高壓水射流清障施工盾構掘進面穩定性研究

吳 志 強，李 瑞 紅，陳 城，李 忠 艷

(1.南通職業大學 建筑工程學院，江蘇 南通 226007； 2.蘇州大學 軌道交通學院，江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

當前中國地鐵建設方興未艾，伴隨著地鐵線路的增多，新建隧道遇到既有障礙物的情況會越來越普遍，傳統的清障方法成本高、工期長且對周邊環境影響大[1-3]。針對上述問題，國內外學者通過對盾構機刀盤進行改進，使盾構直接切削鋼筋混凝土樁技術得到了迅速發展。北京交通大學袁大軍團隊[4-5]通過實際工程驗證了盾構直接切樁的可行性。但直接切削鋼筋混凝土時，鋼筋多被拉斷，很難被直接切斷，故鋼筋極易纏繞在刀盤上，極大地影響了切割效率，嚴重時還會造成卡機現象，對工程施工帶來了困難和安全隱患。因此，有效切斷鋼筋，避免鋼筋過長纏繞在刀盤上對實際施工意義重大。

基于此，本文介紹一種新型切割技術——水刀切割工法，即高壓水射流切割技術，目前該技術的研究工作尚處于起步階段。Hood[6]在刀具上安裝了水射流裝置，通過切割巖石試驗發現，經水射流切割之后，刀具再切割時刀頭的受力得到了明顯的改善。Kotwica[7]在機械刀具上安裝水射流輔助裝置進行破巖試驗，發現水射流可以減少30%以上的截齒邊緣磨損量。Ozcelik等[8]研究發現水壓、轉速等因素對破巖效率影響較大。Ciccu等[9]在圓盤破巖試驗中使用了水射流技術，表明在有水射流參與的工況下溝槽材料的去除率得到了極大的提升。Li等[10]通過水射流數值模型發現高壓水射流對巖石的應力傳播速度極快。盧義玉等[11]進行了水射流切割巖石試驗，發現水射流切割過的巖石強度下降較大。陳躍強[12]將水磨料和截齒結合起來，通過試驗證明其有利于提高破巖效率。莊欠偉等[13]通過磨料水射流切割鋼筋混凝土試驗發現磨料水射流聯合盾構刀具能有效解決鋼筋纏繞問題。

綜上所述，國內外學者對水刀切割工法的研究主要集中在能否切割以及如何提高切割效率等方面，而對于在水刀切割工法下掘進面穩定性問題尚未看到相關文獻報道。由于水刀切割是非接觸方式，故在清障的過程中無法在掌子面上施加支護壓力，由于沒有支護壓力，更容易出現掘進面失穩，因此亟需研究高壓水射流清障施工條件下盾構掘進面的穩定性。

基于此，本文以目前工程中越來越多遇到的鋼筋混凝土樁為研究背景，在考慮樁-土相互作用的基礎上，提出水刀切割下掘進面支護力計算模型和超前加固長度計算公式。然后結合數值軟件，在合理選取模型參數的基礎上，驗證了理論計算模型的合理性，并在其基礎上，研究了土體內摩擦角、埋深比以及加固長度等參數對支護力的影響規律，研究結果可為后續工程的設計和施工提供理論基礎。

1 水刀切割工法

水刀切割工法，即高壓水射流切割技術，通過超高壓噴射出的水流混合磨料來切割障礙物，相較于傳統的盾構切割，其不會產生較大的熱效應，且對環境無污染。

目前水刀切割技術在中國隧道建設領域還處于探索階段，尚未有切割障礙物工程的運用。而日本在實際工程中運用水刀對障礙物進行了破除并取得了良好的工程效益。他們主要是將水刀切割系統安裝在盾構刀盤上(即DO-Jet工法)，在掘進過程中遇到障礙物時會先噴射出超高壓水流對障礙物進行切割，從而實現盾構刀盤對障礙物的快速切削破除[14]，具體裝置見圖1。

圖2和圖3展示了這種施工工法中核心的兩個系統，分別為“地基改良系統”和“切割/清除系統”。

2 三維理論模型的建立

2.1 基本假定

本節首先構建盾構掘進面的三維理論模型(見圖4)，采用極限平衡法對掘進面的穩定性進行理論推導，求得支護壓力解析解。為便于計算，本文基于以下假定：

(1) 將滑動體上方土體和結構的荷載簡化為均布荷載σs；

(2) 假定滑動體沿與水平面呈一定角度的斜截面滑動(即沿直線滑動)；

(3) 由于加固體的黏聚力、內摩擦角等參數明顯大于原狀土，根據已有關于內摩擦角與滑動角關系的研究，滑動角可近似為θ=45°+φ/2，故假設θ2>θ1。

2.2 理論推導

為便于受力分析，先繪制出掘進面平面受力模型，如圖5所示。掘進面發生失穩時，滑動體的高度和寬度即為隧道的高度D和寬度B，長度假定為L，方向沿著隧道掘進方向，滑動角根據土體性質的不同分為θ1和θ2。以整體滑動體作為受力分析對象，所受到的作用力主要包括以下幾部分：未加固區和加固區土體的自重應力G1和G2，掘進面的支護力S，上覆土層施加在滑動體上的豎向力σs，滑動體所受到的側向摩擦力Ts1和Ts2，斜面摩擦力T1和T2，斜面正應力N1和N2。

