盾构隧道始发井基坑土体加固设计分析

李光凯

(烟台市公路管理局，山东烟台　264001)



盾构隧道始发井基坑土体加固设计分析

李光凯

(烟台市公路管理局，山东烟台264001)

摘要:结合某盾构隧道始发段地层加固工程实际，确定了合适的端头加固工法，利用FLAC3D有限差分方法，建模分析了不同加固范围时盾构掘进对周边环境及基坑支护结构的影响，获取最佳安全系数计算地层加固范围，为工程施工提供依据。

关键词:始发井，始发地层，加固设计，安全系数，数值模拟

盾构施工技术具有掘进速度快、机械化程度高等优点，已逐步在地下隧道修建中得到了广泛的应用。但是在盾构始发与到达段施工时常常伴随着高风险，需结合地层条件及周边环境情况对盾构始发与到达区域地层选择合理加固范围与方法进行加固［1］。

1　工程概况

本工程中盾构区间沿线为道路、铁路及商业建筑，地形基本平坦，盾构隧道左、右线5次穿越既有线段均在泥质粉砂岩中，盾构外径9．1 m。根据岩土工程勘察的报告结果，本区间褶皱不发育，断层不发育，岩层层面较稳定，产状较平缓，地下水位低于盾构隧道底部位置，勘察场地及其附近未见有影响场地稳定性的构造。本工程综合考虑多种盾构端头加固工法，并结合工程地质特点选用了地表旋喷桩满堂加固设计方案，加固深度至隧道底部，另在隧道底部以下1 m范围内进行注浆加固。

2　加固范围计算理论

2．1盾构端头纵向加固范围确定

采用日本弹性薄板理论计算盾构井端头土体的纵向加固范围，假定加固体为整体板块，根据日本JET GROUT协会(JJGA)［2］采用的计算公式，加固厚度为:

其中，D为工作井洞门直径;t为纵向加固范围;P为作用于洞门中心处的侧向水土压力，对砂性土，采用水土分算，对黏性土，采用水土合算，土压力按静止土压力考虑;β为计算系数，一般取1．2;μ为加固土体的泊松比，取0．25;k0为安全系数。

2．2盾构端头横向加固范围

盾构破洞后原有的应力平衡被破坏，在洞壁周围引起应力集中，如果最大剪应力超过土体抗剪强度，周围土体会受到破坏［3］，并逐步向四周扩散，形成一个塑性松动圈。土体扰动极限平衡理论认为横向加固范围要大于扰动范围(塑性圈)才能保证横向稳定，是建立在深埋隧道围岩压力计算基础上的。本文所述隧道属于浅埋，若依据土体扰动极限平衡理论得到围岩扰动范围小于隧道直径，不符合实际。结合始发段地质特点，选用Terzaghi围岩压力理论［4］来确定其横向加固范围为:

3　数值计算模型

3．1模型的建立

采用FLAC3D［5］有限差分软件建模，隧道埋深6．95 m，外径9．1 m，衬砌环外径9 m，衬砌环内径8．1 m，衬砌环宽1．8 m，衬砌环厚0．45 m。盾构管片采用改变强度参数的实体单元模拟，计算中为减小模型边界效应影响，隧道模型计算范围:上取至地面，下取地面下65 m，横向取120 m，因主要研究进口端头土体稳定性，一次性开挖长度取1个支撑管片的宽度，即1．8 m，总长度取72．8 m。模型底部施加x，y，z向位移约束，模型后方施加y向位移约束，前方除盾构井壁以外的区域施加y向位移约束，模型左右面施加x向位移约束，模型顶部为自由面。土体采用摩尔—库仑本构模型，基坑支护结构及衬砌管片采用弹性本构模型。计算模型见图1。

3．2计算结果

在端头土体纵向加固范围的计算中，取计算安全系数k0分别为0．8，1．0，1．5，2．0，分析比较盾构掘进至一个机身长度这一关键工况时地表沉降以及盾构工作井支护结构的响应。图2和图3

