福州地區(qū)不同地層泥水盾構(gòu)參數(shù)控制研究

李希宏，姚兆龍

(中交二航局成都城建有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

隨著城市化發(fā)展，人口集中與現(xiàn)代化建設(shè)都大大增加了城市的交通壓力，迫切需要開(kāi)發(fā)城市地下空間潛能。城市地鐵作為大型公共交通設(shè)施，可滿足城市人口快速流動(dòng)的需求。地鐵隧道多位于經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、人流較大的地段，為減小對(duì)地面交通的影響，地鐵隧道多采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)包含土壓盾構(gòu)、泥水盾構(gòu)和復(fù)合型盾構(gòu)。

蔣曉天等[1]以沈陽(yáng)地鐵11號(hào)線為依托，總結(jié)泥水盾構(gòu)穿越富水砂礫層的掘進(jìn)參數(shù)，為類似地層的掘進(jìn)提供依據(jù)和參考。宋超業(yè)等[2]以瓊州海峽通道為依托，提出盾構(gòu)長(zhǎng)距離掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)。然而，盾構(gòu)法施工機(jī)械化程度高，以高自重的盾構(gòu)機(jī)為主要施工器具，在復(fù)合軟土地層中施工常常會(huì)出現(xiàn)盾構(gòu)栽頭和下沉，對(duì)盾構(gòu)施工極為不利。彭康等[3]對(duì)上軟下硬多變地層中泥水盾構(gòu)的適應(yīng)性進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，總結(jié)出多項(xiàng)盾構(gòu)選型措施，有效提高施工效率。梁聰?shù)萚4]對(duì)盾構(gòu)下穿京杭大運(yùn)河過(guò)程中的盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，表明選擇合適的盾構(gòu)機(jī)型、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)及二次注漿能較好地保證盾構(gòu)順利下穿運(yùn)河。秦佳佳[5]對(duì)合肥地區(qū)的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證掘進(jìn)參數(shù)。楊建烽等[6]利用有限元軟件對(duì)深圳地鐵10號(hào)線崗蓮區(qū)間進(jìn)行沉降控制模擬，研究表明，同步注漿能有效控制成型隧道初期沉降，二次注漿作為輔助措施，可補(bǔ)救后期沉降。在富水軟土地層進(jìn)行盾構(gòu)施工，常常會(huì)出現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)超限，而對(duì)此種情況的研究很少。

本文基于福州地區(qū)特殊軟土地層進(jìn)行研究分析，利用有限元分析3種不同地層中盾構(gòu)法施工的沉降特性，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)出適用于富水軟土地層泥水盾構(gòu)施工的掘進(jìn)參數(shù)。

1 工程概況

江邊村(始發(fā))—鰲峰路(接收)區(qū)間為雙線雙洞盾構(gòu)隧道，右線里程YDK37+764.431—YDK39+393.496，總長(zhǎng)1 629.065m，共計(jì)1 357環(huán)；左線里程ZDK37+764.431—ZDK39+393.496，短鏈15.696m，總長(zhǎng)1 613.369m，共計(jì)1 343環(huán)。采用2臺(tái)氣墊式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工。盾構(gòu)區(qū)間跨越閩江，隧道掘進(jìn)斷面地質(zhì)以淤泥質(zhì)土、淤泥夾砂、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土和含泥中細(xì)砂為主，具體參數(shù)如表1所示。由表1可知，粉細(xì)砂地層的變形模量較淤泥夾砂地層高出4MPa，稱隧道斷面上部淤泥夾砂地層、下部粉細(xì)砂地層的交互地層為上軟下硬交互地層。

表1 地質(zhì)參數(shù)

2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)福州地區(qū)的地質(zhì)情況，利用MIDAS GTS/NX巖土分析軟件，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中不同地層的地表沉降進(jìn)行模擬[7-8]。盾構(gòu)掘進(jìn)地層主要包含淤泥夾砂②4-4、粉細(xì)砂③2及含泥中細(xì)砂②4-6。隧道埋深分別按10.6，25.3，25.0m考慮。

利用MIDAS GTS/NX軟件分析典型地層單線掘進(jìn)過(guò)程中的土體擾動(dòng)情況，模型尺寸為60m×50m×50m，土體采用修正莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)，隧道及同步注漿層采用彈性本構(gòu)模型。由于地層地下水豐富，模擬過(guò)程中須考慮浮力影響，根據(jù)式(1)計(jì)算隧道底部施加相應(yīng)水頭的浮力值：

F=γwh

(1)

式中：γw為水的重度，一般取10kN/m3；h為水頭高度。

不同地層下盾構(gòu)掘進(jìn)后的地表變形及受浮力后的地表變形模擬結(jié)果如圖1，2所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

