地鐵盾構始發端加固范圍及施工要點研究

摘要：依托龍城站-坪山站區間盾構始發端背景，采用日本彈性薄板理論初步計算出始發端頭縱向加固長度，根據工程經驗初步獲得橫豎向加固范圍。通過有限元軟件建立三維數值模擬，通過建立不同工況，對比分析橫向加固長度、豎向加固長度以及縱向加固長度對盾構施工引起的地表沉降的影響，以此獲得本工程合理的加固范圍。從施工始發端頭加固、反力架安裝、洞門密封安裝等方面闡述了盾構始發施工要點。研究結果表明：采用旋噴樁加固能很好保證盾構始發端安全施工；一定范圍內擴大旋噴樁加固范圍，能有效控制地表沉降，本工程合適的加固范圍為橫向加固長度為4m、底部加固長度為3m、縱向加固長度為12m。

關鍵詞：盾構始發端；彈性薄板理論；有限元分析；加固范圍

0" "引言

盾構法施工因其綠色環保、施工效率高等優點，被廣泛應用于城市地鐵隧道建設中[1]。盾構始發端頭的順利施工是整個隧道工程安全施工的關鍵。對于復雜地質下的隧道工程，如果未有效加固地層，極易導致地表沉降、涌水涌砂等災害，嚴重時會造成人員傷亡[2]。

近年來，針對盾構始發端的研究已逐漸成為地下工程的熱點之一。不少學者對此開展了一系列的研究。滕麗等[3]依托成都砂卵石地層盾構隧道工程，通過數值軟件模擬盾構始發端穿越卵石地層，分析了盾構施工引起的地表沉降規律。王天明等[4]以某盾構法隧道端頭井為研究對象，通過有限元軟件模擬盾構施工，分析了不同地層加固方式，并明確了合理的加固范圍。本文依托龍城站-坪山站區間盾構始發端背景，通過理論法、經驗法、數值模擬法確定了適合本工程的加固范圍。

1" 工程概況

深惠城際大鵬支線工程起自深圳市龍崗區龍城站，途徑深圳市龍崗、坪山、大鵬新區3個區，終于大鵬新區新大站。深惠城際大鵬支線工程正線為地下線，線路全長39.387km，全線共設6座地下站，分為5個地下區間（不含龍城站站前）。

龍城站-坪山站區間長9054.253m，坪山站長484.8m，坪山站-燕子湖站區間長5649.712m，燕子湖站長237.491m，燕子湖站-葵涌站區間長7918.424m，葵涌站長741m，葵涌站-大鵬站區間長6605.642m，大鵬站長280.3m。除利用車站進行盾構始發與接收外，龍坪區間設置3座盾構工作井，坪燕區間設置一個盾構工作井，燕葵區間與葵大區間盾構機掘進完成后，進行洞內拆解。本文以龍城站-坪山站區間為研究對象。

2" "旋噴樁加固范圍分析

2.1" "加固長度計算

2.1.1" "縱向加固長度

根據彈性薄板理論，盾構始發端頭縱向加固長度計算公式為：

t=（kβPD2/4σt）1/2=8.9m" " " " " " （1）

式中：k為安全系數，一般為1.5～2.0，取1.5；β為計算系數，取1.2；D為洞門直徑，取8.8m；σt為加固土體極限抗拉強度，一般為10%～15%單軸抗壓強度，取0.133MPa；P為端頭中心點的水土壓力合力，根據土層參數計算得P=0.302MPa。

2.1.2" 橫豎向加固長度

表1列出了根據工程經驗得到的端頭井橫豎向加固長度經驗值。根據表1中經驗值可知，本工程橫向加固長度不低于2.5m，隧道底部加固范圍不低于2.0m。

2.2" "建立三維數值模型

根據工程設計資料及地勘報告，本文建立如圖1所示的三維盾構始發端模型。為消除模型邊界效應對計算結果的影響，設置模型尺寸為80m（長度）×80m（寬度）×60m（高度）。模型中隧道外徑為8.8m，管片厚度為0.4m，管片寬度1.8m。