考慮到滑動體分為加固區和未加固區，故對其進行分區域求解。

(1) 未加固區域。對于未加固區域的極限支護壓力的求解，主要采用水平條分法，如圖6所示，具體的推導求解過程可以參考文獻[15]。

極限支護壓力S1：

(1)

(2) 加固區域(見圖7)。未切割時，加固區處于極限平衡狀態時，受到的作用力有：掘進面推力S2，未加固區域的推力S1，滑動體外部樁的作用力P1和P2(水平向右)，滑動體內部樁的摩擦阻力Fs(豎直向上)，加固體的重力G2，側摩阻力Ts2。根據水平力平衡條件可得：

(S2+P1+P2-S1)cosθ2+T2+2Ts2=(G2+σ-Fs)sinθ2

(2)

(S2+P1+P2-S1)sinθ2+(G2+σ-Fs)cosθ2=N2

(3)

其中：

(4)

(5)

(6)

(7)

Ts2的大小可以根據已知文獻[16-17]計算：

(8)

(9)

在極限平衡狀態下，滑動力與抗滑力處于靜力平衡狀態，則：

(10)

聯合公式(2)～(10)，可得：

(11)

切割時，水刀切割主要是為了切割樁基，故在切割的過程中樁基逐漸被分割成多快，如圖8所示。

因此滑動體外部樁的作用力P1、P2以及滑動體內部樁的摩擦阻力Fs逐漸減小，直至為0，此時若需維持掘進面穩定，支護力由公式(11)變為

(12)

由于水刀與掘進面是非接觸形式，故無論是在加固土體還是切割樁基的過程中掘進面上的支護壓力均為0，因此加固長度對于維持掘進面的自穩十分重要。根據上述分析，加固長度d的最小值可以通過公式(13)計算出：

(13)

其中，

(14)

(15)

(16)

3 模型驗證

3.1 數值模型驗證

3.1.1數值模型建立

考慮到尚未有相關的工程實例，為驗證所提出理論模型的合理性，本文采用Midas軟件先進行前處理，然后導入FLAC3D軟件進行計算。共設計4組計算模型，加固長度分別取2，3，4 m及5 m，將結果與理論值進行對比。

考慮到計算效率，根據對稱性建立1/2幾何模型進行計算，模型尺寸為30 m×30 m×30 m，整體模型單元體總數為75 500個，擬開挖隧道的高度為6 m，隧道埋深比為 2，樁直徑 1 m，h1=h2=1 m，計算模型如圖9所示。土體采用線彈性模型，并服從Mohr-Coulomb破壞準則，樁采用實體單元進行模擬。模型的頂面設置為自由面，底面設置為固定面，模型兩側只允許產生豎向位移。土體主要參數見表1和表2。樁與非加固區以及加固區土體之間建立接觸面，接觸面的c與φ值取樁周土參數的0.7倍，法向剛度Kn和切向剛度Ks參數選取依據文獻[18]，具體參數見表3。

表1 土體參數Tab.1 Soil parameters

表2 加固區土體參數Tab.2 Soil parameters of reinforcement area

表3 接觸面參數Tab.3 Parameters of interface

詳細的數值模擬過程如圖10所示，根據計算結果作出支護壓力與掌子面中心點水平位移的曲線圖(見圖11)，借鑒確定樁承載力的Q-s曲線方法，來得出掌子面的極限支護壓力如圖11所示。

3.1.2結果分析

從圖11可以看出：在加固長度為2 m和3 m時，掘進面的極限支護壓力分別為12.5 kPa和5.5 kPa。將數值模擬值與理論計算值進行對比，見圖12，當加固長度為2 m時，理論解和數值解分別是12.5 kPa和12.0 kPa，兩者相差4%；當加固長度為3m時，理論解和數值解相差5.5%，最大誤差均在10%以內，驗證了本文提出理論的合理性。

3.2 工程案例驗證

3.1節通過數值分析對公式(11)進行了驗證，考慮到公式(12)表示的是樁基障礙物被切割完成之后的支護壓力計算公式，所以公式中已經不包含障礙物的相關參數，該公式也適用于采用暗挖隧道施工過程，本節擬采用工程實例對公式(12)的合理性進行驗證。

文獻[19]以蒙華鐵路萬榮隧道工程為例，采用數值模擬與工程實際監測相對比的方法，確定了在隧道全斷面開挖時采用水平旋噴樁對掌子面進行超前加固，加固長度為3 m時可以維持掌子面的穩定。隧道埋深為20 m，隧道直徑為10 m，原狀土和加固土的相關參數可以參考文獻[19]，這里不再贅述。本節采用 Mathematica軟件對公式(12)進行編程計算，得到的結果為S2=-1.29 kPa，可知加固長度為3 m的時候，計算得出的支護壓力小于0，為負值，表明此時掘進面可以維持自穩，不需要施加支護力，所得結論與文獻[19]相同。