圖1 盾構(gòu)掘進(jìn)中的地表變形

表2 模擬結(jié)果

圖2 受浮力后的地表變形

由圖1,2可知，掘進(jìn)過(guò)程中隧道附近的地層變形為拱底隆起，拱頂沉降，地表沉降規(guī)律符合Peck沉降原理，呈正態(tài)分布。由表2可知，粉細(xì)砂地層掘進(jìn)過(guò)程中，地層擾動(dòng)最小，且在埋深相近并受地下水浮力影響的情況下，較上軟下硬交互地層的地表最大沉降量減小13.77mm，減幅達(dá)81.2%。受地下水影響后，各地層的沉降量均發(fā)生較大變化，淤泥夾砂地層中的沉降量下降40%，上軟下硬交互地層中的沉降量下降6.7%，粉細(xì)砂地層中的沉降量下降17.6%。

3 實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)分析

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，由于地下情況復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)自重大，需根據(jù)掘進(jìn)地層和埋深對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。本次盾構(gòu)掘進(jìn)地層以軟土為主，采用安全系數(shù)較高的泥水氣墊式盾構(gòu)機(jī)，掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)姿態(tài)及盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表的擾動(dòng)難以控制[9]。

掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)泥水盾構(gòu)的刀盤切口水壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、油缸推進(jìn)速度、同步注漿量及同步注漿壓力等主要參數(shù)進(jìn)行控制。選取本區(qū)間掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)良好部分進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出適合福州地區(qū)特殊軟土地層泥水盾構(gòu)施工的掘進(jìn)參數(shù)，供類似組合地層的盾構(gòu)施工參考[10-13]。

3.1 刀盤切口水壓

為保證刀盤掌子面穩(wěn)定，需控制刀盤前方的切口水壓力，根據(jù)盾構(gòu)所處地層的地質(zhì)情況和隧道埋深確定切口水壓的理論上、下限值。

1)切口水壓上限值

P上=P1+P2+P3=γwh+K0

[(γ-γw)h+γ(H-h)]+20

(2)

式中：P上為切口水壓上限值(kPa)；P1為地下水壓力(kPa)；P2為靜止土壓力(kPa)；P3為變動(dòng)土壓力，一般取20kPa；γw為水的重度(kN/m3)；h為地下水位以下的隧道埋深(算至隧道中心，m)；K0為靜止土壓力系數(shù)；γ為土的重度(kN/m3)；H為隧道埋深(算至隧道中心，m)。

2)切口水壓下限值

P下=P1+P′2+P3=γwh+

(3)

對(duì)淤泥夾砂地層、上軟下硬交互地層和粉細(xì)砂地層刀盤切口水壓值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。其中1-1代表淤泥夾砂地層中右部切口水壓，1-2代表左部切口水壓，1-3代表上部切口水壓，其他地層以此類推。由圖3可知，淤泥夾砂地層切口水壓值最小，為0.134～0.167MPa；粉細(xì)砂地層切口水壓值最大，為0.331～0.338MPa；上軟下硬交互地層切口水壓值介于其他2種地層之間，為0.266～0.291MPa；3種地層刀盤實(shí)際切口水壓均介于理論計(jì)算值之間，參數(shù)取值合理。

圖3 刀盤切口水壓曲線

3.2 刀盤扭矩

刀盤扭矩值主要考慮切削土體、摩擦力矩、抵抗旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩、渣土切削及攪拌渣土。統(tǒng)計(jì)3種地層中刀盤扭矩值，如圖4所示。由圖4可知，在粉細(xì)砂地層中掘進(jìn)時(shí)，需較大扭矩值，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是粉細(xì)砂的內(nèi)摩擦角較大，切削過(guò)程中受刀盤擠壓后形成密實(shí)架構(gòu)，導(dǎo)致后續(xù)切削工作困難，需增大扭矩。淤泥夾砂地層中掘進(jìn)時(shí)的平均扭矩為537kN·m，粉細(xì)砂地層中掘進(jìn)時(shí)的平均扭矩為1 115kN·m，上軟下硬交互地層中掘進(jìn)時(shí)的平均力矩為651kN·m。

圖4 刀盤扭矩

3.3 刀盤轉(zhuǎn)速

刀盤轉(zhuǎn)速需根據(jù)掘進(jìn)地層的地質(zhì)概況進(jìn)行調(diào)整，統(tǒng)計(jì)典型代表地層的刀盤轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，如圖5所示。由圖5可知，在淤泥夾砂地層中掘進(jìn)的刀盤轉(zhuǎn)速最快，平均轉(zhuǎn)速為1.16r/min；在上軟下硬交互地層中掘進(jìn)的刀盤轉(zhuǎn)速較慢，平均轉(zhuǎn)速為0.73r/min；在粉細(xì)砂地層中掘進(jìn)的平均轉(zhuǎn)速為1.04r/min。

