。模擬結(jié)果顯示：在無(wú)填充狀態(tài)下，土體最大位移為11.3 mm；在半密實(shí)狀態(tài)下，土體最大位移為4.1 mm；在完全密實(shí)狀態(tài)下，土體最大位移為3.5 mm。

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析可得出如下結(jié)論：如果在進(jìn)行盾構(gòu)挖掘的過程中，沒有及時(shí)用克泥效與水玻璃混合液填充地層，那么地層穿越風(fēng)險(xiǎn)源沉降和變形就會(huì)變大，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)與土層的間隙超過10 mm，就會(huì)使得穿越風(fēng)險(xiǎn)源的變形超過5 mm的要求；如果及時(shí)用克泥效與水玻璃混合液填充盾構(gòu)機(jī)與土層間的間隙，那么彈性模量幾乎不會(huì)發(fā)生改變，也就近似于原狀地層，所以地層和穿越風(fēng)險(xiǎn)源變形的變化程度就小，甚至可以忽略不計(jì)。由此可知，地層和穿越風(fēng)險(xiǎn)源變形控制是受克泥效影響的，當(dāng)克泥效的彈性模量數(shù)值越大，地層和穿越風(fēng)險(xiǎn)源的變形就會(huì)越小。

3.3.2 克泥效不同泊松比對(duì)土體變形的影響

在克泥效的彈性模量值不變的條件下，對(duì)克泥效的泊松比對(duì)地層變形及穿越風(fēng)險(xiǎn)源沉降的影響進(jìn)行研究。選定克泥效完全密實(shí)的狀態(tài)（即彈性模量為40 000 kPa時(shí)），分別取泊松比為0.20、0.25、0.30進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示：當(dāng)泊松比為0.20時(shí)，土體的最大位移為5.2 mm；當(dāng)泊松比為0.25時(shí)，土體的最大位移為4.5 mm；當(dāng)泊松比為0.30時(shí)，土體的最大位移為4.2 mm。

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析可得出如下結(jié)論：在克泥效的彈性模量不變的情況下，地層變形及穿越風(fēng)險(xiǎn)源沉降會(huì)因?yàn)椴此杀犬a(chǎn)生一定的變化，當(dāng)泊松比的取值越大，地層變形及穿越風(fēng)險(xiǎn)源沉降越小。

3.3.3 克泥效不同黏聚力對(duì)變形的影響

在克泥效彈性模量及泊松比不變的條件下，對(duì)克泥效的黏聚力對(duì)地層變形及穿越風(fēng)險(xiǎn)源沉降的影響進(jìn)行研究。選定克泥效半密實(shí)的狀態(tài)（即彈性模量為10 000 kPa時(shí)）、泊松比為0.25時(shí)，分別取黏聚力為5、10、20 kPa進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示：黏聚力的不同，對(duì)地層和穿越風(fēng)險(xiǎn)源沉降影響的程度不明顯。在黏聚力為5、10、20 kPa這3種情況下，反映出的最大的沉降值為4.5 mm（見圖4）。

4 理論分析驗(yàn)證

4.1 整體思路

針對(duì)本工程下穿風(fēng)險(xiǎn)源建（構(gòu)）筑物較多的情況，為了達(dá)到減小盾構(gòu)穿越建（構(gòu)）筑物期間地面沉降的目的，在不包裹盾體的情況下，利用克泥效與水玻璃的混合液高黏度膠化體、不易受水稀釋的特點(diǎn)，盾構(gòu)在淤泥地層中穿越風(fēng)險(xiǎn)建（構(gòu)）筑物時(shí)，從盾構(gòu)機(jī)中盾徑向孔處向土體與盾體的間隙處注入克泥效與水玻璃混合液，起到減小地面沉降的作用。那么，如何選用材料、確定混合液配比、確定注入量及速度等問題將尤為重要。

