基于有限元盾構(gòu)開倉開挖面穩(wěn)定性及施工技術(shù)研究

張麗娟

(中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司 北京 101300)

1 前言

盾構(gòu)法施工因其安全性高且對周邊環(huán)境影響較小，被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通施工。由于盾構(gòu)掘進的地層圍巖差異較大，導(dǎo)致盾構(gòu)在該地層施工中存在開倉較頻繁現(xiàn)象。為確保開倉時安全及盾構(gòu)開倉開挖面穩(wěn)定性，本文進行針對性研究。

針對盾構(gòu)開倉及開挖面的穩(wěn)定性，國內(nèi)一些學者進行了相應(yīng)研究[1－5]。程紅戰(zhàn)等[6]研究了土體抗剪強度指標與盾構(gòu)開挖面的空間變異性；孟憲彪[7]指出盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定是確保開倉的關(guān)鍵；顏超[8]對盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)機理進行了研究，同時對引起開挖面失穩(wěn)機理的因素進行了分類；代仲海等[9]基于極限平衡法，研究盾構(gòu)近距離穿越隧道開挖面極限支護壓力變化模式，并對相關(guān)參數(shù)的敏感性進行驗證；汪琴[10]以MATLAB為平臺，利用二次開發(fā)開倉壓力上限值進行研究；宋洋等[11]采用有限元數(shù)值軟件MIDAS-GTS對盾構(gòu)隧道開挖面的被動破壞過程進行模擬。

本文以廣州地鐵4號線塘—大區(qū)間盾構(gòu)隧道為工程背景，對盾構(gòu)開倉開挖面穩(wěn)定及施工技術(shù)進行研究，為區(qū)域施工提供技術(shù)支撐。

2 工程概況

廣州地鐵4號線南延段塘—大盾構(gòu)區(qū)間隧道工程雙線合計總長3 595.354 m，管片共2 392環(huán)。區(qū)間地層為典型上軟下硬復(fù)合地層，巖土層強度差異較大，局部中等、微風化巖侵入隧道中，單軸抗壓強度最高可達106 MPa，硬質(zhì)巖段長度共計712.5 m。

3 有限元模型及工況選取

3.1 有限元模型構(gòu)建

區(qū)間隧道直徑根據(jù)設(shè)計要求取D＝6 m，隧道埋深H(隧道中心到地表的垂直距離)為10 m。管片采用鋼筋混凝土，強度等級為C50，管片厚度為300 mm。相關(guān)地層的物理力學基本參數(shù)如表1所示。運用FLAC3D有限元軟件建立模型，模型如圖1所示。計算模型尺寸為(x方向)長64 m×(y方向)寬51 m×(z方向)高34 m。模型底部采用固定邊界，周圍采用法向約束邊界。

圖1 有限元計算模型

表1 地層基本物理力學參數(shù)

3.2 材料參數(shù)

有限元模型采用摩爾－庫侖本構(gòu)模型，管片參數(shù)如表2所示。

表2 管片材料物理力學指標

3.3 工況選取

根據(jù)工程實際情況，本文擬選取兩種工況:工況1開倉加壓值選取2D/3處地下水壓力(從盾構(gòu)頂部算起)；工況2開倉加壓值選取D/2處地下水壓力(從盾構(gòu)頂部算起)，具體工況如表3所示。

表3 模擬工況下開倉加壓值

4 開挖面穩(wěn)定性有限元計算結(jié)果與分析

4.1 開挖面破壞形式分析

由圖2a可知，區(qū)間隧道周邊地層的擾動范圍已發(fā)展到地表，盾構(gòu)開挖面出現(xiàn)失穩(wěn)破壞時，開挖面土體產(chǎn)生向盾構(gòu)機擠壓趨勢，其破壞形態(tài)為“擠壓擴張型”，此種破壞型式主要出現(xiàn)在盾構(gòu)開挖面下部，且在該位置產(chǎn)生變形最大值；工況2狀態(tài)下，盾構(gòu)開挖面變形首先出現(xiàn)在其上部，且變形趨勢大于開挖面下部，其局部失穩(wěn)概率較大，在此工況下產(chǎn)生失穩(wěn)破壞時，其最終失穩(wěn)形態(tài)為整體失穩(wěn)破壞，破壞形態(tài)也表現(xiàn)為“擠壓擴張型”，如圖2b所示。

