大埋深高水壓地層盾構(gòu)端頭加固技術(shù)數(shù)值模擬研究

肖 鋼，雷 波，占永杰

(1.中鐵五局集團(tuán)電務(wù)城通工程有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

隨著國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入，地下軌道交通、引水隧洞得以迅猛發(fā)展，新建隧洞的埋深也越來(lái)越大。盾構(gòu)接收是盾構(gòu)施工中最重要的環(huán)節(jié)之一[1-3]，常用的盾構(gòu)接收端地層加固方法有降水法、注漿法、深層攪拌樁法、SMW法、高壓旋噴樁法、凍結(jié)法等[4-5]。針對(duì)不同的水文地質(zhì)情況、覆土厚度、盾構(gòu)機(jī)直徑、盾構(gòu)機(jī)型、施工環(huán)境等因素采取相應(yīng)的加固措施，可以有效降低盾構(gòu)接收發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。然而，在大埋深、高水壓地層中，破除盾構(gòu)洞門后直接削弱了圍巖穩(wěn)定性，易形成地下水滲流通道，導(dǎo)致涌泥涌砂、洞門坍塌等事故[6-7]。因此，研究大埋深高水壓地層盾構(gòu)端頭加固技術(shù)具有重要的工程意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)接收技術(shù)已經(jīng)開展了諸多相關(guān)研究。Yang等[8]認(rèn)為在高水壓地層盾構(gòu)接收成功與否很大程度取決于土體加固效果，為此提出了一種基于低溫凍結(jié)原理的密封工藝，當(dāng)液壓壓力大于0.15 MPa時(shí)，凍結(jié)裝置具有良好的密封能力。戴志仁和張心曠[9]分析了不同地層加固措施的應(yīng)用效果，指出高壓旋噴樁搭接處是加固薄弱區(qū)域，容易形成滲流通道，導(dǎo)致盾構(gòu)接收過(guò)程中涌水涌砂。黃合理和王立波[10]指出在大粒徑砂卵石地層中，盾構(gòu)接收端隧道上方可采用大管棚預(yù)加固，并結(jié)合高壓注漿，高壓注漿壓力控制在3 MPa。劉健鵬等[11]依托無(wú)錫地鐵勝利門站—三陽(yáng)廣場(chǎng)站盾構(gòu)接收工程，提出在無(wú)地面加固條件的情況下，可采用水平凍結(jié)+管棚注漿加固方式，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明該工藝合理可行，但究竟是凍結(jié)法加固效果占主導(dǎo)地位還是管棚注漿法尚未可知。王文燦[12]根據(jù)天津某標(biāo)段工程地質(zhì)條件，分析了凍結(jié)法和水平注漿的組合加固技術(shù)，采用“杯狀”凍結(jié)，距盾構(gòu)接收井地連墻3 m全斷面凍結(jié)加固，施工質(zhì)量滿足驗(yàn)收要求。耿傳政[13]提出在成都卵石和泥巖復(fù)合地層中，合理的大管棚設(shè)計(jì)可以有效控制盾構(gòu)接收對(duì)地層的擾動(dòng)，大管棚最大注漿壓力不大于0.5 MPa，有效增強(qiáng)了盾構(gòu)接收端土體的穩(wěn)定性。龔振宇等[14]針對(duì)洞門埋深26 m的盾構(gòu)接收工程，按照理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)類比確定了加固范圍，并設(shè)計(jì)了接收端降水方案，確保了盾構(gòu)的安全接收。綜上所述，目前大多盾構(gòu)接收工程洞門埋深20 m～30 m，針對(duì)大埋深高水壓地層盾構(gòu)接收技術(shù)研究較少。

為此，以滇中引水龍泉倒虹吸隧洞接收為工程背景，針對(duì)滇中引水龍泉倒虹吸隧洞盾構(gòu)接收涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題，使用MIDAS GTS建立三維滲流-應(yīng)力耦合模型，分析盾構(gòu)接收過(guò)程中接收井地連墻、洞門周邊土體、地表沉降和地下水滲流情況，評(píng)估地下水滲流作用下大管棚注漿法與凍結(jié)法土體加固效果，可為今后同類大埋深盾構(gòu)接收工程施工起到一定的借鑒作用。

