三轴搅拌桩对盾构隧道始发端变形影响三维数值模拟研究

郭斌，彭帅，商兆涛，胡力，夏琴，王学斌

（1.芜湖市轨道（隧道）交通工程质量安全监督站，安徽 芜湖 241000；2.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

二十一世纪以来，我国隧道及地下工程进入快速发展阶段[1]。盾构隧道端头洞门的加固尤为重要，面对复杂地层的隧道洞门加固问题，三轴搅拌桩和高压旋喷桩在实际工程中应用广泛。三轴搅拌桩对隧道端头起到加固效果，在破除隧道洞门时，不同的加固范围对减少洞门位移会有不同的效果。唐贤海[2]找出了三轴搅拌桩地层的弱加固方式并大大提高了盾构始发工程的工作效率。文新伦[3]总结出不同三轴搅拌桩的施工参数会对土体会产生不同的影响。谭虓隆[4]通过改变三轴搅拌桩的加固参数，解决了福州地铁5 号线欢乐谷站基地厚淤泥层承载力不足的问题。李焕容[5]表示三轴搅拌桩加固完杂填土地基，前期不宜过多堆载，后期土体固结，地基趋于动态平衡方可过多堆载。史剑[6]发现对于环境敏感区应降低搅拌桩提升和下沉速度并适当跳桩施工。

高压旋喷桩具有一定的加固效果和止水能力。吕若冰[7]得出高压旋喷桩法加固软土路基，注浆压力在加固过程中对路面隆起有重要影响。赖金星[8]研究出高压旋喷桩加固黄土隧道时，其在不同时间下的长期变形。曹志通[9]指出当旋喷桩加固工艺无法操作时，洞内水平注浆可以提升加固体的止水效果。

本文以芜湖过江隧道工程为依托，结合实际设计资料，采用数值模拟研究三轴搅拌桩加旋喷桩加固方式对盾构始发端头的变形影响。利用FLAC3D 软件建立隧道及其周围土层、岩层的三维数值模型，分析三轴搅拌桩在纵向加固18m、横向加固10.43m 情况下的加固区应力、洞门位移和地表沉降的大小。本文利用FLAC3D 数值模拟软件，对三轴搅拌桩在纵向加固18m、横向加固10.43m 的情况下进行数值分析，研究其对加固区应力、洞门位移和地表沉降的影响。研究结果对芜湖城南隧道建设有一定指导意义，为后续三轴搅拌桩加旋喷桩加固盾构隧道始发端头提供指导意义。

2 工程背景

安徽省“皖南第一隧”芜湖过江隧道，处于芜湖市长江段的“大拐弯”处，东边是江南主城的大工山路，西边是芜湖市鸠江区二坝镇即江北新城纬一路，商合杭大桥与其距离约为5.5km，并且在长江大桥的上游约9km 处。该隧道是一条连接无为县和城南主城区且具有重要市政功能的过江快速隧道。隧道所在的地区地势平坦，江面的宽度大约为1.5km，具体如图1。项目设计全长5.965km，双线隧道施工，右隧道长3967.4m，左隧道长3957.77m，设计为城市快速路，预计时速80km/h，双向六车道。隧道外径14.5m，内径13.3m，分三层：上层排烟通道层、中层行车通道层、下层救援车道和管廊，其中车道层高4.5m，净宽12.75m，最大纵坡4%。

图1 拟建芜湖城南过江隧道位置示意图

设计端头盾构隧道埋深约10.43m，土层分五层，第一层是粉质粘土，第二层是淤泥质粉质粘土，第三层是粉砂，第四层是细砂，最后一层是基岩。加固方法是3m 冻结加固区、三轴搅拌桩、高压旋喷桩止水和800mm 厚C15 塑性止水墙共同加固，同时设置应急降水井。本文采用的方法为三轴搅拌桩加高压旋喷桩联合使用的加固方法。三轴搅拌桩纵向加固18m，横向加固10.43m，考虑止水效果，采用高压旋喷桩封闭工作井相接处，在搅拌桩与工作井地连墙接缝位置设置一排Φ850@600mm 的旋喷桩，旋喷桩与地连墙及搅拌桩搭接不小于300mm。

3 三维数值模型建立

本文使用FLAC3D 数值模拟计算软件建立力学模型，计算的基本假定如下：①假定地表是均匀水平的，各层土均是水平均匀层状分布，土为各向同性；②排除高压旋喷桩止水时密封技术对土体的物理、力学参数及变形影响；③排除施工过程中和施工过程后土体因为扰动而造成的物理、力学参数和变形影响。

3.1 计算模型

根据实际工程项目的资料确定数据：隧道外径14.5m，内径13.3m，左右隧道圆心距21m。以左右隧道圆心的中点为模型的原点，建立双线隧道模型，其中模型右边界距右隧道右边58m，下边界距隧道下边45m，上边界距隧道上边13m，整体模型长151.5m，宽90m，高72.5m。计算模型见图2。

图2 三维数值计算模型

整体模型单元数为816480，其中衬砌部分X 方向单个单元0.6m，数目为2；Y 方向单个单元长1m，数目为90；Z 方向单个单元长0.6m，数目为2。开挖部分X 方向单个单元1.33m，数目为10；Y方向单个单元长1m，数目为90；Z 方向单个单元长1.33m，数目为10。围岩部分单元X 方向长0.625m，Y 方向长1.00m，Z方向长1.15m。

