裴書鋒，李倩倩，郭 朝，黃明利

(1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，鄭州 450006;2.西安理工大學(xué)巖土所，西安 710048;3.北京交通大學(xué)土建學(xué)院，北京 100044)

0 引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，各種市政管線建設(shè)方興未艾。盾構(gòu)法由于具有地層適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)械化程度高、對(duì)周圍環(huán)境影響小、施工精度高和耐久性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在市政管線建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。北京地區(qū)采用盾構(gòu)法先后修建了亮馬河北路、壩河、清河及涼水河污水截流管線工程，同時(shí)也在電力、上水和熱力管道中逐漸得到應(yīng)用。

盾構(gòu)法相比其他工法雖然具有較大的優(yōu)勢(shì)，但是盾構(gòu)的始發(fā)和到達(dá)容易發(fā)生事故，特別是在有水地層，易引起滲流破壞，地表下沉嚴(yán)重導(dǎo)致始發(fā)失敗，主要原因通常是洞門端頭土體加固范圍不足［1］。為了保證北京市昌平區(qū)順于路西延電力隧道始發(fā)和到達(dá)安全，采用已有理論模型計(jì)算端頭加固范圍。通過(guò)理論計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)加固范圍的對(duì)比，考慮安全性，并且當(dāng)設(shè)計(jì)范圍小于理論值時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。

1 工程概況

北京市昌平區(qū)順于路西延電力隧道穿越溫榆河段，為保證河道安全，采用盾構(gòu)法施工。隧道覆土厚度6.4～13.5 m。電力隧道采用C50、P10鋼筋混凝土管片，內(nèi)徑3.0 m，管片厚250 mm，環(huán)寬1.0 m。盾構(gòu)始發(fā)井平面凈空尺寸為6.0 m×30.0 m，井深約19.55 m;接收井平面凈空尺寸為5.0 m×10.5 m，井深約15.5 m。

該段地層為厚度不大人工堆積的雜填土、素填土，人工堆積層以下為新近沉積土層、一般第四紀(jì)沖洪積成因的黏性土、砂土交互沉積層，顆粒較細(xì)，成層性較好。存在2層地下潛水，第1層潛水在始發(fā)端附近埋深0.2～2.5 m，在到達(dá)端附近埋深4.2～4.6 m;第2層潛水在始發(fā)端埋深14.0～15.5 m，到達(dá)端13.5～14.0 m。

2 端頭加固范圍理論計(jì)算

2.1 理論模型

2.1.1 縱向加固長(zhǎng)度

在計(jì)算端頭縱向加固長(zhǎng)度方面依據(jù)的主要理論有彈性薄板理論和滑移失穩(wěn)理論。彈性薄板理論和滑移失穩(wěn)理論分別滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。彈性薄板有圓形和矩形2種，其中圓形薄板模型在端頭加固范圍計(jì)算中應(yīng)用較為普遍，具體又可分為均布荷載計(jì)算模型和均布荷載加反三角對(duì)稱荷載2種處理方法，其中當(dāng)隧道直徑小于10 m時(shí)，2種計(jì)算方法結(jié)果差別不大［2-3］，本文采用前者，均布荷載模型如圖1所示。

圖1 均布荷載計(jì)算模型Fig.1 Uniform load calculation model

1)按照均布荷載模型計(jì)算得到的強(qiáng)度驗(yàn)算公式和最小縱向加固長(zhǎng)度

式中:D為工作井洞門直徑;t為縱向加固范圍;p為作用于洞門中心處的側(cè)向水土壓力，對(duì)于砂性土，水壓力和土壓力分別計(jì)算，對(duì)于黏性土，采用水土合算，土壓力按靜止土壓力考慮;μ為加固土體的泊松比;σt為加固土體的極限抗拉強(qiáng)度，一般可取極限抗壓強(qiáng)度的10%，即σt=qu/10;τc為加固土體的極限抗剪強(qiáng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，τc=qu/6;k1，k2為安全系數(shù)，一般取1.5。