圖5 刀盤轉(zhuǎn)速

3.4 油缸推進(jìn)速度

油缸推進(jìn)速度根據(jù)4個(gè)分區(qū)油缸的平均速度求和平均得出，初入地層時(shí)，推進(jìn)速度需進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，待各項(xiàng)參數(shù)調(diào)整到位后，各地層中的平均推進(jìn)速度基本上能保持平穩(wěn)一致，平均推進(jìn)速度在40mm/min附近波動(dòng)，如圖6所示。

圖6 油缸推進(jìn)速度

3.5 同步注漿統(tǒng)計(jì)分析

3.5.1同步注漿量

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，由于盾體直徑與管片直徑間存在一定差值，為減小管片脫出盾尾后對(duì)原狀地層產(chǎn)生的影響，掘進(jìn)時(shí)需同步注漿，保證能及時(shí)填充壁后空隙。統(tǒng)計(jì)分析3種典型地層中的同步注漿量，如圖7所示。由于粉細(xì)砂地層孔隙率高，同步注漿時(shí)考慮地層孔隙損耗，所以增加了同步注漿量，平均注漿量為7.27m3，淤泥夾砂地層孔隙率低，故同步注漿量較小，平均注漿量為6.21m3，上軟下硬交互地層中的平均注漿量為7.05m3。

圖7 同步注漿量

3.5.2同步注漿壓力

同步注漿是從盾尾注入，為保證注漿均勻，設(shè)置4個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行注入，考慮各部位的地層差異，盾構(gòu)、管片及漿液自重，對(duì)各部位的注漿口采用不同壓力值注漿，統(tǒng)計(jì)分析3種地層中各注漿口的壓力值，如圖8所示。圖中1-1表示淤泥夾砂地層右上部，1-2表示右下部，1-3表示左下部，1-4表示左上部，其他地層以此類推。正常掘進(jìn)過(guò)程中左、右部切口水壓控制值相等，故刀盤切口水壓曲線重合。由圖8可知，上部注漿壓力值均小于下部，右下部的注漿壓力在各地層中均高于其他部位，其中粉細(xì)砂地層和上軟下硬交互地層的右下部注漿壓力較大，可能是盾構(gòu)所處地層的彈性模量較大，導(dǎo)致注漿難度大，不易注入。

圖8 同步注漿壓力

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 隧道工后沉降分析

為及時(shí)掌握隧道工后沉降情況，對(duì)隧道拱頂和拱底豎向位移進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)，每10環(huán)布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)頻率為1次/d，監(jiān)測(cè)周期為20d，從隧道成型開(kāi)始監(jiān)測(cè)，20d后隧道沉降穩(wěn)定后終止[14-15]。選取3種典型地層的隧道豎向位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖9所示。

圖9 典型地層成型隧道豎向位移

由圖9可知，隧道拱頂及拱底的工后變形量均較穩(wěn)定，豎向位移一般為-3.6～2.1mm，均在監(jiān)測(cè)要求限值內(nèi)(±20mm)。這說(shuō)明本次工后成型隧道穩(wěn)定性良好，且后續(xù)施工對(duì)成型隧道影響較小。

4.2 地表沉降分析

地表豎向位移監(jiān)測(cè)曲線如圖10所示。其中，DBC50～DBC90為淤泥夾砂掘進(jìn)地層，DBC450～DBC490為上軟下硬交互地層，DBC680～DBC720為粉細(xì)砂地層。

圖10 地表豎向位移

由圖10可知，地表沉降最終的穩(wěn)定沉降值與表2中的模擬值相近，均為上軟下硬交互地層變形最大，粉細(xì)砂地層變形最小，表明實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)與地層的適應(yīng)性良好；在上軟下硬地層中掘進(jìn)時(shí)，需注意地表沉降情況，必要時(shí)采取二次注漿和地面注漿加固措施。

5 結(jié)語(yǔ)

福州地區(qū)特殊軟土富水地層屬于臨海地區(qū)的復(fù)合復(fù)雜地層，掘進(jìn)施工參考經(jīng)驗(yàn)較少，選取掘進(jìn)過(guò)程中3種典型斷面的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出適合每種地層的掘進(jìn)參數(shù)，并結(jié)合MIDAS GTS/NX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證實(shí)際掘進(jìn)結(jié)果的可行性。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，上軟下硬交互地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)最大，掘進(jìn)過(guò)程中需注意地表沉降影響，必要時(shí)采取加固措施；隧道工后沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隧道工后變形較小，掘進(jìn)過(guò)程中的土體擾動(dòng)對(duì)成型隧道影響較小，成型隧道自穩(wěn)性良好。