大直徑泥水平衡盾構淺覆土始發數值分析

劉 方,高 峰,徐汪豪

(1.重慶交通大學土木工程學院,重慶 400074； 2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055；3.西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

近年來，為了減小城市噪聲、避免路基和橋梁對城市分割的影響，新建高速鐵路線路在城市中基本使用隧道方案。其中，盾構法本著環保、掘進速度快、對地層擾動小而在城市隧道大量使用[1]。由于高速鐵路隧道斷面大，因此在盾構掘進過程中對周圍建筑物的影響大于普通地鐵隧道。而在盾構始發階段，覆土淺、地層自穩能力差，地層擾動引起的危害已成為不可忽視的因素。

袁大軍[2]等依托南京長江隧道工程，對大直徑泥水盾構在淤泥質土中的掘進進行現場測試，研究了泥水盾構掘進過程中對土體的擾動。方勇[3]等使用有限差分模型，建立了考慮施工過程的盾構掘進三維數值模型，并分析了由此產生的地表沉降形式。何川[4]等通過室內模型試驗的方式，實現土壓平衡盾構掘進過程的室內再現，獲得土壓平衡盾構掘進對地層影響的一般規律。王俊[5]等使用顆粒流方法，對盾構在砂性地層中掘進產生的地層擾動進行了分析。Fang[6]等人通過室內試驗，研究了盾構掘進時產生不同地層損失后的地表沉降規律。另外，通過數值計算的手段，許多學者對盾構掘進及其引起的地表沉降進行了研究[7-14]。在盾構始發方面，魏林春[15]等依托上海長江西路隧道工程，對大直徑泥水平衡盾構始發施工風險控制進行了研究。程盼盼[16]等依托北京地鐵8號線的端頭井加固，對多種加固區范圍確定方法進行了計算比較。丁烈云[17]等使用有限差分法模型，對城市地鐵隧道的始發進行了數值模擬，并將現場沉降規律同數值模擬進行對比，找出了一定規律。趙寶虎[18]等從數值模擬、受力分析和現場監測的角度，對反力架的功能、作用和拆除技術進行了探討研究。李東海[19]等以某地鐵工程為背景，對盾構直削始發時基坑圍護結構在開挖施工過程中的變形進行了研究。

綜上，目前研究主要集中于盾構區間掘進施工中產生的土體擾動規律。本文依托新建京張高鐵清華園隧道工程，基于有限差分法建立三維盾構施工模型，研究城市復雜環境下大直徑泥水平衡盾構淺覆土始發及掘進過程對地層擾動的影響，為今后相關類似工程提供參考依據。

1 依托工程簡介

清華園隧道為新建京張高鐵重點控制性工程之一，位于北京市海淀區，全長6.02 km，全隧近距離并行地鐵13號線，穿越3處地鐵、6處重要城市道路及106條重要市政管線，周邊建(構)筑物密集。清華園隧道是目前國內位于城市核心區，穿越地層最復雜、重要建(構)筑物最多的高鐵單洞雙線大直徑盾構高風險隧道之一。盾構段內凈空斷面如圖1所示，盾構管片內徑11.1 m，外徑12.2 m，管片厚55 cm，盾構刀盤開挖直徑12.64 m。盾構段采用泥水平衡盾構法施工。

圖1 清華園隧道橫斷面(單位：mm)

清華園隧道3號豎井的始發覆土厚為6.8 m，為淺覆土始發，存在泥水擊穿冒頂風險高、壓力建倉困難的風險。清華園隧道3號豎井始發區域的地層自地表依次為：粉土、粉質黏土1、卵石土1、粉質黏土2、卵石土2，始發時隧道全斷面處于粉質黏土1中。如圖2所示。

圖2 地質縱剖面(單位：m)

2 數值模擬

使用FLAC3D建立三維有限差分模型，進行盾構掘進施工力學行為的研究。

2.1 模型概況

計算模型如圖3所示，考慮圣維南定律，邊界尺寸為142 m×120 m×45 m，共計782 110個節點，762 036個單元。土層使用Mohr-Coulomb模型，其中清華園隧道3號豎井始發端頭使用高壓旋噴樁進行加固，加固區土體參數參考孫星亮[20]、張彥斌[21]等人的研究，基坑結構、隧道管片襯砌、注漿層采用彈性模型，如表1所示。