2)日本JET GROUT協(xié)會(huì)(JJGA)規(guī)范采用的縱向加固長(zhǎng)度

式中:安全系數(shù)K0取1.5～2.0，計(jì)算系數(shù)β取1.2，其他符號(hào)意義同前。

在黏土地層中的理想整體滑移理論認(rèn)為加固土體在地面超載p和上部土體共同作用下可能沿某滑動(dòng)面向洞內(nèi)整體滑動(dòng)，假定滑動(dòng)面下部是以端墻洞門外頂點(diǎn)為圓心、洞門直徑為半徑的圓弧面［4-5］，整體滑移模型如圖2所示。

圖2 黏土理想化滑移模型Fig.2 Idealized sliding model of clay

3)采用理想整體滑移失穩(wěn)理論求得的端頭縱向加固長(zhǎng)度

式中:M為滑動(dòng)力矩;Md為抗滑力矩;Δc為改良后土體增加的黏聚力;K為抗滑安全系數(shù);θ為加固土體與滑移面的夾角;γt為隧道范圍內(nèi)土體重度。

2.1.2 橫向加固范圍

端頭加固的橫向加固范圍主要是考慮破除洞門和圍護(hù)結(jié)構(gòu)后對(duì)洞周土體的擾動(dòng)范圍，理論依據(jù)是土體擾動(dòng)的極限平衡理論。橫向加固范圍要大于擾動(dòng)范圍(塑性圈)才能保證橫向穩(wěn)定［6］。土體擾動(dòng)下的塑性圈和橫向加固范圍如圖3所示。

式中k為加固安全系數(shù)。

圖3 塑性圈與橫向加固范圍Fig. Plasticized ring and transverse reinforcement scope

2.1.3 滲透性和盾構(gòu)幾何特征要求

在盾構(gòu)有水始發(fā)和到達(dá)時(shí)，將理論計(jì)算的縱向加固長(zhǎng)度與盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度加上1.5～2 m做比較，取大者作為縱向加固長(zhǎng)度［7］。同時(shí)根據(jù)盾構(gòu)本身尺寸要求，最小的橫向加固范圍見(jiàn)表1。

表1 橫向加固范圍最小厚度Table 1 Minimum thickness of transverse reinforcement scope m

2.2 盾構(gòu)始發(fā)端和到達(dá)端土層參數(shù)

始發(fā)端隧道埋深為14.1 m，到達(dá)端隧道埋深為11.85 m。始發(fā)端和到達(dá)端地表到隧道底各層土層參數(shù)如表2和表3所示。

2.3 理論計(jì)算范圍

2.3.1 縱向加固長(zhǎng)度

考慮以往工程實(shí)例的加固經(jīng)驗(yàn)，加固區(qū)土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于1.0 MPa，所以加固土體容許抗剪強(qiáng)度可取0.17 MPa，容許抗彎拉強(qiáng)度取0.1 MPa。由于黏土層的隔水作用，不考慮第1層潛水在隧道洞門處產(chǎn)生的側(cè)壓力，在始發(fā)端第2層潛水，比隧道底高2.15 m，且下部為中砂層，在始發(fā)端考慮第2層潛水產(chǎn)生的側(cè)向水壓力。按照不同理論模型計(jì)算得到的始發(fā)端和到達(dá)端縱向加固長(zhǎng)度如表4所示。

表2 始發(fā)端端頭土體參數(shù)Table 2 Parameters of end soil of shield launching

表3 到達(dá)端端頭土體參數(shù)Table 3 Parameters of end soil of shield arrival

表4 始發(fā)端和到達(dá)端縱向加固長(zhǎng)度理論計(jì)算值Table 4 Theoretical calculation values of longitudinal reinforcement length of shield launching and shield arrival m

考慮土體滲透性要求，始發(fā)端按有水始發(fā)考慮，盾構(gòu)主機(jī)身長(zhǎng)3 m，始發(fā)端加固長(zhǎng)度宜取4.5 m。到達(dá)端地層以粉土和黏土為主，滲透性較小，到達(dá)端加固長(zhǎng)度宜取3 m。