图1　数值计算模型

从图2可以看出，当左右双线隧道均推进一个机身长度时(右线先于左线6个循环)，当k0=0．8或k0=1．0时可以看出，地表沉降的最大值在地表沉降的预警值范围［6］，且地表沉降槽范围大，对临近既有的铁路线路影响大［7］，尤其是距离盾构井壁近段的地表沉降明显;当k0=1．5或k0=2．0时，地变沉降的最大值严格控制在预警值范围内，地表沉降槽范围明显减小，更重要的是严格控制了靠近盾构井壁附近的地表沉降值，保证了盾构推进过程中盾构工作井基坑的稳定性。

同时对比图2c)，图2d)我们能够发现，当k0＞1．5时，安全系数的提高将不再进一步控制地表沉降值以及地表沉降槽范围，因此确定k0=1．5为工程施工端头地层加固合理的计算安全系数。

图3选取了盾构井壁上距离双线隧道中轴线距离分别为1 m，3 m，7 m处三个测斜孔在盾构开挖掘进至左右线均大于一个机身长度时，不同加固安全系数下的水平位移情况。对比图3可以看出，越靠近双线盾构中轴线处，盾构开挖对盾构井壁地下连续墙的水平位移影响越大，在远离双线盾构中轴线的地方(地下连续墙边缘处)，地下连续墙的水平位移基本为0;综合来看，土体加固安全系数的提高能够有效控制盾构井支护结构的水平位移，但是总体上盾构井壁地下连续墙的水平位移较小。

图2　不同安全系数下土体加固地表沉降等值线图

图3　不同安全系数不同位置处地连墙水平位移曲线

4　结语

1)结合具体工程，采用日本弹性薄板理论获取盾构端头土体纵向加固范围，采用不同的计算安全系数k0得到四种纵向加固范围，考虑地表沉降以及盾构井水平位移采用数值模型进行安全性验算。

2)考虑不同的计算安全系数对加固区土体地表沉降的影响，当安全系数k0＞1．5时，能够有效控制地表沉降在地表沉降预警值范围内，同时盾构井壁近端地表沉降控制良好，地表沉降区范围明显减小;此时，安全系数的提高将不再进一步控制地表沉降值以及地表沉降槽范围，从而确定k0=1．5为工程施工端头地层加固合理的安全系数。

3)基于盾构工作井壁地下连续墙结构自身的稳定性，盾构掘进对地下连续墙的水平位移影响较小，越靠近工作井中部，支护结构的水平位移越大，但是能够有效降低支护结构的破坏风险;同时可以发现，当安全系数k0＞1．5时，地连墙的水平位移并不能随着安全系数的提高得到进一步的控制。

4)考虑实际工程中地下水位较低，故本次数值计算不考虑孔隙水压力以及渗流问题;同时模拟过程中未考虑同步注浆影响，因此模拟结果略显保守。

参考文献:

［1］ 陈馈，洪开荣，吴学松．盾构施工技术［M］．北京:人民交通出版社，2009:168-174．

［2］ JJGA日本ジェツトグラウト协会．ジェツトグラウト工法［R］．东京:鹿岛研究所出版会，1991:17-14．

［3］徐龙辉．盾构法施工地层变位机理及地表沉降规律研究［D］．长沙:长沙理工大学硕士学位论文，2012:11-19．

［4］沈明荣，陈建峰．岩体力学［M］．上海:同济大学出版社，2012:788-795．

［5］ 陈育民．FLAC及FLAC3D基础与工程实例［M］．北京:中国水利水电出版社，2009．

［6］GB 50497—2009，建筑基坑工程监测技术规范［S］．

［7］铁运［2006］146号，铁路线路修理规则［S］．

中图分类号:U459．2

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0172-02

收稿日期:2016-04-08

作者简介:李光凯(1980-)，男，工程师分别从地表沉降的角度以及基坑支护结构稳定性的角度对比分析了不同安全系数下始发地层土体的加固效果。

The research of soil reinforcement at shield tunnel starting well

Li Guangkai
(Yantai Highway Administration，Yantai 264001，China)

Abstract:According to a practice engineering of soil reinforcement at shield tunnel starting well，since a appropriate construction method has been adopted，the FLAC3D finite difference method was used to build a numerical model，analyzing the different effect on ground surface settlement and the horizontal displacement of retaining structure in terms of different reinforcement scope．Finally，the optimal safety factor and the best reinforcement scope were obtained through this way，so as to provide some reference for practice engineering．

Key words:starting well，starting stratum，reinforcement design，safety factor，numerical simulation