盾構隧道始發井基坑土體加固設計分析

李光凱

(煙臺市公路管理局，山東煙臺　264001)

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盾構隧道始發井基坑土體加固設計分析

李光凱

(煙臺市公路管理局，山東煙臺264001)

摘要:結合某盾構隧道始發段地層加固工程實際，確定了合適的端頭加固工法，利用FLAC3D有限差分方法，建模分析了不同加固范圍時盾構掘進對周邊環境及基坑支護結構的影響，獲取最佳安全系數計算地層加固范圍，為工程施工提供依據。

關鍵詞:始發井，始發地層，加固設計，安全系數，數值模擬

盾構施工技術具有掘進速度快、機械化程度高等優點，已逐步在地下隧道修建中得到了廣泛的應用。但是在盾構始發與到達段施工時常常伴隨著高風險，需結合地層條件及周邊環境情況對盾構始發與到達區域地層選擇合理加固范圍與方法進行加固［1］。

1　工程概況

本工程中盾構區間沿線為道路、鐵路及商業建筑，地形基本平坦，盾構隧道左、右線5次穿越既有線段均在泥質粉砂巖中，盾構外徑9．1 m。根據巖土工程勘察的報告結果，本區間褶皺不發育，斷層不發育，巖層層面較穩定，產狀較平緩，地下水位低于盾構隧道底部位置，勘察場地及其附近未見有影響場地穩定性的構造。本工程綜合考慮多種盾構端頭加固工法，并結合工程地質特點選用了地表旋噴樁滿堂加固設計方案，加固深度至隧道底部，另在隧道底部以下1 m范圍內進行注漿加固。

2　加固范圍計算理論

2．1盾構端頭縱向加固范圍確定

采用日本彈性薄板理論計算盾構井端頭土體的縱向加固范圍，假定加固體為整體板塊，根據日本JET GROUT協會(JJGA)［2］采用的計算公式，加固厚度為:

其中，D為工作井洞門直徑;t為縱向加固范圍;P為作用于洞門中心處的側向水土壓力，對砂性土，采用水土分算，對黏性土，采用水土合算，土壓力按靜止土壓力考慮;β為計算系數，一般取1．2;μ為加固土體的泊松比，取0．25;k0為安全系數。

2．2盾構端頭橫向加固范圍

盾構破洞后原有的應力平衡被破壞，在洞壁周圍引起應力集中，如果最大剪應力超過土體抗剪強度，周圍土體會受到破壞［3］，并逐步向四周擴散，形成一個塑性松動圈。土體擾動極限平衡理論認為橫向加固范圍要大于擾動范圍(塑性圈)才能保證橫向穩定，是建立在深埋隧道圍巖壓力計算基礎上的。本文所述隧道屬于淺埋，若依據土體擾動極限平衡理論得到圍巖擾動范圍小于隧道直徑，不符合實際。結合始發段地質特點，選用Terzaghi圍巖壓力理論［4］來確定其橫向加固范圍為:

3　數值計算模型

3．1模型的建立

采用FLAC3D［5］有限差分軟件建模，隧道埋深6．95 m，外徑9．1 m，襯砌環外徑9 m，襯砌環內徑8．1 m，襯砌環寬1．8 m，襯砌環厚0．45 m。盾構管片采用改變強度參數的實體單元模擬，計算中為減小模型邊界效應影響，隧道模型計算范圍:上取至地面，下取地面下65 m，橫向取120 m，因主要研究進口端頭土體穩定性，一次性開挖長度取1個支撐管片的寬度，即1．8 m，總長度取72．8 m。模型底部施加x，y，z向位移約束，模型后方施加y向位移約束，前方除盾構井壁以外的區域施加y向位移約束，模型左右面施加x向位移約束，模型頂部為自由面。土體采用摩爾—庫侖本構模型，基坑支護結構及襯砌管片采用彈性本構模型。計算模型見圖1。

3．2計算結果

在端頭土體縱向加固范圍的計算中，取計算安全系數k0分別為0．8，1．0，1．5，2．0，分析比較盾構掘進至一個機身長度這一關鍵工況時地表沉降以及盾構工作井支護結構的響應。圖2和圖3