圖3 計算模型(單位：m)

名稱重度/(kN·m-3)變形模量/MPa泊松比內摩擦角/(°)黏聚力/kPa粉土19.90.590.3525.224.3粉質黏土120.16.560.3018.433.8卵石土119.41500.2345粉質黏土219.87.560.3019.636卵石土221.21500.2845加固區20.110000.230200基坑結構25.031.5×1030.2管片襯砌25.035.5×1030.2注漿層22.0600.2

隧道埋深淺，未見明顯構造應力，主要受自重應力場控制，因此使用位移邊界。應力場通過三步獲得，首先計算無橋墩、不開挖情況下的大地應力場，其次加入北京地鐵13號線橋墩，最后開挖基坑，使用最后獲得應力場作為計算應力場。

數值模擬中把前方土體模型設置為空單元實現隧道開挖，并在掌子面設置有梯度的面力模擬泥水壓力，參考Michael A. Mooney等[22]對泥水平衡的盾構模擬方式，考慮泥水平衡盾構掘進過程中盾構機包裹于泥漿中，并受部分外溢泥水壓力的影響，因此使用面力模擬盾構機。在盾構機通過后，更改注漿層的參數及激活管片襯砌單元，實現漿液硬化及管片受力的過程。

2.2 監測點設置

在地表設置監測點，地表沿縱向10 m布置1個監測點，從0～110 m；距洞門縱向10 m處開始，布置橫向監測點，自隧道軸線始向左右各間距5 m 1個，左右各3個監測點。見圖4。

3 數值結果分析

3.1 不同加固區范圍時土體擾動情況

若對洞門后土體不進行加固改良處理，直接進行破除洞門，將會引起洞門處土體坍塌滑移、地下水涌入，導致地表大面積地表下沉，危及地下管線和附近建筑物，從而造成重大安全事故。

通過計算無土體改良時的洞門破除，可了解本工程洞門破除時引起的土體擾動范圍，對加固改良區的范圍確定提供部分依據。

圖5 無加固措施下鑿除洞門后的土體位移矢量云圖

圖5為無加固措施時，洞門鑿除后的土體位移矢量云圖。從圖5可以明顯看出，土體呈現向基坑滑移坍塌趨勢，洞門處土體向基坑內移動、洞門后方地表向下移動，隨著深度的增加，土體移動方向逐漸轉向洞門方向，并且洞門后方2～14 m的土體位移達5 cm以上，洞門中心土體達到45 cm。圖6表明，無加固措施時，洞門鑿除后豎向呈現一個類橢圓大沉降區，范圍達32 m(X方向)×22 m(Y方向)，并隨沉降區橢圓范圍的縮小，變形沉降值逐漸加大，其中變形區中心處豎向沉降值在8 cm以上。圖7表明，若無加固措施進行洞門鑿除，洞門后土體呈現大范圍剪切滑移破壞。

圖6 無加固措施下鑿除洞門后的地表沉降等值線(單位：cm)

圖7 無加固措施下鑿除洞門后的土體塑性區

圖5、圖6、圖7表明，當不采取加固措施時，洞門鑿除后的大范圍土體將產生剪切破壞，并產生較大變形，因此認為此情況下土體已發生滑移坍塌。

對端頭井加固區進行加固，加固范圍取值如表2所述。其中，橫向距離為自隧道軸線起向兩側等距延伸，豎向距離等同橫向距離，縱向距離為自地下連續墻掘進方向側起向外側延伸。

表2 加固區范圍 m

不同加固范圍下，洞門鑿除后的洞門中心土體的變形情況如圖8所示，其中位移值向基坑變形為負值，向外側變形為正值。

圖8 不同加固范圍下洞門中心土體的變形情況

從圖8可以看出，土體依然向基坑內變形，但同未加固情況下的較大變形(45 cm，圖5)相比，變形趨勢大為改善。從變形的數值上看，不同橫向加固范圍下，隨著縱向加固距離的增長，變形值下降，但是當加固范圍達到6 m以上時，下降趨勢較6 m范圍內時更為緩慢。另一方面，同一縱向加固長度下、不同橫向加固范圍時，隨著橫向加固范圍的增長，鑿除洞門后土體的變形值更小，但是兩者相差不大。

