地鐵盾構(gòu)始發(fā)端加固范圍及施工要點研究

摘要：依托龍城站-坪山站區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)端背景，采用日本彈性薄板理論初步計算出始發(fā)端頭縱向加固長度，根據(jù)工程經(jīng)驗初步獲得橫豎向加固范圍。通過有限元軟件建立三維數(shù)值模擬，通過建立不同工況，對比分析橫向加固長度、豎向加固長度以及縱向加固長度對盾構(gòu)施工引起的地表沉降的影響，以此獲得本工程合理的加固范圍。從施工始發(fā)端頭加固、反力架安裝、洞門密封安裝等方面闡述了盾構(gòu)始發(fā)施工要點。研究結(jié)果表明：采用旋噴樁加固能很好保證盾構(gòu)始發(fā)端安全施工；一定范圍內(nèi)擴大旋噴樁加固范圍，能有效控制地表沉降，本工程合適的加固范圍為橫向加固長度為4m、底部加固長度為3m、縱向加固長度為12m。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)始發(fā)端；彈性薄板理論；有限元分析；加固范圍

0" "引言

盾構(gòu)法施工因其綠色環(huán)保、施工效率高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于城市地鐵隧道建設(shè)中[1]。盾構(gòu)始發(fā)端頭的順利施工是整個隧道工程安全施工的關(guān)鍵。對于復(fù)雜地質(zhì)下的隧道工程，如果未有效加固地層，極易導(dǎo)致地表沉降、涌水涌砂等災(zāi)害，嚴(yán)重時會造成人員傷亡[2]。

近年來，針對盾構(gòu)始發(fā)端的研究已逐漸成為地下工程的熱點之一。不少學(xué)者對此開展了一系列的研究。滕麗等[3]依托成都砂卵石地層盾構(gòu)隧道工程，通過數(shù)值軟件模擬盾構(gòu)始發(fā)端穿越卵石地層，分析了盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律。王天明等[4]以某盾構(gòu)法隧道端頭井為研究對象，通過有限元軟件模擬盾構(gòu)施工，分析了不同地層加固方式，并明確了合理的加固范圍。本文依托龍城站-坪山站區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)端背景，通過理論法、經(jīng)驗法、數(shù)值模擬法確定了適合本工程的加固范圍。

1" 工程概況

深惠城際大鵬支線工程起自深圳市龍崗區(qū)龍城站，途徑深圳市龍崗、坪山、大鵬新區(qū)3個區(qū)，終于大鵬新區(qū)新大站。深惠城際大鵬支線工程正線為地下線，線路全長39.387km，全線共設(shè)6座地下站，分為5個地下區(qū)間（不含龍城站站前）。

龍城站-坪山站區(qū)間長9054.253m，坪山站長484.8m，坪山站-燕子湖站區(qū)間長5649.712m，燕子湖站長237.491m，燕子湖站-葵涌站區(qū)間長7918.424m，葵涌站長741m，葵涌站-大鵬站區(qū)間長6605.642m，大鵬站長280.3m。除利用車站進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)與接收外，龍坪區(qū)間設(shè)置3座盾構(gòu)工作井，坪燕區(qū)間設(shè)置一個盾構(gòu)工作井，燕葵區(qū)間與葵大區(qū)間盾構(gòu)機掘進(jìn)完成后，進(jìn)行洞內(nèi)拆解。本文以龍城站-坪山站區(qū)間為研究對象。

2" "旋噴樁加固范圍分析

2.1" "加固長度計算

2.1.1" "縱向加固長度

根據(jù)彈性薄板理論，盾構(gòu)始發(fā)端頭縱向加固長度計算公式為：

t=（kβPD2/4σt）1/2=8.9m" " " " " " （1）

式中：k為安全系數(shù)，一般為1.5～2.0，取1.5；β為計算系數(shù)，取1.2；D為洞門直徑，取8.8m；σt為加固土體極限抗拉強度，一般為10%～15%單軸抗壓強度，取0.133MPa；P為端頭中心點的水土壓力合力，根據(jù)土層參數(shù)計算得P=0.302MPa。

2.1.2" 橫豎向加固長度

表1列出了根據(jù)工程經(jīng)驗得到的端頭井橫豎向加固長度經(jīng)驗值。根據(jù)表1中經(jīng)驗值可知，本工程橫向加固長度不低于2.5m，隧道底部加固范圍不低于2.0m。

