富水砂卵石地層盾構始發端頭加固工法研究

王新強 雷元亮 陸志明 王二力

【摘要】文章以廣州地鐵18號線沙溪站盾構始發工程為背景，建立三維有限差分模型，對富水砂卵石地層盾構始發加固工法進行比選，研究不同工法下盾構始發引起的地表沉降和襯砌結構應力的變化規律，選取最合適的盾構始發端頭土體加固工法。結果表明：采用深層攪拌樁法加固的工況下，盾構始發對地表沉降的影響更小，襯砌結構的應力分布狀態也更良好，說明深層攪拌樁法更適用于類似的富水砂卵石地層盾構始發端頭加固。

【關鍵詞】盾構始發; 土體加固; 工法比選; 深層攪拌樁法

【中國分類號】U455.43【文獻標志碼】A

盾構法是目前城市地鐵建設的主流工法，具有良好的施工適用性，但盾構法施工存在著一定的不足，尤其是盾構始發過程中出現的端頭土體失穩、塌方及滲水等工程安全問題，已經成為盾構施工事故的主要原因[1-2]。盾構始發是盾構施工過程中最關鍵的環節之一，據統計，在采用盾構法施工的地鐵建設中，有70 %以上的事故發生在盾構始發過程中。更嚴重的是，對于富水砂卵石地層，盾構始發掘進后地表沉降存在明顯的“滯后”沉降的特點[3-4]，導致盾構始發安全問題更加突出，必須要做好完善的方案設計才能保證工程順利進行。

圍繞盾構始發端頭土體加固已有一定的研究成果[5-8]，但目前有關端頭土體加固的研究大都針對特定的工程，對于臨近江河的富水砂卵石地層盾構始發工程不具有普適性。在前人的研究基礎上，本文建立三維有限差分數值模型，對富水砂卵石地層盾構始發土體加固工法進行初步比選和二次比選，最后確定合適的加固工法。

1 工程概況

廣州地鐵18號線六分部工程南起南村萬博站，北至石榴崗站，中間經過沙溪站，線路全長約8.4 km。本標段盾構始發位置位于沙溪村，正線由沙溪站大里程端直線段始發。

盾構始發處場地地貌屬于珠江三角洲沖積平原（濱海沉積區），地形較平坦，相對高差較小，地面高程一般為4.0～7.0 m。始發處地層從上至下分別為<1>雜填土、<2>淤泥質粉細砂、<3>粉細砂、<7>強風化泥質粉砂巖、<8>中風化泥質粉砂巖。

盾構始發處地表水較為發育，地下水主要有第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水。場地地下水動態變化具季節性，主要受降雨季節支配，年變化幅度約為1.0～1.5 m。

2 端頭加固方法初步比選

盾構始發與到達時需要鑿除洞門，這時會由于土壓釋放引起地基松動和崩塌，此時必須采用必要的輔助工法對自穩性較差的土體進行加固處理，防止地層失穩和地下水流入，給周圍的路面和地下埋設物造成影響。

目前作為盾構始發與到達的輔助工法，主要有深層攪拌法、注漿法、凍結法、降水法以及一些不太常用的如雙重鋼板樁法、開挖回填法等其他工法。在實際施工中，這些工法可單獨使用，也可組合使用。如高壓旋噴樁+水泥土深層攪拌樁適用于軟土地區;降水+地層加固適用于砂性土層;分層注漿適用于全斷面巖石地層等。目前主要的土體加固工法及其特點如表1所示。

結合當地的工程水文地質以及表1的分析，對各種工法進行初步比選：

（1）凍結法加固在施工過程中凍土的融沉性和凍脹性會對地面沉降產生較大影響，且施工工期較長，施工造價高，不適用于本工程。

（2）注漿法加固風險較高，施工質量無法得到有效保證，但注漿法工期短，造價低，如果能保證其施工質量，減小盾構始發對地層的影響，可以用于本工程施工。

（3）本始發工程離珠江過近，在潮汐作用的影響下水頭變化較頻繁，采用降水法無法達到預期的降水效果，在施工過程中可行性較低，因此降水法不適用于本工程。

（4）深層攪拌樁法適用于不同的工程地質，可以用于飽和軟黏土和各種正常固結的素填土、淤泥質土、黏性土等土層，并且對周圍地層的擾動較小，施工簡單，造價較低。但是在富水地層，深層攪拌樁加固技術需要與其他工法聯合使用。

