上軟下硬地層盾構施工掌子面頂推力技術研究

劉新龍，焦正宇

(西安工業大學建筑工程學院,陜西 西安 710021)

泉城濟南市地質條件較為復雜，如地鐵隧道需穿越的復合地層，由于各地層物理力學性質存在差別，造成盾構機姿態難以控制，出現超挖、欠挖等施工問題，導致隧道圍巖穩定性差、地層豎向位移及地表沉降大，引起地表不均勻沉降等[1-3]。如何控制掌子面推力是盾構施工中的關鍵問題，本文依托濟南地鐵二號線北園路站至七里堡站，開展上軟下硬地層盾構施工掌子面頂推力技術研究。

1 工程概況

北園路站至七里堡站區間位于歷黃路與二環東路之間，起始里程CK16+900，終點里程CK19+550，線路全長約2 650 m，左右線間距為11.5 m～26.4 m，隧道埋深為11.4 m～24.3 m，區間采用盾構法施工，同時采用壁后注漿加固技術，而區間內聯絡通道采用礦山法施工，每隔大約600 m，所選區間設置4處。隧道開挖掌子面及鄰近的土層主要為人工填土、粉質黏土以及風化閃長巖，見圖1。

隧道管片拼裝組成管環，管環由3塊A型管片(標準環)、2塊B型管片(鄰接塊)和1塊K型管片(封頂塊)組成，管片接縫采用M27螺栓連接。管片防水材料為三元乙丙橡膠密封墊、水膨脹橡膠擋水條、螺孔密封圈、丁腈軟木襯墊環縫，其中密封墊設置在管片的止水槽內，水膨脹橡膠擋水條設置在橡膠密封墊的內側。

2 有限元數值模型建立

2.1 地鐵隧道模型的假設

為數值模擬作出如下簡化和假設：

1)忽略地表起伏，地面近似水平；無互層存在，土層近似的看作為均質的彈塑性體。

2)建模時只考慮巖土體的自重應力場。

3)在襯砌外表面施加法向表面力，用于模擬注漿壓力。

4)在掌子面施加法向表面力，用于模擬盾構推力。

5)隧道開挖后，管片襯砌與壁后注漿同時進行。

在模擬計算施工中以一個襯砌單元的寬度作為一個掘進周期，設定模擬計算中的盾構開挖為等距離跳躍式前進。

2.2 隧道幾何模型

隧道選取CK19+120～CK20+130里程段作為盾構隧道穿越上軟下硬地層掌子面頂推力研究對象，該區間掌子面及鄰近的土層主要為粉質黏土、殘積土、全風化閃長巖、強風化閃長巖、中風化閃長巖。根據實際工程條件參數，利用ABAQUS有限元軟件建模，模型地層分布圖如圖2所示，軟硬交界面位置如圖3所示。模型隧道為單線隧道，開挖外徑為6.68 m，管片外徑、內徑分別為6.4 m，5.8 m，埋深為14.5 m。隧道開挖影響范圍為直徑的3倍～5倍[4]，故選取模型寬度為40 m，高度為51 m，開挖長度為80.4 m為研究對象。隧道的三維模型尺寸為40 m(X方向)×51 m(Y方向)×80.4 m(Z方向)，取幾何模型一半作為研究對象，模型共劃分80 512個節點，72 092個單元實體。

2.3 材料參數

土層參數詳見表1。

表1 模型土層參數

2.4 掘進參數

盾構掘進過程中的總推力可通過下式進行計算：

F=F1+F2+F3+F4+F5。

其中，F為盾構機千斤頂總推力；F1為盾殼與土體的摩擦力;F2為刀盤上水平推力引起的阻力；F3為切土所需要的推力；F4為盾尾與管片之間的摩擦力；F5為后方臺車的阻力。

在隧道開挖過程中F3，F4，F5對盾構前進方向阻力較小，產生的阻力主要是由盾殼與圍巖的摩擦力、掘進時對刀盤的水平阻力引起的，即F1與F2，根據工程地質條件參數可推出F約為13 300 kN。

2.5 地鐵隧道模擬過程

采用生死單元法[5]來模擬挖去單元，根據管片的實際寬度設定模型管片單元寬為1.2 m，每一個管片對應一個分析步，完成隧道開挖共需要67個分析步。模擬開挖過程中，盾尾空隙及同步注漿漿液的擴散范圍難以把握，對模型建模造成困難，需要解決土體與盾構管片接觸問題，來方便建立模型，提高運算效率，將這些難以量化的參數等效看作等代層，如圖4所示。

等代層[6]位于土體與襯砌之間，設定等代層的彈性模量位于二者之間，等代層厚度與盾尾空隙距離存在折減關系，可按以下公式來取值：

δ=η·Δ。

其中，δ為等代層厚度；η為折減系數；Δ為盾尾空隙的計算值。本區間盾體外徑為6.68 m，因此δ取0.14 m，其彈性模量按照二者材料屬性取為120 MPa，泊松比取為0.25。