圖9為不同加固區范圍下鑿除洞門后，隧道軸線正上方地表沉降規律。圖9表明，洞門端頭區域土體經土體改良加固后，地表沉降同圖6相比得到明顯改善，降至2 mm以下，并且洞門后方地表土體沉降呈現隨距洞門的距離增加而下降的趨勢。另一方面，隨加固區縱向距離的增加，洞門后方近距離處土體的沉降呈現下降趨勢，而遠離洞門處的土體沉降呈現上升趨勢。這是由于加固區改良土的密度較天然土體大，隨著加固區縱向長度的增長，加固區下方未加固土體受上方土體重力荷載的增加導致沉降，最終體現為遠離洞門處地表沉降的增加。

圖9 洞門隧道軸線正上方地表沉降

3.2 始發段掘進時土體擾動情況

清華園隧道3號豎井始發段埋深淺，土層物理力學性能差，因此泥水壓力的設定對始發段土體擾動尤為重要。

泥水平衡盾構的泥水壓力一般可通過公式(1)確定

p=pw+pe+pp

(1)

式中，p為泥水壓力；pw為地下水壓；pe為土壓；pp為預壓。

由于清華園隧道3號豎井始發段埋深淺，同時地下水位較深，因此不考慮水壓。預壓按照北京地區經驗，取值20 kPa。土壓力計算按靜止土壓力計算，土壓力系數取0.43。通過式(1)的計算，掌子面頂部壓力88 kPa，底部壓力為133 kPa。另一方面，泥水盾構始發時，盾構機在一段時間內處于加固區土體范圍內，加固區土體經過改良，性質較優。因此，建倉壓力較小，按照北京地區經驗，取值30 kPa?？紤]盾構機長13.5 m，為降低盾構泥水外溢風險，并保障洞門二次密封，基于對加固區的計算分析，取橫向加固距離11 m、豎向加固距離11 m、縱向加固距離17 m的模型作為始發掘進土體擾動研究對象。

圖10為隧道掘進過程中，隧道軸線正上方地表位移曲線；圖11為隧道掘進過程中各橫斷面沉降槽。

圖10 隨盾構掘進地表沉降曲線

圖11 橫斷面沉降槽

圖10顯示當盾構機在加固區內掘進時，地表位移極小，基本不產生土體擾動，地表沉降主要由后期固結沉降導致。當盾構機掘進至加固區外時，地表位移增大，逐漸產生一定的土體擾動。并隨盾構機逐漸遠離加固區域，土體擾動效應進一步增大，最終土體擾動響應趨于同一水平。

圖11從橫斷面沉降槽的角度再次驗證了圖8的規律，當盾構機處于加固區內掘進時，產生極小的土體擾動，橫向沉降槽不明顯。隨著盾構機的繼續掘進，土體擾動逐漸加大，最終趨向于同一水平。

從圖10、圖11可以發現，清華園隧道大直徑泥水平衡盾構淺覆土掘進過程的土體擾動情況與加固區有關。在加固區內及加固區外一定范圍內時，盾構機掘進產生的土體擾動較??；隨著盾構機逐漸遠離加固區，土體擾動逐漸加大，并趨向于同一水平。

4 結語

以FLAC3D有限差分計算軟件為輔助手段，對清華園隧道3號豎井大直徑泥水平衡盾構淺覆土始發產生的土體擾動進行研究，得出以下結論。

清華園隧道天然土體下鑿除洞門后將產生較大變形，存在滑移坍塌風險，因此需對豎井端頭區域土體進行土體加固改良。當加固區縱向長度達到一定值后，洞門鑿除后的土體穩定性得到明顯改善，再增加縱向加固區長度對洞門鑿除后的土體穩定性的貢獻不明顯。

基于對淺覆土始發掘進時地表沉降規律的研究，認為清華園隧道大直徑泥水平衡盾構淺覆土始發掘進過程的土體擾動情況和盾構機同加固區之間的距離有關。加固區內外一定范圍內，土體性質較好，盾構機掘進產生擾動較??；當盾構機遠離加固區，土體性質回歸至天然土體，掘進產生較大土體擾動。