基于上述分析，可以發現：降水法和凍結法不適用于本工程，注漿法和深層攪拌樁加固法適用于本工程，需要對這兩種工法的適用性和可行性進一步判斷和比較。

3 數值模型

3.1 模型的建立

為了對注漿法和深層攪拌樁法兩種加固工法進行進一步比選，本文采用有限差分軟件FLAC3d建立考慮實際地層分布的三維有限元模型，模型整體尺寸為高60 m×寬76.2 m×長72.85 m，模型底部約束三個方向的位移，左右兩側約束X方向位移。隧道外徑8.5 m，襯砌厚度0.4 m。根據施工參數，在盾構掘進前方（即掌子面處）施加0.3 MPa的壓力來模擬盾構頂進力。

兩種工法的加固范圍分別為：

（1）深層攪拌樁法：中間加固體的范圍是橫向12.9 m，縱向11.2 m，豎向27.5 m，并在加固體外側施做0.8 m厚的地下連續墻以及0.85 m厚的深層攪拌樁。

（2）注漿法：注漿加固體的范圍是橫向16.5 m，縱向11.2 m，豎向16.5 m。

兩種加固工法對應的計算模型及網格劃分見圖1。

3.2 參數的選取

根據工程地勘報告，地層由地表至基巖的各主要土層分別為<1>、<2>、<3>、<7>、<8>，地層力學行為符合Mohr-Coulomb準則，管片和各加固體采用彈性本構。各土層的力學參數如表2所示，隧道襯砌和各加固體的力學參數如表3所示。

3.3 監測點的布置

為了更加直觀地分析盾構始發對周圍土體的影響，選取與始發處距離較近的DK48-148和DK48-158為監測斷面，并且在兩監測斷面處布置6個地表沉降監測點，監測點布設情況如圖2所示。

4 計算結果分析

4.1 地表沉降分析

盾構始發土體加固對施工期始發處的地表沉降控制有較

嚴格的要求。兩種工況下的地表沉降云圖如圖3所示。

由圖3可知：采用深層攪拌樁法加固的工況中，受盾構掘進影響而產生沉降的地層主要是隧道正上方及正下方的部分區域;采用注漿法加固的工況中，受盾構掘進影響的地層范圍更大。

為了進一步比較兩種工法中的地表沉降數值，提取圖2所示的各監測點處沉降數值，并與實測值進行比較，其結果如圖4所示。

由圖4可知：（1）對于1號、2號、3號監測點，采用深層攪拌樁法的地表沉降數值為4.78 mm、5.95 mm和6.33 mm，遠小于注漿法的6.20 mm、8.717 mm和9.334 mm，對于4號、5號、6號監測點，采用深層攪拌樁法的地表沉降為7.521 mm、10.412 mm和11.517 mm，略大于注漿法的7.201 mm、9.845 mm和10.472 mm，綜合來看深層攪拌樁法

加固后地表產生的沉降更小，具有更好的加固效果。

（2）深層攪拌樁加固工況下，各監測點處的沉降計算值均與現場實測值更為接近，說明數值模擬效果較好，能反映施工現場的實際情況。

4.2 襯砌應力分析

襯砌的應力分布是判斷土體加固效果的另一個指標，受拉應力狀態對襯砌有不利影響，因此提取兩種工況下襯砌的最大主應力云圖如圖5所示。

由圖5可知：（1）兩種工況下襯砌結構均有部分位置處于受拉狀態（最大主應力為正），且受拉位置均出現在拱底內側區域。

（2）采用深層攪拌樁法工況的襯砌最大主應力最值為0.013 MPa，而注漿法工況的襯砌最大主應力最值0.088 MPa，兩種工況下的拉應力數值均較小，不會對結構產生明顯的不利影響，但是相較而言前者的拉應力數值更小，說明深層攪拌樁法有更好的土體加固效果，更加適用于本工程的施工。

5 結論

本文依托廣州地鐵18號線沙溪站盾構始發工程，采用三維數值模擬的方法，對不同土體加固工法條件下的地表沉降和襯砌應力進行對比分析，得到以下結論：

（1）當前主流的土體加固工法中，降水法和凍結法明顯不適用于本工程，注漿法和深層攪拌樁加固法可用于本工程。

（2）對比地表沉降結果可知，深層攪拌樁法工況的計算值與實測值更接近，且該工況下1號、2號、3號監測點處的沉降值明顯更小，4號、5號、6號監測點處的沉降值與注漿法工況差異不大。

（3）對比襯砌應力結果可知，兩種工況下襯砌均在拱底內側位置出現受拉，深層攪拌樁加固工況下襯砌最大拉應力為0.013 MPa，遠小于注漿加固法的最大值0.088 MPa。

（4）綜合本文分析結果，對于類似的富水砂卵石地層盾構始發工程，深層攪拌樁法加固后地表沉降更小，襯砌應力分布狀態更合理，說明深層攪拌樁法加固效果更好，在施工設計的過程中可以優先考慮。

參考文獻

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