1 工程概況和場(chǎng)地條件

1.1 工程概況

龍泉倒虹吸上接龍泉隧洞，下連昆呈隧洞，倒虹吸線路沿灃源路布設(shè)，隧洞長(zhǎng)5 009.693 m，隧洞頂埋深20 m～75 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用1.5 m厚地下連續(xù)墻，接收井主體結(jié)構(gòu)圓形結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段為R=7.5 m，部分開孔加厚段為R=6.5 m，接收井盾構(gòu)洞門埋深72.3 m，結(jié)構(gòu)采用“明挖逆作+局部順作”結(jié)合施工。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

接收井基坑開挖深度范圍內(nèi)涉及的地層主要為③-10素填土、①-6粉質(zhì)黏土、①-7黏土、①-5粉土、①-4泥炭質(zhì)土等，盾構(gòu)洞門區(qū)域內(nèi)分布有軟土，軟土天然含水率較大，滲透性弱，抗剪強(qiáng)度很低，屬于靈敏度較高土層，易產(chǎn)生流土、流砂現(xiàn)象，受擾動(dòng)后強(qiáng)度將大幅降低。主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，接收井墻身地層及剖面圖如圖1所示。

圖1 接收井墻身地層及剖面示意圖

本區(qū)地下水主要為上層滯水及巖溶裂隙水類型，地下水埋藏深淺不一，其動(dòng)態(tài)特征主要接受大氣降水、地表水下滲補(bǔ)給，以蒸發(fā)方式向下游低洼處進(jìn)行排泄，接收井場(chǎng)地穩(wěn)定地下水位埋深4.5 m～5.5 m。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[15](JGJ 120—2012)附錄E.0.3，群井按大井簡(jiǎn)化承壓水-潛水非完整井的基坑降水總涌水量公式計(jì)算，經(jīng)計(jì)算得：Q=1 462.5 m3/d，通過(guò)含水層地段施工需采取相應(yīng)的止水及防水措施。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)

2 有限元模型建立

2.1 計(jì)算模型

采用MIDAS GTS有限元軟件依據(jù)工程實(shí)際情況對(duì)盾構(gòu)接收施工建立滲流-應(yīng)力耦合數(shù)值計(jì)算模型，分析盾構(gòu)接收過(guò)程中管棚注漿法與凍結(jié)法加固效果。綜合考慮基坑施工和盾構(gòu)接收對(duì)周邊影響范圍，為減小模型邊界效應(yīng)影響，計(jì)算范圍取3倍～5倍開挖洞徑，取模型范圍為長(zhǎng)150 m，寬150 m，深度120 m，整個(gè)模型尺寸采用混合網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格圖

模型底部邊界采用全約束，四周側(cè)立面采用法向約束，一般認(rèn)為隧道經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期滲流后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，由于襯砌滲透性低且相對(duì)厚度較小，假設(shè)襯砌內(nèi)滲流方向以徑向?yàn)橹?，且襯砌內(nèi)邊界處于等水頭狀態(tài)，所以在穩(wěn)定期做滲流模擬時(shí)，隧道襯砌處的水頭邊界條件可以輸入一個(gè)常數(shù)。深埋隧道滲流模擬時(shí)，模型頂部、側(cè)部、底部均設(shè)置節(jié)點(diǎn)水頭的邊界條件，選擇“總水頭”類型更便捷。數(shù)值計(jì)算中，在每環(huán)掌子面設(shè)定節(jié)點(diǎn)壓力水頭為0 kPa，以模擬盾構(gòu)接收過(guò)程中地下水的滲流情況?？紤]到實(shí)際盾構(gòu)施工拼裝管片、維修所花時(shí)間，每個(gè)施工時(shí)序設(shè)置滲流時(shí)間步驟為1.0 h，每0.5 h記錄一次結(jié)果。