2.2" "建立三維數(shù)值模型

根據(jù)工程設(shè)計資料及地勘報告，本文建立如圖1所示的三維盾構(gòu)始發(fā)端模型。為消除模型邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，設(shè)置模型尺寸為80m（長度）×80m（寬度）×60m（高度）。模型中隧道外徑為8.8m，管片厚度為0.4m，管片寬度1.8m。

采用實體單位模擬土層、加固土體與盾構(gòu)管片。通過在掌子面施加300kPa的壓力來模擬掌子面處的頂進(jìn)力?；诘叵滤辉O(shè)在0.8m深，且為簡化模型，模型中未設(shè)置地下水滲流參數(shù)。

三維模型邊界條件如下：模型底面為完全固定約束，模型側(cè)面為法向固定約束，模型頂面為自由邊界。模型中隧道管片、加固區(qū)、巖土層采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，各結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表2。

2.3" "加固范圍對比分析

2.3.1" "最大地表沉降隨橫向加固長度變化

為確定合理的橫向加固長度，建立6種不同工況，分別為2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m。其中縱向加固長度取9m，底部加固長度取2m。

圖2給出了最大地表沉降隨橫向加固長度變化曲線。從圖2可以看出，增加橫向加固長度能不同程度的減小盾構(gòu)施工對地表沉降的影響。當(dāng)橫向加固長度為2.5m時，最大地表沉降為25.8mm；當(dāng)橫向加固長度增加至3m時，最大地表沉降為16.5m，較上一級工況增減小了36%。以此類推，逐級增加橫向加固長度，地表沉降較上一級工況降幅分別為24.8%、21.6%、15%、11.7%。當(dāng)橫向加固長度超過4m后，繼續(xù)增大橫向加固長度對控制地表沉降的效果有限。

2.3.2" "最大地表沉降隨底部加固長度變化

為確定合理的底部加固長度，建立6種不同工況，分別為2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m。其中縱向加固長度取9m，橫向加固長度取2.5m。圖3給出了最大地表沉降隨底部加固長度變化曲線。從圖3可以看出，增加底部加固長度能不同程度的減小盾構(gòu)施工對地表沉降的影響。

當(dāng)?shù)撞考庸涕L度為2m時，最大地表沉降為24.4mm；當(dāng)?shù)撞考庸涕L度增加至2.5m時，最大地表沉降為14.8m，較上一級工況增減小了39.3%。以此類推，逐級增加底部加固長度，地表沉降較上一級工況降幅分別為25.7%、8.2%、5.9%、4.3%。當(dāng)?shù)撞考庸涕L度超過3m后，繼續(xù)增大底部加固長度對控制地表沉降的效果有限。

2.3.3" "最大地表沉降隨縱向加固長度變化

為確定合理的縱向加固長度，建立6種不同工況，分別為9m、10m、11m、12m、13m、14m。其中橫向加固長度取2.5m，底部加固長度取2m。

圖4給出了最大地表沉降隨縱向加固長度變化曲線。從圖4可以看出，增加縱向加固長度，能不同程度的減小盾構(gòu)施工對地表沉降的影響。當(dāng)縱向加固長度為2m時，最大地表沉降為26mm；當(dāng)縱向加固長度增加至2.5m時，最大地表沉降為16.6m，較上一級工況增減小了36.1%。以此類推，逐級增加縱向加固長度，地表沉降較上一級工況降幅分別為25.7%、13%、3.3%、0.8%。當(dāng)縱向加固長度超過12m后，繼續(xù)縱向加固長度對控制地表沉降的效果有限。綜上所述，本工程合適的加固范圍如下：橫向加固長度為4m、底部加固長度為3m、縱向加固長度為12m。

3" "盾構(gòu)始發(fā)施工工藝要點

3.1" "施工始發(fā)與接收端頭加固

施工方應(yīng)在加固前調(diào)查地下管線情況，以避開管線。旋噴樁加固深度范圍內(nèi)，若遇中風(fēng)化、微風(fēng)化地層，則該地層范圍不必加固。龍城站大里程端頭加固采用φ800@600旋噴樁加固，沿線路縱向長度12m，外側(cè)寬度至隧道外輪廓外4m，深度至基底以下3m。

3.2" "反力架安裝

反力架提供盾構(gòu)掘進(jìn)所需要的反推力，安裝前應(yīng)先將盾構(gòu)主機連接后配套，并確保端面與盾構(gòu)掘進(jìn)軸線垂直。為保證反力架腳板抗壓強度足以支撐盾構(gòu)機，需墊實車站結(jié)構(gòu)連接件與反力架之間的空隙。