采用實體單位模擬土層、加固土體與盾構管片。通過在掌子面施加300kPa的壓力來模擬掌子面處的頂進力。基于地下水位設在0.8m深，且為簡化模型，模型中未設置地下水滲流參數。

三維模型邊界條件如下：模型底面為完全固定約束，模型側面為法向固定約束，模型頂面為自由邊界。模型中隧道管片、加固區、巖土層采用摩爾-庫倫本構模型，各結構物理力學參數見表2。

2.3" "加固范圍對比分析

2.3.1" "最大地表沉降隨橫向加固長度變化

為確定合理的橫向加固長度，建立6種不同工況，分別為2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m。其中縱向加固長度取9m，底部加固長度取2m。

圖2給出了最大地表沉降隨橫向加固長度變化曲線。從圖2可以看出，增加橫向加固長度能不同程度的減小盾構施工對地表沉降的影響。當橫向加固長度為2.5m時，最大地表沉降為25.8mm；當橫向加固長度增加至3m時，最大地表沉降為16.5m，較上一級工況增減小了36%。以此類推，逐級增加橫向加固長度，地表沉降較上一級工況降幅分別為24.8%、21.6%、15%、11.7%。當橫向加固長度超過4m后，繼續增大橫向加固長度對控制地表沉降的效果有限。

2.3.2" "最大地表沉降隨底部加固長度變化

為確定合理的底部加固長度，建立6種不同工況，分別為2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m。其中縱向加固長度取9m，橫向加固長度取2.5m。圖3給出了最大地表沉降隨底部加固長度變化曲線。從圖3可以看出，增加底部加固長度能不同程度的減小盾構施工對地表沉降的影響。

當底部加固長度為2m時，最大地表沉降為24.4mm；當底部加固長度增加至2.5m時，最大地表沉降為14.8m，較上一級工況增減小了39.3%。以此類推，逐級增加底部加固長度，地表沉降較上一級工況降幅分別為25.7%、8.2%、5.9%、4.3%。當底部加固長度超過3m后，繼續增大底部加固長度對控制地表沉降的效果有限。

2.3.3" "最大地表沉降隨縱向加固長度變化

為確定合理的縱向加固長度，建立6種不同工況，分別為9m、10m、11m、12m、13m、14m。其中橫向加固長度取2.5m，底部加固長度取2m。

圖4給出了最大地表沉降隨縱向加固長度變化曲線。從圖4可以看出，增加縱向加固長度，能不同程度的減小盾構施工對地表沉降的影響。當縱向加固長度為2m時，最大地表沉降為26mm；當縱向加固長度增加至2.5m時，最大地表沉降為16.6m，較上一級工況增減小了36.1%。以此類推，逐級增加縱向加固長度，地表沉降較上一級工況降幅分別為25.7%、13%、3.3%、0.8%。當縱向加固長度超過12m后，繼續縱向加固長度對控制地表沉降的效果有限。綜上所述，本工程合適的加固范圍如下：橫向加固長度為4m、底部加固長度為3m、縱向加固長度為12m。

3" "盾構始發施工工藝要點

3.1" "施工始發與接收端頭加固

施工方應在加固前調查地下管線情況，以避開管線。旋噴樁加固深度范圍內，若遇中風化、微風化地層，則該地層范圍不必加固。龍城站大里程端頭加固采用φ800@600旋噴樁加固，沿線路縱向長度12m，外側寬度至隧道外輪廓外4m，深度至基底以下3m。

3.2" "反力架安裝

反力架提供盾構掘進所需要的反推力，安裝前應先將盾構主機連接后配套，并確保端面與盾構掘進軸線垂直。為保證反力架腳板抗壓強度足以支撐盾構機，需墊實車站結構連接件與反力架之間的空隙。