2.2 計(jì)算參數(shù)及工況

土體采用修正Mohr-Coulomb本構(gòu)模型的三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬。修正摩爾-庫(kù)侖模型也叫HS模型。它與M-C本構(gòu)模型最大的區(qū)別也是最大的優(yōu)勢(shì)在于該模型描述了應(yīng)力增量隨應(yīng)變不斷變小的土體硬化現(xiàn)象。計(jì)算中，土層基本物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)勘察成果按表1選取，其他結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)按表2選取。

大管棚是隧道進(jìn)洞與塌方處治中常用的超前支護(hù)措施，通過(guò)在隧洞開挖輪廓線上方打入一圈大剛度鋼管，并進(jìn)行注漿加固，形成在隧洞頂部的棚狀支護(hù)[16-18]。本次盾構(gòu)接收中擬采用大管棚加固盾構(gòu)洞門附近土體，由于管棚打入后還需注漿加固，所以在模擬中將管棚等代成1 m厚的等代體，通過(guò)修改屬性功能將原來(lái)的土體參數(shù)更改為管棚的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖3所示。凍結(jié)法加固中30 d后“杯底”凍結(jié)帷幕平均溫度下降到-20℃[19-20]，盾構(gòu)接收井洞門處采用全斷面凍結(jié)加固，“杯底”凍結(jié)帷幕半徑發(fā)展至4.5 m，凍結(jié)管長(zhǎng)度為6 m。凍結(jié)法施工在盾構(gòu)接近接收井前便開始冷凍接收區(qū)域，因此，取凍結(jié)30 d后形成半徑為4.5 m凍結(jié)帷幕，凍結(jié)縱向長(zhǎng)度為6 m，通過(guò)修改屬性的邊界條件將原來(lái)的土體參數(shù)轉(zhuǎn)化為凍結(jié)土的參數(shù)。軟件計(jì)算步驟完全模擬實(shí)際施工流程，包括：土體開挖—施加掌子面壓力—拼裝管片—同步注漿—土體開挖，當(dāng)盾構(gòu)靠近洞門時(shí)，使用鈍化功能模擬接收洞門破除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)接收的全過(guò)程模擬。

表2 其他結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)

圖3 局部加固示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 地連墻變形分析

圖4和圖5分別給出了大管棚加固和凍結(jié)法加固后盾構(gòu)接收前6環(huán)至隧洞貫通的地連墻水平變形云圖。由圖中GCS坐標(biāo)可以看出，本次所指水平位移是Y軸方向，即盾構(gòu)掘進(jìn)方向。由于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)前方的土體受到擠壓并切削，在盾構(gòu)接收洞門處受到土體對(duì)地連墻一個(gè)沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向的推力，導(dǎo)致地連墻洞門處產(chǎn)生向Y軸正方向的變形。由于地連墻的厚度為1.5 m，加上局部?jī)?nèi)襯墻的厚度一共是2.5 m，可視為一個(gè)剛性體，所以地連墻頂部產(chǎn)生向Y軸負(fù)方向的變形。在整個(gè)盾構(gòu)接收過(guò)程中，地連墻的中間部分水平變形較小，而地連墻的底部和頂部是變形較大，大管棚加固后地連墻頂部變形最大為1.03 mm，底部變形最大為1.89 mm，凍結(jié)加固后地連墻頂部變形最大為0.66 mm，底部變形最大為0.93 mm，采用凍結(jié)法加固方案后接收井地連墻水平位移量相比于大管棚加固減少57.8%?；拥剡B墻的變形允許值為開挖深度的1.8‰，即77.3 m×1.8‰=139.1 mm。雖然在模型計(jì)算時(shí)為了避免基坑開挖和昆呈隧洞施工對(duì)盾構(gòu)接收計(jì)算結(jié)果的影響，在昆呈隧洞開挖后進(jìn)行過(guò)位移清零，但本次盾構(gòu)接收地連墻最大水平位移小于2 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值[15]，地連墻的水平位移滿足規(guī)范要求。