3.3" "洞門密封安裝

為避免回填注漿漿液以及土體孔隙流出洞口，應(yīng)在盾構(gòu)機洞圈一周安裝扇形折葉式壓板、環(huán)向密封橡膠簾布板等止水裝置。洞口密封施工分兩步進(jìn)行。

在施工始發(fā)井主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻時，提前埋設(shè)預(yù)埋件A于洞門。預(yù)埋前做好測量放樣工作，確保洞門A板預(yù)埋的精度。預(yù)埋板A上焊接有Z字型連接筋，將其與主體結(jié)構(gòu)相連，確保焊接要牢固，并將端墻結(jié)構(gòu)鋼筋緊連預(yù)埋件。盾構(gòu)正式始發(fā)之前，進(jìn)行洞門密封安裝。

在盾構(gòu)機下井組裝調(diào)試完成后、洞門破除之前，及時安裝洞口密封壓板及橡膠簾布板。預(yù)埋A板上設(shè)有均勻布置的螺栓孔，施工時需注意密封橡膠簾布及扇形壓板的安裝方向。密封橡膠簾布端頭的凸起方向與盾構(gòu)掘進(jìn)方向相同。

3.4" "負(fù)環(huán)管片安裝

為保證上部千斤頂工作可靠，盾構(gòu)初始掘進(jìn)時，將負(fù)環(huán)管片設(shè)置為全環(huán)閉口標(biāo)準(zhǔn)環(huán)，錯縫拼裝。根據(jù)盾構(gòu)井參數(shù)及洞門長度，確定所需負(fù)環(huán)的數(shù)量。具體如下：

3.4.1" 準(zhǔn)備工作

將槽鋼焊于盾尾殼體用以支撐管片安裝，為管片定位做鋪墊。將第一塊管片封頂塊處標(biāo)記為1點，安裝負(fù)環(huán)管片前，將封頂塊的偏轉(zhuǎn)角度及首環(huán)封頂塊的偏轉(zhuǎn)角度標(biāo)在盾尾內(nèi)側(cè)。

3.4.2" "安裝要點

安裝鄰接塊過程中，將吊耳焊接盾尾盾殼，在吊耳裝上倒鏈并固定。待封頂塊拼裝完成后，拆去倒鏈，割除吊耳。安裝完首環(huán)負(fù)環(huán)管片后，將管片從盾尾推出，并將管片壓緊，方可進(jìn)行下一步施工。

在始發(fā)臺兩側(cè)安裝三角支架，三角支架頂部加設(shè)200H型鋼，與盾殼緊密接觸。在每環(huán)管片推出盾尾后，將管片與始發(fā)臺導(dǎo)軌間隙用鋼楔、木楔及時進(jìn)行支墊，將管片壓力均勻傳遞給三角架。每環(huán)管片加設(shè)兩個鋼楔子和一個木楔子。

待負(fù)環(huán)安裝完后，在管片外側(cè)左、右、上部各設(shè)一道20B工字鋼進(jìn)行整體加固，以確保成型后的負(fù)環(huán)整體性，受力均勻、平穩(wěn)傳遞。同時采用事先加工的“U型”卡，將負(fù)環(huán)每一處縱向螺栓孔位置與反力架接觸面焊接在一起，以加強反力架與負(fù)環(huán)的連接。

4" "結(jié)束語

根據(jù)彈性薄板理論計算出得出縱向加固長度的理論下限值為 8.9m，為控制地表沉降，保證始發(fā)的安全性，縱向加固長最合適長度為12m。根據(jù)工程經(jīng)驗獲得本工程橫向加固長度理論上不低于2.5m，隧道底部加固范圍理論上不低于2.0m，為控制地表沉降，保證始發(fā)的安全性，橫向加固長度最合適長度為4m，隧道底部加固范圍最合適長度為3.0m。

增加橫豎向加固長度、縱向加固長度均能減小地表沉降。當(dāng)?shù)撞考庸涕L度超過3m、橫向加固長度超過4m、縱向加固長度超過12m后，繼續(xù)增大這3個因素對地表沉降的控制效果有限。

本工程合適的加固范圍為橫向加固長度為4m、底部加固長度為3m、縱向加固長度為12m。

參考文獻(xiàn)

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