3.3" "洞門密封安裝

為避免回填注漿漿液以及土體孔隙流出洞口，應在盾構機洞圈一周安裝扇形折葉式壓板、環向密封橡膠簾布板等止水裝置。洞口密封施工分兩步進行。

在施工始發井主體結構側墻時，提前埋設預埋件A于洞門。預埋前做好測量放樣工作，確保洞門A板預埋的精度。預埋板A上焊接有Z字型連接筋，將其與主體結構相連，確保焊接要牢固，并將端墻結構鋼筋緊連預埋件。盾構正式始發之前，進行洞門密封安裝。

在盾構機下井組裝調試完成后、洞門破除之前，及時安裝洞口密封壓板及橡膠簾布板。預埋A板上設有均勻布置的螺栓孔，施工時需注意密封橡膠簾布及扇形壓板的安裝方向。密封橡膠簾布端頭的凸起方向與盾構掘進方向相同。

3.4" "負環管片安裝

為保證上部千斤頂工作可靠，盾構初始掘進時，將負環管片設置為全環閉口標準環，錯縫拼裝。根據盾構井參數及洞門長度，確定所需負環的數量。具體如下：

3.4.1" 準備工作

將槽鋼焊于盾尾殼體用以支撐管片安裝，為管片定位做鋪墊。將第一塊管片封頂塊處標記為1點，安裝負環管片前，將封頂塊的偏轉角度及首環封頂塊的偏轉角度標在盾尾內側。

3.4.2" "安裝要點

安裝鄰接塊過程中，將吊耳焊接盾尾盾殼，在吊耳裝上倒鏈并固定。待封頂塊拼裝完成后，拆去倒鏈，割除吊耳。安裝完首環負環管片后，將管片從盾尾推出，并將管片壓緊，方可進行下一步施工。

在始發臺兩側安裝三角支架，三角支架頂部加設200H型鋼，與盾殼緊密接觸。在每環管片推出盾尾后，將管片與始發臺導軌間隙用鋼楔、木楔及時進行支墊，將管片壓力均勻傳遞給三角架。每環管片加設兩個鋼楔子和一個木楔子。

待負環安裝完后，在管片外側左、右、上部各設一道20B工字鋼進行整體加固，以確保成型后的負環整體性，受力均勻、平穩傳遞。同時采用事先加工的“U型”卡，將負環每一處縱向螺栓孔位置與反力架接觸面焊接在一起，以加強反力架與負環的連接。

4" "結束語

根據彈性薄板理論計算出得出縱向加固長度的理論下限值為 8.9m，為控制地表沉降，保證始發的安全性，縱向加固長最合適長度為12m。根據工程經驗獲得本工程橫向加固長度理論上不低于2.5m，隧道底部加固范圍理論上不低于2.0m，為控制地表沉降，保證始發的安全性，橫向加固長度最合適長度為4m，隧道底部加固范圍最合適長度為3.0m。

增加橫豎向加固長度、縱向加固長度均能減小地表沉降。當底部加固長度超過3m、橫向加固長度超過4m、縱向加固長度超過12m后，繼續增大這3個因素對地表沉降的控制效果有限。

本工程合適的加固范圍為橫向加固長度為4m、底部加固長度為3m、縱向加固長度為12m。

參考文獻

[1]" 胡俊.盾構始發端頭化學加固范圍的數值模擬研究[C].中國土木工程學會，2013：99-103.

[2]" 劉恒伏，胡森，王有旗，等.流塑狀淤泥質地層盾構小半徑始發加固范圍研究山[J].四川建筑，2020，40（2）：125-127+130.

[3]" 滕麗，張桓.盾構穿越砂卵石地層地表沉降特征細宏觀分析[J].巖土力學，2012，33（4）：1141-1150+1160.

[4]""""" 王天明，戴志仁.盾構法隧道端頭井地層加固方法及其應用研究[J].鐵道工程學報，2014，31（8）：90-95+100.