圖4 大管棚加固地連墻水平位移

提取盾構(gòu)洞門頂部、底部、左部、右部各一個(gè)節(jié)點(diǎn)的水平位移隨著盾構(gòu)掌子面接近龍泉倒虹吸接收井的變化情況，如圖6所示。由圖6(a)可知大管棚加固后隨著盾構(gòu)機(jī)不斷逼近龍泉倒虹吸接收井地連墻，地連墻盾構(gòu)洞門的水平位移不斷增大，并且在盾構(gòu)貫通前兩環(huán)時(shí)達(dá)到最大，其中洞門底部的變形最大，為1.83 mm，洞門頂部、洞門左部和洞門右部最大變形分別為1.45 mm、1.71 mm和1.73 mm。由圖6(b)可知凍結(jié)法加固后地連墻盾構(gòu)洞門的水平位移隨著盾構(gòu)接近地連墻逐漸增大，盾構(gòu)接收前達(dá)到最值，并且洞門頂部、底部、左部、右部的變形都相同。分析認(rèn)為，凍結(jié)法接收將洞門處半徑4.5 m處插入凍結(jié)管，該區(qū)域已經(jīng)形成一個(gè)凍結(jié)體，而洞門的半徑僅3.1 m，當(dāng)受到盾構(gòu)向前的推力時(shí)，洞門頂部、底部、左部、右部整體受力，其變形也是接近相等的。隧洞洞門頂部、底部、左部和右部最大水平變形分別為0.62 mm、0.61 mm、0.61 mm、0.62 mm，在盾構(gòu)隧洞貫通時(shí)，地連墻的水平變形會(huì)反向，變形介于0.51 mm～0.80 mm。當(dāng)隧洞完全貫通時(shí)，地連墻的水平變形減小至0.2 mm～0.4 mm之間。本次凍結(jié)法盾構(gòu)接收地連墻水平最大位移為0.93 mm，位移相比于大管棚加固減少57.8%，其對(duì)限制基坑地連墻水平位移的加固效果優(yōu)于大管棚加固。

圖5 凍結(jié)法加固地連墻水平位移

圖6 各施工階段接收井洞門水平位移

3.2 土體位移分析

圖7和圖8分別給出了大管棚和凍結(jié)加固后掌子面距離接收井8環(huán)、4環(huán)和接收完成后土體豎向位移云圖。由云圖可知大管棚和凍結(jié)加固后盾構(gòu)接收過(guò)程中隧洞周圍的土體最大沉降分別為11.7 mm、9.54 mm，沉降峰值位于隧洞軸線。盾構(gòu)接收過(guò)程中對(duì)既有的昆呈隧洞影響較小，可以忽略不計(jì)。沿隧道軸線上下30 m以內(nèi)范圍內(nèi)地層幾乎不發(fā)生沉降或者隆起變形，從而也證明了模型邊界選擇的合理性。

圖7 大管棚加固后盾構(gòu)接收土體豎向變形云圖

由圖7(c)中可以看出，盾構(gòu)進(jìn)入大管棚加固區(qū)域后，由于大管棚的存在，很好的限制了盾構(gòu)出洞時(shí)周圍土體的豎向變形，在盾構(gòu)向地連墻推進(jìn)過(guò)程中，大管棚與其中注入的漿體很好的與周圍土體結(jié)合，使隧洞周圍土體的彈性模量提高，周圍土體抵抗變形的能力增強(qiáng)，從而保證了盾構(gòu)的安全接收。類似的，凍結(jié)管的冷凍作用使洞門前方半徑4.5 m處土體形成全斷面凍結(jié)體，由圖8(c)可以看出當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入凍結(jié)加固區(qū)時(shí)土體豎向變形顯著降低。