圖2 盾構(gòu)開倉開挖面極限狀態(tài)時周圍土層變形

4.2 開挖面變形分析

由圖3可知，工況1狀態(tài)下，開挖面的變形隨著開挖面的支護應(yīng)力比逐漸減小而增大，開挖面產(chǎn)生了面向盾構(gòu)的“隆起”變形；工況2狀態(tài)下，盾構(gòu)開倉后，開挖面下層為混合花崗巖強風化帶，上層為粉質(zhì)黏土，導(dǎo)致盾構(gòu)開倉開挖面上部水平變形明顯高于下部，開挖面最大水平位移發(fā)生在開挖面中心點上方約1 m處。

圖3 支護應(yīng)力比與水平位移關(guān)系(極限狀態(tài)下)

4.3 盾構(gòu)開倉開挖面前方地表沉降分析

為準確研究盾構(gòu)開倉開挖面前方地表沉降與開倉狀態(tài)下氣壓支護力的普適性規(guī)律，沿盾構(gòu)掘進方向在地表布置橫向、縱向沉降觀測點，具體如圖4所示。

圖4 觀測點布設(shè)

由圖5可知，工況1和工況2狀態(tài)下，在失穩(wěn)破壞前及極限狀態(tài)時，地表的縱向沉降分布較為平緩，在盾構(gòu)掘進方向前部約3 m處(即D/2，D為區(qū)間隧道直徑)產(chǎn)生最大沉降量。當支護應(yīng)力比小于極限支護應(yīng)力比時，開挖面前方地表沉降急劇增大，呈“U”型。

圖5 盾構(gòu)開倉支護應(yīng)力比與前方地表縱向沉降關(guān)系

由圖6可知，兩種工況條件下開挖面失穩(wěn)破壞引起的地表沉降均呈V型分布，沉降槽呈現(xiàn)出一個倒錐體，沉降槽寬度均約為2D。工況1在極限狀態(tài)時開挖面前方最大地表沉降約為30 mm，工況2在極限狀態(tài)時開挖面前方最大地表沉降小于30 mm，可滿足盾構(gòu)施工地表沉降控制要求。

圖6 盾構(gòu)開倉支護應(yīng)力比與前方地表橫向沉降關(guān)系

5 盾構(gòu)開倉開挖面穩(wěn)定控制技術(shù)

盾構(gòu)開倉受區(qū)間周邊環(huán)境、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、施工能力等一系列因素影響，同時具備高風險、高費用、長周期特點。為確保盾構(gòu)開倉順利完成，最關(guān)鍵一環(huán)是確保盾構(gòu)開倉開挖面穩(wěn)定，因此，需根據(jù)工程實際，設(shè)計合理的盾構(gòu)開倉開挖面穩(wěn)定施工方案，本文從以下幾個方面進行盾構(gòu)開倉開挖面穩(wěn)定及施工技術(shù)研究。

5.1 盾構(gòu)開倉刀盤后止水措施

為降低盾構(gòu)開倉期間地下水侵入影響，首先對區(qū)間盾構(gòu)開倉部位進行地表加固，然后再進行區(qū)間隧道二次注漿，以提高止水效果。

(1)在盾構(gòu)開倉期間，利用盾構(gòu)外殼預(yù)留孔采用高壓注漿方式向盾構(gòu)周邊注入1.10～1.15 g/cm3高粘度漿液，以免漿液流失。

(2)為避免二次注漿漿液流失影響盾尾刷，確保盾尾刷在盾構(gòu)開倉后繼續(xù)掘進時的可靠度，提高盾尾止水效果，向該部位注入部分油脂。

(3)盾構(gòu)開倉后，在離開盾尾第2環(huán)管片位置，在管片上部吊裝孔處進行高壓雙液注漿，注漿壓力高出同步注漿0.4～0.8 bar。注漿完畢后，連通盾尾后第1環(huán)管片，注漿孔中無明顯漿液滲漏，則符合要求。

5.2 開挖面泥膜質(zhì)量控制

泥膜質(zhì)量對維持盾構(gòu)開倉開挖面穩(wěn)定具有重要作用，本文根據(jù)工程實際地質(zhì)條件與區(qū)間周邊環(huán)境，施工中遵循“高稠度、高密閉、低比重、易成膜”的原則，并調(diào)整泥漿參數(shù)，同時對所選泥漿材料進行優(yōu)化。為確保盾構(gòu)開倉開挖面泥漿成膜質(zhì)量，采取“勤檢測、重調(diào)整”的措施，及時將檢測結(jié)果通過試驗應(yīng)用于工程實際。

