劉豐軍 ,閆兆強 ,廖少明

(1.河南科技大學建筑工程學院,河南洛陽 471003;2.鄭州大學 土木工程學院,河南鄭州 450000;3.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092)

0 前言

盾構出洞是指在盾構機組裝完成后,放置在符合設計軸線的基座上,將盾構機貫入出洞口進入地層沿所定線路向前推進,直至盾構機完全進入隧道,拆除洞口負環(huán)管片、反力架等輔助設施的一系列作業(yè)。盾構推出預留工作井時,必須鑿除或拆除封門,隨后刀盤切入土體,盾構機逐步進入待開挖土體。當井壁封門拆除后,如封門后土體不能自立,這時井內洞圈的密封裝置還不能阻擋洞外的土體,極易產生大量土體涌入工作井,造成洞口周圍大面積地表下沉,危及地下管線及附近建筑物;如在地下水位下出洞而不采取措施,井外泥水還將不斷從洞圈與盾構或隧道之間的間隙涌入井內,導致工作井受淹。因此,對盾構出洞段土體進行加固,保證盾構出洞時土體的穩(wěn)定性,是盾構工法施工中必須解決的問題,尤其是大直徑盾構出洞時該問題更為突出[1-4]。

當前常用的土體加固技術有注漿法、凍結法、降水法、高壓旋噴樁、深層攪拌樁或SMW工法,以及一些不太常用的工法如雙重鋼板樁法、開挖回填法等。具體工程中,選擇何種土體加固技術,需要結合場地情況、技術條件、工期、加固效果等要求進行對比篩選[2-5]。

本文結合某軟土地層中的大直徑盾構出洞段土體的加固方案,采用數(shù)值分析的方法研究采用不同加固技術時的土體穩(wěn)定性,為施工時土體加固技術的選擇提供參考。

1 工程概況

某長江隧道設計為雙管盾構隧道,隧道總長度約 3 800m,其中盾構段長度約為 2 992m,選用兩臺泥水加壓盾構同向掘進,盾構機直徑約 14.93m。該隧道使用泥水平衡盾構推進,開洞直徑為 14.9 m,東線隧道工作井出洞中心標高-6.258 m,西線隧道工作井出洞中心標高-6.235 m,地面設計標高+7.50 m,設計覆土厚度6.3m。

1.1 工程地質

根據(jù)鉆孔柱狀圖資料,盾構出洞口處土層有:2層填土、粘土,4層淤泥質粉質粘土,6層淤泥質粉質粘土夾粉土,7-2層粉土,土質不均,其滲透性一般較差。始發(fā)段各土層的參數(shù)如表1所示。

表1 各層土體的物理力學參數(shù)

1.2 土體加固方案

根據(jù)地質情況盾構出洞的土體加固有多種方案可以選擇,備選方案包括:凍結法、攪拌樁、攪拌樁SMW工法,土體加固范圍如圖1圖3所示。加固后的土體物理力學參數(shù)依據(jù)試驗結果如表2所示。

表2 加固土體參數(shù)

2 數(shù)值分析方法

本數(shù)值計算采用的軟件為大型通用有限元計算程序MSC.MARC,該軟件是功能齊全的高級非線性有限元分析程序,提供有適合巖土分析的多種線性和非線性復雜材料特性的材料模型。

2.1 土體本構模型

在盾構進出洞施工三維有限元模擬過程中,土體的本構模型選擇彈塑性模型是可行的。本分析選取的彈塑性模型為:Drucker-Prager模型。屈服準則采用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則[6]。

2.2 三維實體建模

(2)計算區(qū)域與邊界。根據(jù)有關文獻,本模型的計算區(qū)域為:沿x軸(垂直推進方向的水平向)對稱地取為5D(74.5 m);下部區(qū)域取為4D+H(74.5 m);沿z軸(盾構推進方向)長度取為5D+H(95 m)。其中:D為隧道開挖直徑;H為以隧道中心為基準的隧道埋深[7-9]。