2.3.2 橫向加固范圍

隧道開(kāi)挖后，圍巖形成一個(gè)塑性松動(dòng)圈，土體松動(dòng)圈半徑［6］

式中:σm為土體邊界應(yīng)力，取隧道中心處土體垂直應(yīng)力。

始發(fā)端和到達(dá)端圍巖松動(dòng)圈半徑、隧道上下側(cè)加固范圍和左右側(cè)加固范圍理論計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 始發(fā)端和到達(dá)端橫向加固范圍Table 5 Transverse reinforcement scope of shield launching and shield arrival m

考慮盾構(gòu)機(jī)身幾何尺寸要求，本工程隧道左右側(cè)加固厚度取1.5 m，隧道上部加固范圍取2.0 m，下部加固范圍取1.0 m?？紤]到始發(fā)端有砂層，下部加固范圍可增大為1.5 m。

3 設(shè)計(jì)加固范圍始發(fā)模擬

土體采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，加固體參數(shù)參照已有工程實(shí)例取值。為了模擬計(jì)算方便，在縱向加固范圍內(nèi)未加固土體按均質(zhì)土體計(jì)算，土體參數(shù)為各層土的加權(quán)平均值。模擬計(jì)算各層土體參數(shù)見(jiàn)表6。土體網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4。管片、盾構(gòu)以及注漿層視為彈性體，參數(shù)如表7所示。

表6 模擬計(jì)算各層土體參數(shù)Table 6 Soil parameters for simulation

圖4 各層土體網(wǎng)格劃分Fig.4 Gridding of soil layers

表7 管片、盾構(gòu)及注漿層參數(shù)Table 7 Parameters of segments，shield machine and grouting layer

模型尺寸長(zhǎng)度方向上取10D，隧道左右兩側(cè)各取5D，隧道下側(cè)取4D，上側(cè)取到地表。4個(gè)側(cè)面邊界約束水平位移，上部邊界取自由面，下部邊界取固定邊界，整個(gè)模型允許有豎向位移。

模擬危險(xiǎn)工況如下:

1)洞門打開(kāi)，隧道范圍內(nèi)加固土體暴露，盾構(gòu)刀盤未頂上加固土體之前，此時(shí)隧道掌子面沒(méi)有支撐力，本過(guò)程采取解除洞門約束實(shí)現(xiàn)。

2)盾構(gòu)刀盤頂上加固土體，此時(shí)土體會(huì)有較大變形。掘進(jìn)過(guò)程同時(shí)施加盾殼支護(hù)，掌子面施加土倉(cāng)壓力0.1 MPa。

3)盾尾脫出加固區(qū)，因盾構(gòu)下部支撐剛度發(fā)生變化，可能會(huì)引起盾構(gòu)向下傾斜，發(fā)生“磕頭”現(xiàn)象。本步掘進(jìn)9 m，除施加土倉(cāng)壓力和3 m盾殼支護(hù)外，施加6環(huán)管片及6 m注漿層。

3.1 打開(kāi)洞門

打開(kāi)洞門時(shí)土體豎向位移和縱向位移剖分圖如圖5所示。加固區(qū)第一主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別見(jiàn)圖6和圖7。

圖5 土體位移剖分云圖(單位:m)Fig.5 Subdivision cloud of soil displacement(m)

從圖5可見(jiàn)，打開(kāi)洞門時(shí)，地表最大沉降為2.4 mm，洞門處最大縱向位移3.2 mm，土體變形較小，應(yīng)力釋放的影響范圍不大，土體變形沒(méi)有出現(xiàn)整體滑移趨勢(shì)。