5.3 盾構(gòu)開倉期間監(jiān)測措施

根據(jù)工籌計劃，提前確定盾構(gòu)開倉位置，多采取主動開倉方式。編制盾構(gòu)開倉期間專項監(jiān)測方案。監(jiān)測點布置于盾構(gòu)開倉開挖面前后部位。采取加密監(jiān)測頻率方式，周邊地表監(jiān)測頻率為8次/d。如監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生突變，則在分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，還需增加開挖面相應(yīng)監(jiān)測。特殊情況時，需終止開倉，待情況穩(wěn)定且提出合理施工措施后再繼續(xù)開倉。

6 異常工況處理

6.1 盾構(gòu)開倉前土壓異常處治措施

盾構(gòu)開倉前，確保盾構(gòu)出土量控制在12 m3(2/3斗)內(nèi)，同時通過盾構(gòu)刀盤充高氣壓來確保渣土出土過程中土倉壓力正常。如發(fā)現(xiàn)土倉壓力不穩(wěn)定時，應(yīng)暫停出土，待通過工程措施確保土倉壓力穩(wěn)定后可進行后續(xù)施工。

6.2 盾構(gòu)開倉前地層含水量較大時的處治措施

盾構(gòu)開倉前，通過土工試驗及超前預(yù)報，探明盾構(gòu)開倉開挖面前部地層含水量，并根據(jù)含水量情況制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。如含水量超出預(yù)報，則可通過盾構(gòu)土倉內(nèi)置排水閥確定艙內(nèi)水位。

6.3 盾構(gòu)開倉維護期間產(chǎn)生異常的處治措施

盾構(gòu)開倉維護期間，應(yīng)安排專人監(jiān)測盾構(gòu)開倉開挖面土層的穩(wěn)定，如出現(xiàn)管涌、塌方等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)兆時，要立刻暫停施工，人員全部撤離，待處理完成相關(guān)危險源后，恢復(fù)盾構(gòu)掘進。

6.4 盾構(gòu)開倉開挖面周邊環(huán)境產(chǎn)生異常的處治措施

盾構(gòu)開倉期間，根據(jù)工程實際制定專項監(jiān)測方案，根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整施工方案。當出現(xiàn)重大危險源時，應(yīng)根據(jù)應(yīng)急預(yù)案立即采取處治措施，同時應(yīng)加強與盾構(gòu)隊伍溝通，通過恢復(fù)掘進、同步注漿重建土倉壓力，延緩地層沉降，待危險源消除，確保地層穩(wěn)定后再開始下一步施工。

7 工程效果

廣州地鐵四號線南延段塘—大盾構(gòu)區(qū)間隧道地層復(fù)雜，存在基巖凸起軟硬不均地層。復(fù)雜地層條件引起盾構(gòu)刀具損耗增大，根據(jù)工程實際工籌安排，需進行多次開倉換刀及維護工作。本工程實際施工過程中共進行11次開倉作業(yè)，開倉開挖面穩(wěn)定，均順利完成相應(yīng)作業(yè)，具體開倉情況如表4所示。

表4 區(qū)間上下行線盾構(gòu)開倉情況

本工程采取盾構(gòu)開倉刀盤后止水措施，加強開挖面泥膜質(zhì)量控制，同時制定盾構(gòu)開倉專項監(jiān)測方案，確保了本工程盾構(gòu)開倉順利完成。

8 結(jié)束語

(1)本文基于有限元對開挖面破壞形式、開挖面變形和開挖面前方地表沉降三方面進行開挖面穩(wěn)定性分析，并得到相應(yīng)的規(guī)律。

(2)從盾構(gòu)開倉刀盤后止水措施、開挖面泥膜質(zhì)量控制和盾構(gòu)開倉期間監(jiān)測措施三方面對盾構(gòu)開倉開挖面穩(wěn)定控制技術(shù)進行研究，提出相應(yīng)參數(shù)并將該方案應(yīng)用于實際，取得良好效果。

(3)給出開挖面異常工況處理及施工安全事項等一系列盾構(gòu)施工帶壓開倉特種作業(yè)技術(shù)措施，為大灣區(qū)盾構(gòu)開倉開挖面穩(wěn)定提供工程參考與借鑒。