至于邊界條件,對于真三維問題,每一節(jié)點具有 3個單獨的自由度;針對上述計算范圍的確定情況,認為沿隧道縱向前后兩個斷面土體在水平方向位移被限制,但可以發(fā)生垂直位移;模型左右對稱,故取一半分析,對稱面上沿橫斷面的水平位移被約束;另一側面所有水平位移被約束。

模型底部 3個自由度完全被約束,上部邊界為臨空面,為自由變化的平面,無自由度約束。

在試算時,不考慮土體加固條件下,從地層變形來看,沿z軸(盾構推進方向)方向長度方向上的5D+H顯得稍小,在實際計算時,進一步加大至185m。

2.3 計算工況

根據(jù)經(jīng)驗,盾構出洞過程中比較危險的工況有兩個:(1)封門打開,加固土體完全暴露,且盾構機頭未靠上之前。(2)盾構機機尾脫出連續(xù)墻或加固區(qū),因盾構機下部支撐剛度發(fā)生變化以及盾構機中心的移動,可能會引起局部下陷或盾構機傾斜。

本研究主要針對第一個工況進行,數(shù)值模擬分兩個荷載步進行:(1)土體在重力作用下產生的初始應力場。(2)模擬最危險的施工步,即拆除封門之后,開挖面土體完全暴露,計算土體在初始應力場作用下的變形及受力,在該荷載步下,刪除洞門處土體的垂直約束。對 SMW工法加固方案,則補充計算鋼樁拔出工況。

3 數(shù)值計算結果分析

3.1 不同加固方案下地表沉降比較

根據(jù)數(shù)值計算結果,各加固方案條件下地表沉降如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出:沿盾構推進方向,由于各種方案的加固范圍和形式都有較大差別,所以沿該方向的地表沉降差別較大。其中,沉降較小的為凍結法,其次為攪拌樁和攪拌樁 SMW工法。沿該方向,在土體加固和未加固的交界處,由于土體性質的突變,有較大的沉降差異,這于計算是采用連續(xù)介質模型有關,可以不予考慮。

由圖5可以看出:沿推進的垂直方向,各種加固方案的加固范圍和形式差別不大,地表沉降的趨勢和數(shù)值均相差不大。由于該方向加固范圍較小,沉降較縱向稍大。

3.2 不同加固方案下洞門處土體水平位移比較

各加固方案條件下洞口處土體水平位移如圖6所示。由圖6可以看出:洞門打開后,洞門處土體有一定的水平位移,但數(shù)值均不大,加固措施發(fā)揮了較好的作用。另外,SMW工法在拔樁后,位移有顯著變化,以旋噴樁+SMW工法為最。在施工工程中應特別注意此情況的出現(xiàn)。

3.3 不同加固方案下加固土體應力比較

根據(jù)計算,各加固方案條件下,其關鍵控制應力如表3所示。洞門處土體在封門打開和 SMW工法拔樁后的彎曲正應力如圖7所示。

從表3和圖7可以看出:加固土體的彎曲抗拉應力和剪應力均小于加固土體的彎曲抗拉強度和抗剪強度,滿足工程需要。

SMW工法在未拔樁時對洞門處土體的彎曲正應力影響較大,拔樁后和其它方案的變化較為一致。

表3 各加固方案的控制應力 kPa

4 結束語

(1)本文的分析表明:在軟土地層中的大直徑盾構出洞時采用凍結法、攪拌樁、攪拌樁SMW工法加固地層是可行的。施工時,可以結合工期、施工技術、周圍環(huán)境等條件選取使用的地層加固方法。

(2)數(shù)值分析方法雖然有一點的局限性,但對加固結果的分析可以給出其變化趨勢和相對的結果比較,可以為方案比選提供依據(jù)。

致謝:感謝上海隧道工程股份有限公司李向紅博士對本文的支持和幫助。

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