從圖6可見(jiàn)，由于隧道埋深較大，加固體受到的側(cè)向土壓力較大，加固體上部范圍仍舊存在一定程度的拉應(yīng)力，不過(guò)范圍較小，整個(gè)加固體多數(shù)區(qū)域仍處于受壓狀態(tài)，拉應(yīng)力最大值為0.046 MPa，小于假定的設(shè)計(jì)抗彎拉強(qiáng)度0.1 MPa。最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在XY方向拱腰部位，為 0.11 MPa，小于假定設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度0.17 MPa。

3.2 盾構(gòu)到達(dá)加固體端部

盾構(gòu)到達(dá)加固體端部時(shí)土體豎向位移和縱向位移剖分圖見(jiàn)圖8。

當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)加固體端部時(shí)，拱頂沉降最大值為3.4 mm，地表沉降最大值2.8 mm，仰拱部位最大隆起6 mm，掌子面最大縱向位移為2.7 mm，各項(xiàng)模擬值都小于設(shè)計(jì)容許值。但在從加固土體過(guò)渡到原狀土體時(shí)，應(yīng)盡量減少對(duì)土體擾動(dòng)。

3.3 盾尾離開(kāi)加固區(qū)

盾尾離開(kāi)加固區(qū)時(shí)土體豎向位移剖分圖見(jiàn)圖9。

從圖9可見(jiàn)，盾構(gòu)刀盤和盾尾處土體豎直位移相差約4 mm，向下的傾斜率4/4 000=0.1%，傾斜角度較小，盾構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)明顯的“磕頭”現(xiàn)象，始發(fā)總體安全。

當(dāng)盾尾離開(kāi)加固區(qū)時(shí)，盾構(gòu)已逐漸進(jìn)入到了正常掘進(jìn)狀態(tài)，拱頂沉降和仰拱隆起較大值均集中在加固體及加固體向原狀土體過(guò)渡范圍，原狀土體段拱頂沉降與仰拱隆起量均較小，這也證明了盾構(gòu)始發(fā)是施工過(guò)程中危險(xiǎn)的工況。

4 結(jié)論與討論

1)按照理論公式和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算了順于路電力隧道始發(fā)端和到達(dá)端理論加固范圍，始發(fā)端縱向加固長(zhǎng)度取4.5 m，橫向加固范圍分別為隧道左右側(cè)1.5 m，上部為2.0 m，下部為1.5 m;到達(dá)端縱向加固長(zhǎng)度取3 m，橫向加固范圍為隧道左右側(cè)1.5 m，上部為2.0 m，下部為1.0 m。

2)對(duì)加固設(shè)計(jì)范圍進(jìn)行始發(fā)安全性分析，打開(kāi)洞門時(shí)，地表沉降和土體縱向位移最大值分別為2.4 mm和3.2 mm，總體較小。加固體最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別為0.046 MPa和0.11 MPa，分別小于假定抗彎拉強(qiáng)度0.1 MPa和抗剪強(qiáng)度0.17 MPa。盾構(gòu)掘進(jìn)到加固體端部時(shí)，拱頂沉降最大為3.2 mm，仰拱隆起最大為6.0 mm，地表沉降最大為2.8 mm，掌子面最大縱向位移為2.7 mm，分別小于相應(yīng)容許值。盾構(gòu)從加固區(qū)進(jìn)入正常區(qū)段時(shí)，應(yīng)盡量減少對(duì)土體的擾動(dòng)。當(dāng)盾尾離開(kāi)加固體時(shí)，盾構(gòu)刀盤和盾尾處土體豎直位移相差約4 mm，向下傾斜率為0.1%，盾構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)明顯的磕頭現(xiàn)象。盾構(gòu)始發(fā)較為安全。

3)隧道覆跨比較大(約為4)，沒(méi)有出現(xiàn)整體滑移趨勢(shì)，所以滑移理論只適用于覆跨比較小的隧道。

4)對(duì)盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程進(jìn)行較為真實(shí)的模擬，有利于節(jié)約縱向加固長(zhǎng)度，具有較大經(jīng)濟(jì)意義。

5)端頭加固范圍隨埋深和土質(zhì)應(yīng)該有一定的變化規(guī)律，在這方面應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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