3 計算模擬不同工況

為研究掌子面頂推力對施工產生的影響，所以將掌子面分為上下兩部分進行頂推力加載，加載各工況詳見表2，考慮到模擬更加有合理性，采用線性加載掌子面頂推力，如圖5所示。按照實際施工過程中掘進參數的設定，掌子面上的基本頂推力為0.38 MPa。

表2 各工況掌子面推力 MPa

4 計算結果分析

針對盾構穿越上軟下硬地層時，對盾構由軟入硬、由硬入軟地層的豎向位移過程進行了分析。主要選取隧道上方地表沉降的數值模擬計算結果作為分析對象，研究盾構在由軟入硬、由硬入軟過程中沉降的變化規律，有利于指導現場盾構施工技術，控制地表沉降。為了使數值模擬的結果更好的指導施工，選取橫斷面1、橫斷面2以及縱斷面進行監測分析，具體為：橫斷面1位于隧道開挖方向22 m處，該處位于盾構機由軟入硬地層的交匯處，橫斷面2位于隧道開挖方向60 m處，該處位于盾構機由硬入軟地層的交匯處，縱斷面位于隧道開挖方向中線處，斷面具體分布圖如圖6所示。

4.1 地表橫向斷面沉降結果分析

地層由軟到硬交界面上(橫斷面1)，根據數值模擬結果，繪制觀測斷面1處的地表最大沉降曲線如圖7～圖11所示。

由斷面1不同工況下地表沉降曲線可見：按比例調整施加在掌子面頂推力，開挖完成后其觀測斷面上的沉降曲線的變化規律基本一致，發生地表沉降最大值的位置也基本一致，并且曲線呈現“V”型。具體可見：工況一：開挖時為2.150 mm；工況二：開挖時為2.242 mm；工況三：開挖時為2.336 mm；工況四：開挖時為2.403 mm；工況五：開挖時為2.509 mm。對比發現，工況一的地表沉降最小，工況五的沉降值最大；從工況一至工況五的沉降值逐漸增大，以工況一的地表沉降值為基準，全線開挖完成后工況二、三、四、五的地表沉降分別增大了4.2%,8.7%,11.7%,16.7%。分析認為由于掌子面上部頂推力減小，使得對軟巖的約束力減小，導致土層位移過大，地表沉降不斷增大。因此，當由軟入硬地層時，要適當減小掌子面下部分頂推力，增大掌子面上部分頂推力，有利于控制地表的沉降。

地層由軟到硬交界面上(橫斷面2)，根據數值模擬結果，繪制觀測斷面2處的地表最大沉降曲線如圖12～16所示。

由斷面2不同工況下地表沉降曲線可見：按比例調整施加在掌子面頂推力，開挖完成后其觀測斷面上的沉降曲線的變化規律基本一致，發生地表沉降最大值的位置也基本一致，并且曲線呈現“V”型。具體可見：工況一：開挖時為4.022 mm；工況二：開挖時為3.971 mm；工況三：開挖時為3.952 mm；工況四：開挖時為3.930 mm；工況五：開挖時為3.905 mm。對比發現，工況一的地表沉降最大，工況五的沉降值最小；從工況一至工況五的沉降值逐漸減大，以工況一的地表沉降值為基準，全線開挖完成后況二、三、四、五的地表沉降分別減小了1.26%,1.74%,2.28%,2.90%。分析認為，在由硬入軟的過程中，掌子面下部的頂推力不斷增大，同時軟巖比例越來越大，掌子面下部的頂推力對軟弱圍巖的約束力逐漸增大，地表沉降較小。因此，當由硬入軟地層時，要適當增大掌子面下部分頂推力，減小掌子面上部分頂推力，有利于控制地表的沉降。與觀測斷面1相比，地表沉降變化幅度較小，是因為盾構在穿越軟硬復合地層時，硬地層對控制盾構機掘進姿態優于軟地層。

4.2 地表縱向斷面沉降結果分析

根據數值模擬結果，隧道全線開挖完成后，各工況縱斷面地表沉降曲線如圖17所示。

由圖17可知：在軟地層開挖時的地表沉降量要明顯大于在硬地層開挖時的沉降量，在復合地層的沉降量位于二者中間；從局部來看：盾構在由軟入硬地層掘進時，由工況一～工況五可知，隨著掌子面上部頂推力減小，地表沉降值逐漸增大；在由硬入軟地層中，五種工況下地表沉降結果差距不明顯。

5 結語

結合濟南地鐵2號線北園路站至七里堡站區間為工程背景，在盾構機穿越由軟入硬的地層時，適當控制盾構的掘進姿態，即增大掌子面上部分的頂進力，減小下部分的頂進力可以起到控制地表沉降的作用；在盾構機穿越由硬入軟的地層時，適當控制盾構的掘進姿態，即減小掌子面上部分的頂進力增大下部分的頂進力可以起到控制地表沉降的作用。