4 參數分析

基于支護壓力計算公式(12)，研究加固土體內摩擦角、埋深比以及加固長度等因素對支護壓力的影響。以黏土為例(其他土層分析方法相同)，本文假定在樁基距掘進面1 m的時候進行加固，隧道的高度D=6.0 m，滑動體寬度B=6.0 m，未加固區土體重度為18.0 kN/m3，黏聚力為20 kPa，內摩擦角為10°；加固區土體重度為28.0 kN/m3，黏聚力為100 kPa。

4.1 內摩擦角和埋深比對支護壓力的影響

本節以加固長度為不變量，以加固土體的內摩擦角和隧道的埋深比為變量，研究兩個變量對支護壓力的影響規律。各參數的取值如表4所列，計算結果如圖13所示。

表4 參數取值Tab.4 Parameters in calculation

由圖13可知，當內摩擦角不變時，支護壓力隨著隧道埋深近似呈線性增加，最多增加了11 kPa。當埋深比不變時，隨著內摩擦角的增大，所需的支護壓力減小得越明顯，最多減小了4.2 kPa。

從圖13可以看出：加固長度為2 m、埋深比在1～3之間，加固體的內摩擦角小于35°時掘進面所需要的最小支護壓力為0.25 kPa。此時并不能滿足水刀切割無支護壓力的要求，因此在實際工程中當加固長度被限制時，可以考慮增大加固體的強度，從而增強掘進面的自穩能力。

4.2 內摩擦角和加固長度對支護壓力的影響

本節研究加固土體內摩擦角和加固長度對支護壓力的影響。由于現在隧道建設的快速發展，大埋深的隧道已經成為一種趨勢，故本節選取的隧道埋深比為3，更符合實際情況，樁徑暫定為1 m，加固長度分別為2，3，4，5 m，計算結果如圖14所示。

從圖14可知，當橫坐標的內摩擦角保持不變的時候，支護壓力與加固長度呈負相關，且當加固長度為4 m和5 m時，支護壓力值相差較小，此時的理論計算值均為負值，表明此時的支護壓力由“推力”變為了“拉力”，說明掘進面在不施加支護力時可以維持自穩。當加固長度一定時，支護壓力隨加固土體內摩擦角的增大而減小。

從圖14可以進一步看出，當加固長度大于4 m時，土體的內摩擦角在20°～35°之間，掘進面均可以維持自穩。當加固長度為4 m時，將其帶入到公式(13)中反算可以得到水刀切割時維持掘進面自穩需要的加固土體最小內摩擦角約為14°。

4.3 埋深比和加固長度對支護壓力的影響

本節研究埋深比和加固長度對支護壓力的影響。根據目前國內工程使用樁徑的情況，確定樁徑為1 m，加固區土體的內摩擦角為20°。埋深比H/D分別取為1，2，3，加固長度分別為2，3，4，5 m，計算結果如圖15所示。

從圖15可以看出，當加固長度一定時，支護壓力隨著埋深比的增大而增大，當加固長度超過4 m時，支護壓力變為負值。當埋深比一定時，支護壓力隨加固長度的增大而減小。

當加固長度大于4 m之后，掘進面支護壓力變為負值，表明掘進面可以維持自穩，實際工程中當加固體的強度不能得到有效保證的情況下，可以通過增大加固長度來維持掘進面的穩定。

4.4 各參數相關性分析

基于上述參數分析得出的數據，采用Spearman相關系數方法來確定輸入變量埋深比、內摩擦角、加固長度與輸出變量支護壓力之間的相關性。各參數間的相關系數見公式(17)。

(17)

3個輸入性變量中埋深比與內摩擦角的相關性較差(ρs<0.5)，埋深比、內摩擦角與加固長度的相關系數為0.51、-0.32，分別呈現正相關和負相關。3個輸入變量和輸出變量的之間的相關性強弱為：加固長度>內摩擦角>埋深比。

5 結 論

本文介紹了一種新型盾構破除樁基工法——水刀切割工法，并結合極限平衡理論對該工法條件下的盾構掘進面開挖穩定性問題展開了研究，主要結論如下：

(1) 基于水平條分法，考慮樁-土相互作用、上覆荷載、地層強度、加固長度等影響因素，構建出盾構切割情況下的掘進面極限支護壓力和超前加固長度計算公式，并通過數值模擬驗證其可行性。

(2) 通過參數分析發現支護壓力與埋深比呈正相關，與土體內摩擦角、加固長度等參數呈負相關。

(3) 通過參數相關性分析發現埋深比與內摩擦角的相關性較差，3個參數和支護壓力之間的相關性強弱為加固長度>內摩擦角>埋深比。