圖8 凍結(jié)加固后盾構(gòu)接收土體豎向變形云圖

分別提取大管棚和凍結(jié)加固后盾構(gòu)貫通時(shí)，龍泉倒虹吸接收井地連墻前方垂直與盾構(gòu)隧洞軸線的地表沉降情況，分別距離地連墻0 m、35 m、90 m，提取的地表沉降結(jié)果如圖9所示。本次盾構(gòu)接收埋深高達(dá)72.3 m，盾構(gòu)掘進(jìn)和盾構(gòu)接收對(duì)于地表沉降的影響較小，由圖9(a)可以看出大管棚加固后距離接收井0 m處最大的地表沉降僅2.51 mm，而距離地連墻35 m、90 m最大地表沉降分別為4.16 mm和4.95 mm，，由圖9(b)可以看出距離接收井0 m處最大的地表沉降僅1.07 mm，而距離地連墻35 m、90 m最大地表沉降分別為2.31 mm和2.95 mm，凍結(jié)加固后最大地表沉降相比于大管棚加固減少了40.4%，最大沉降值遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的30 mm。從圖9還可以看出，最大地表沉降總是發(fā)生在盾構(gòu)隧洞軸線上方(其中負(fù)號(hào)代表著沉降)最小沉降發(fā)生在模型邊界處，呈現(xiàn)盾構(gòu)施工的地表沉降槽。

圖9 距離地連墻0 m、35 m、90 m地表沉降

3.3 地下水滲流分析

地下水在土層中發(fā)生的滲流是指地下水在水頭差或者壓力差的作用下透過(guò)土體的孔隙而發(fā)生流動(dòng)的現(xiàn)象。圖10和圖11分別給出了大管棚和凍結(jié)加固后盾構(gòu)接收時(shí)滲流0.5 h和1.0 h的瞬態(tài)滲流孔壓場(chǎng)云圖。當(dāng)隧道開挖面設(shè)置為完全自由透水面后，隧道周圍地層中的地下水開始由隧道開挖面向已開挖區(qū)域內(nèi)發(fā)生滲流，遠(yuǎn)處邊界地層仍保持為靜水壓力。由于隧洞埋深較深，無(wú)論是大管棚加固還是凍結(jié)加固，盾構(gòu)開挖地層孔壓均高達(dá)440 kPa～640 kPa，滲流0.5 h與滲流1.0 h的孔壓云圖結(jié)果變化較小，地下水孔壓場(chǎng)形成了一個(gè)包圍開挖面的低壓力區(qū)，在孔壓等值面上表現(xiàn)為漏斗狀凸起區(qū)，遠(yuǎn)離開挖面的孔壓等值面分布較為均勻。

由于距離盾構(gòu)開挖面較遠(yuǎn)處土體幾乎不發(fā)生滲流，僅展示盾構(gòu)接收前開挖面周圍土體地下水滲流路徑。由圖12可以看出當(dāng)盾構(gòu)駛?cè)氪蠊芘锛庸虆^(qū)域時(shí)，隧洞的頂部的滲流速度明顯下降，說(shuō)明大管棚的施作對(duì)盾構(gòu)管片拱頂?shù)谋Ｗo(hù)效果是明顯的，但是周圍土體最大滲流速度達(dá)到了2.30×10-3m/s～2.56×10-3m/s，在盾構(gòu)即將接收時(shí)，地下水滲流速度達(dá)到最大值，為2.56×10-3m/s。由圖13可以看出當(dāng)盾構(gòu)駛?cè)雰鼋Y(jié)法加固區(qū)域時(shí)，隧洞周圍土體的滲流速度明顯下降，說(shuō)明凍結(jié)法加固對(duì)盾構(gòu)接收的保護(hù)效果是明顯的，剛剛進(jìn)入凍結(jié)法加固區(qū)域時(shí)地下水的滲流速度由2.50×10-3m/s降低至2.85×10-7m/s，而后隨著盾構(gòu)機(jī)深入凍結(jié)法加固區(qū)域，地下水的滲流速度在即將接收時(shí)降低至3.87×10-10m/s，相比于未加固區(qū)域滲流速度減小7個(gè)數(shù)量級(jí)。從圖中可以看出部分地下水不再向掌子面滲流，而是向盾構(gòu)開挖區(qū)域上方滲流，原因在于，凍結(jié)區(qū)限制地下水流動(dòng)能力強(qiáng)，孔壓場(chǎng)的梯度變化較小，盾構(gòu)接收區(qū)域地下水滲流速度較慢。