4.2 材料選用

克泥效主要由合成鈣基黏土礦物、纖維素衍生劑、膠體穩(wěn)定劑和分散劑等混合而成，現(xiàn)無(wú)明確技術(shù)指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)選用黏性較強(qiáng)的克泥效；水玻璃的黏聚力強(qiáng)、耐熱性和耐水性都很好，而且還具有耐堿和耐酸性，是一種礦黏合劑。所以在施工過程中選用40 Bé的高效能水玻璃。

4.3 配比選定

在克泥效施工前，對(duì)克泥效與水玻璃混合液配比進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，考慮區(qū)間地下水較為豐富，在室外環(huán)境下凝結(jié)時(shí)間需較快，按凝結(jié)時(shí)間4.5 s，黏度30～50 Pa·s進(jìn)行試驗(yàn)、配比，經(jīng)過多次試驗(yàn)確定克泥效∶水玻璃=20∶1，即每立方米克泥效與水玻璃混合液中的克泥效用量為400 kg，混合液凝結(jié)時(shí)間與黏度滿足施工要求。

4.4 注入孔確定

因本工程Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源（即2～9層混凝土結(jié)構(gòu)酒店）在區(qū)間隧道左線左側(cè)，同時(shí)為了更及時(shí)地填充盾殼與圍巖之間的空隙，故選定中盾靠前的左上部徑向孔注入克泥效與水玻璃的混合液。

4.5 每環(huán)注入量及注入速度

盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑為6 480 mm，管片外徑6 200 mm，管片長(zhǎng)度為1.2 m，根據(jù)計(jì)算每環(huán)應(yīng)注入0.48 m3克泥效與水玻璃的混合液，按照130%的理論填充系數(shù)（淤泥等軟土層），每環(huán)掘進(jìn)克泥效注入量為0.62 m3，泵送壓力控制在0.4～0.6 MPa。

克泥效注入時(shí)間同同步注漿，遵循“掘進(jìn)必須注漿”的原則，注入速度如表2所示。

表2 克泥效與水玻璃混合液注入速度

5 實(shí)施效果對(duì)比

使用前：在福州地鐵6號(hào)線2標(biāo)段5工區(qū)區(qū)間隧道右線穿越Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)，未使用克泥效，在水平間距更大的情況下最大沉降達(dá)到－17.5 mm，地面監(jiān)測(cè)沉降數(shù)據(jù)偏大。

使用后：左線穿越Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)，使用了克泥效，成功地安全穿越，人工監(jiān)測(cè)錄得的最大累計(jì)沉降值為－5.0 mm，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)錄得的最大累計(jì)沉降為－5.6 mm。

使用克泥效與水玻璃混合液后，盾構(gòu)施工過程中，地面沉降明顯減小，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)安全、順利地穿越，得到了業(yè)主的一致好評(píng)。同時(shí)達(dá)到了控制成本、減少后期施工，甚至替代地面建筑物預(yù)加固、減小地面施工占道影響交通及降低穿越風(fēng)險(xiǎn)的目的。

6 結(jié)語(yǔ)

通過進(jìn)行HS模型數(shù)值模擬并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析后得出，地層在掘進(jìn)過程中，克泥效與水玻璃混合液填充盾構(gòu)間隙的施工方案能夠減少對(duì)地層土體的破壞，防止沉降和變形，減少建筑物的損害，所以該方案在盾構(gòu)穿越及盾構(gòu)停機(jī)保壓過程中可操作性強(qiáng)、安全系數(shù)高，減少損害，可以推廣應(yīng)用。

克泥效與水玻璃在盾構(gòu)掘進(jìn)淤泥地層中的應(yīng)用是利用克泥效與水玻璃混合液為高黏度膠化體不易受水稀釋的特點(diǎn)，盾構(gòu)施工在淤泥地層中穿越高風(fēng)險(xiǎn)建構(gòu)筑物時(shí)，通過盾體徑向孔注入，從而迅速填充盾殼與周圍土體間隙，且在不包裹盾體的情況下，減小了土體沉降，起到保障安全穿越的作用。