圖1　數值計算模型

從圖2可以看出，當左右雙線隧道均推進一個機身長度時(右線先于左線6個循環)，當k0=0．8或k0=1．0時可以看出，地表沉降的最大值在地表沉降的預警值范圍［6］，且地表沉降槽范圍大，對臨近既有的鐵路線路影響大［7］，尤其是距離盾構井壁近段的地表沉降明顯;當k0=1．5或k0=2．0時，地變沉降的最大值嚴格控制在預警值范圍內，地表沉降槽范圍明顯減小，更重要的是嚴格控制了靠近盾構井壁附近的地表沉降值，保證了盾構推進過程中盾構工作井基坑的穩定性。

同時對比圖2c)，圖2d)我們能夠發現，當k0＞1．5時，安全系數的提高將不再進一步控制地表沉降值以及地表沉降槽范圍，因此確定k0=1．5為工程施工端頭地層加固合理的計算安全系數。

圖3選取了盾構井壁上距離雙線隧道中軸線距離分別為1 m，3 m，7 m處三個測斜孔在盾構開挖掘進至左右線均大于一個機身長度時，不同加固安全系數下的水平位移情況。對比圖3可以看出，越靠近雙線盾構中軸線處，盾構開挖對盾構井壁地下連續墻的水平位移影響越大，在遠離雙線盾構中軸線的地方(地下連續墻邊緣處)，地下連續墻的水平位移基本為0;綜合來看，土體加固安全系數的提高能夠有效控制盾構井支護結構的水平位移，但是總體上盾構井壁地下連續墻的水平位移較小。

圖2　不同安全系數下土體加固地表沉降等值線圖

圖3　不同安全系數不同位置處地連墻水平位移曲線

4　結語

1)結合具體工程，采用日本彈性薄板理論獲取盾構端頭土體縱向加固范圍，采用不同的計算安全系數k0得到四種縱向加固范圍，考慮地表沉降以及盾構井水平位移采用數值模型進行安全性驗算。

2)考慮不同的計算安全系數對加固區土體地表沉降的影響，當安全系數k0＞1．5時，能夠有效控制地表沉降在地表沉降預警值范圍內，同時盾構井壁近端地表沉降控制良好，地表沉降區范圍明顯減小;此時，安全系數的提高將不再進一步控制地表沉降值以及地表沉降槽范圍，從而確定k0=1．5為工程施工端頭地層加固合理的安全系數。

3)基于盾構工作井壁地下連續墻結構自身的穩定性，盾構掘進對地下連續墻的水平位移影響較小，越靠近工作井中部，支護結構的水平位移越大，但是能夠有效降低支護結構的破壞風險;同時可以發現，當安全系數k0＞1．5時，地連墻的水平位移并不能隨著安全系數的提高得到進一步的控制。

4)考慮實際工程中地下水位較低，故本次數值計算不考慮孔隙水壓力以及滲流問題;同時模擬過程中未考慮同步注漿影響，因此模擬結果略顯保守。

參考文獻:

［1］ 陳饋，洪開榮，吳學松．盾構施工技術［M］．北京:人民交通出版社，2009:168-174．

［2］ JJGA日本ジェツトグラウト協會．ジェツトグラウト工法［R］．東京:鹿島研究所出版會，1991:17-14．

［3］徐龍輝．盾構法施工地層變位機理及地表沉降規律研究［D］．長沙:長沙理工大學碩士學位論文，2012:11-19．

［4］沈明榮，陳建峰．巖體力學［M］．上海:同濟大學出版社，2012:788-795．

［5］ 陳育民．FLAC及FLAC3D基礎與工程實例［M］．北京:中國水利水電出版社，2009．

［6］GB 50497—2009，建筑基坑工程監測技術規范［S］．

［7］鐵運［2006］146號，鐵路線路修理規則［S］．

中圖分類號:U459．2

文獻標識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0172-02

收稿日期:2016-04-08

作者簡介:李光凱(1980-)，男，工程師分別從地表沉降的角度以及基坑支護結構穩定性的角度對比分析了不同安全系數下始發地層土體的加固效果。

The research of soil reinforcement at shield tunnel starting well

Li Guangkai
(Yantai Highway Administration，Yantai 264001，China)

Abstract:According to a practice engineering of soil reinforcement at shield tunnel starting well，since a appropriate construction method has been adopted，the FLAC3D finite difference method was used to build a numerical model，analyzing the different effect on ground surface settlement and the horizontal displacement of retaining structure in terms of different reinforcement scope．Finally，the optimal safety factor and the best reinforcement scope were obtained through this way，so as to provide some reference for practice engineering．

Key words:starting well，starting stratum，reinforcement design，safety factor，numerical simulation