圖10 大管棚加固后瞬態(tài)滲流孔壓場(chǎng)分布云圖

圖11 凍結(jié)加固后瞬態(tài)滲流孔壓場(chǎng)分布云圖

圖12 大管棚加固法盾構(gòu)接收瞬態(tài)滲流流徑圖

圖13 凍結(jié)加固法盾構(gòu)接收瞬態(tài)滲流流徑圖

綜上所述，在盾構(gòu)接收過(guò)程中應(yīng)該著重注意地下水的流動(dòng)。每個(gè)施工步序監(jiān)測(cè)滲流情況1.0 h，每0.5 h記錄一次結(jié)果，滲流0.5 h與滲流1.0 h的滲流速度差異較小?？偠灾?，凍結(jié)法加固對(duì)盾構(gòu)接收的保護(hù)有明顯作用，相比于大管棚加固，凍結(jié)法在限制地下水流動(dòng)、抗涌泥涌砂能力更強(qiáng)。

4 結(jié) 論

滇中引水龍泉倒虹吸隧洞盾構(gòu)接收端埋深達(dá)72.3 m，盾構(gòu)接收過(guò)程發(fā)生土體坍塌、涌水涌砂事故風(fēng)險(xiǎn)高，本研究通過(guò)MIDAS GTS有限元軟件建立滲流-應(yīng)力耦合數(shù)值計(jì)算模型，分析了大管棚注漿與凍結(jié)法土體加固效果，得到如下結(jié)論：

(1) 盾構(gòu)接收過(guò)程中大管棚加固后地連墻頂部和底部最大變形為1.03 mm、1.89 mm，凍結(jié)加固后地連墻頂部和底部最大變形為0.66 mm、0.93 mm，凍結(jié)加固對(duì)限制基坑地連墻水平位移的能力優(yōu)于大管棚加固。

(2) 盾構(gòu)接收過(guò)程中，大管棚注漿加固后洞門頂部、底部、左部和右部最大變形分別為1.45 mm、1.83 mm、1.71 mm、1.73 mm，凍結(jié)加固后隧洞洞門頂部、底部、左部、右部最大水平變形分別為0.62 mm、0.61 mm、0.61 mm、0.62 mm，洞門最大水平變形相比于大管棚加固減少57.8%。

(3) 盾構(gòu)接收過(guò)程中大管棚和凍結(jié)加固后盾構(gòu)接收過(guò)程中隧洞周圍的土體最大沉降分別為11.7 mm、9.54 mm，盾構(gòu)駛?cè)氲貙蛹庸虆^(qū)域時(shí)對(duì)土體變形控制效果顯著。盾構(gòu)接收對(duì)于地表沉降的影響較小，大管棚加固后最大地表沉降為4.95 mm，凍結(jié)加固后最大地表沉降為2.95 mm，相比于大管棚加固減少了40.4%。

(4) 盾構(gòu)開挖地層孔壓均高達(dá)440 kPa～640 kPa，滲流0.5 h與滲流1.0 h的孔壓云圖結(jié)果變化較小。盾構(gòu)掘進(jìn)至大管棚注漿加固區(qū)后地下水最大滲流速度為2.56×10-3m/s，與盾構(gòu)未加固區(qū)段相比無(wú)明顯變化；盾構(gòu)掘進(jìn)至凍結(jié)加固區(qū)后地下水的滲流速度由2.50×10-3m/s降低至3.87×10-10m/s，凍結(jié)法抗涌泥涌砂能力優(yōu)于大管棚加固法。