3.2 模型参数及边界条件

数值计算中各层土的物理力学参数如表1所示。

数值计算中各土层物理力学参数 表1

边界固定条件：将隧道的前面、后面、左面、右面以及底面固定，仅释放隧道顶面进行自由沉降即下部边界的X、Y、Z方向位移固定，仅释放Z方向上部位移。本模型采用摩尔库伦本构模型。

在地表沿隧道轴线方向每隔1m 设置1 个位移监测点，设置21 个监测点，并且在距起点25m 处的地表和隧道起点的上下左右边缘以及隧道中心点设置监测点观测地表变形，共计监测点27个。其中第一个监测点位于洞门拱顶垂直对应的地表。

本文模拟右线隧道洞门凿除过程地表变形，研究采用三轴搅拌桩技术加固始发端，对三轴搅拌桩在纵向加固18m、横向加固10.43m 的情况下进行数值分析，研究对加固区应力、洞门位移和地表沉降的影响。

4 结果分析

将物理参数赋值给模型，计算三轴搅拌桩横向加固10.43m、纵向加固18m 时的加固区应力、洞门位移和地表沉降。

图4 y方向应力场

图5 z方向应力场

4.1 加固区应力分析

图3、4、5 分别为三轴搅拌桩横向加固10.43m、纵向加固18m 时的x、y、z 方向的应力场。由图可知，加固区x 方向的最大应力为压应力且处于加固区底部，其数值为0.25MPa；加固区y 方向的最大应力为压应力且处于洞门正下方，其数值为0.33MPa；加固区z 方向的最大应力为压应力且处于加固区底部，其数值为0.65MPa。加固区整体最大的应力为z 方向压应力，小于加固区最大压应力允许值0.8MPa[10-11]，故三轴搅拌桩在纵向加固18m、横向加固10.43m的情况下，其在强度上满足要求。

图3 x方向应力场

4.2 洞门位移分析

表2 为三轴搅拌桩在纵向加固18m、横向加固10.43m 的情况下，洞门破除时洞门中心和四周的x、y 和z 方向的位移。由上表可知，洞门中心和四周的x 方向位移都偏小不足1mm，x 方向最大位移发生在洞门的左边缘为-0.7mm；对于洞门y 方向位移进行分析，可以看出洞门四周的y 方向位移都偏小且数值较为接近，而洞门中心的y 方向位移最大且为-2.2mm，这是由于洞门破除时洞门四周的土体会受到附近加固区的约束，从而其y 方向的位移较小，而洞门中心受到的约束较小，所以其y 方向位移相对于洞门四周的y 方向位移偏大；分析z 方向位移可以发现洞门上侧、左侧、右侧和中心的z 方向位移为向上隆起的位移，而洞门下侧为向下沉降的位移，这是由于洞门破除时洞门后方的土体向洞门处涌出，涌出时会对四周产生作用力，从而导致洞门上侧、左侧、右

洞门x、y和z方向的位移（单位：mm） 表2

侧和中心的z 方向位移为向上隆起的位移，洞门下侧为向下沉降的位移，且处于同一水平线的洞门左侧、右侧和中心的z方向位移大小接近。隧道洞门破除时最大位移允许值为15mm[12]，洞门中心和四周的x、y 和z 方向的位移都远小于最大位移允许值15mm，故三轴搅拌桩在纵向加固18m、横向加固10.43m 的情况下，其在洞门位移上满足规范要求。

4.3 地表位移分析

图6 为洞门破除时地表监测点的位移，其中2 号监测点为洞门正上方地表0m 处的位移且大小为1.37mm，7 号监测点为洞门正上方地表5m 处的位移且大小为1.29mm，12 号监测点为洞门正上方地表10m 处的位移且大小为1.21mm，17 号监测点为洞门正上方地表15m 处的位移且大小为1.18mm，22号监测点为洞门正上方地表20m 处的位移且大小为0.88mm，23 号监测点为洞门正上方地表25m 处的位移且大小为0.46mm。分析上图及其数据可知，监测点距洞口距离越大，其位移越小，且当监测点距洞口20m 以后其位移减小的幅度更大。洞门破除时，地表最大位移发生在洞门正上方的地表处即距洞口0m处，最大位移远小于最大位移允许值15mm，故三轴搅拌桩在纵向加固18m、横向加固10.43m 的情况下，其在地表位移上满足规范要求。

图6 地表监测点位移（单位：m）

5 结论

①对芜湖过江隧道始发端头采用三轴搅拌桩加高压旋喷桩加固时，加固区整体最大的应力为z 方向压应力0.65MPa，小于加固区最大压应力允许值0.8MPa，三轴搅拌桩在纵向加固18m、横向加固10.43m 的情况下，其在强度上满足要求。

②对芜湖过江隧道始发端头采用三轴搅拌桩加高压旋喷桩加固时，洞门中心和四周的x、y和z方向的最大位移为-2.2mm，远小于最大位移允许值15mm，故三轴搅拌桩在纵向加固18m、横向加固10.43m 的情况下，其在洞门位移上满足规范要求。

③三轴搅拌桩和高压旋喷桩加固盾构隧道端头可以显著降低地表位移，能够保证施工的安全性。