趙銳

（中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250101）

最近幾年，新加坡對越江盾構(gòu)進隧道以及地鐵的需求越來越多，在實際的工程建設(shè)當中大直徑盾構(gòu)應(yīng)用較為廣泛。但是加大直徑，會使管片外圈空隙變大，增大砂漿填充量，管片脫落之后，減少拼裝體的單位容量，會因為漿液以及地層的作用而加大浮力，讓盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上浮的情況。有相關(guān)數(shù)據(jù)說明，在軟土地層中對越江隧道進行施工，更容易出現(xiàn)管片脫落上浮、盾構(gòu)上移的情況。最主要的是在安裝48h內(nèi)有70%發(fā)生管片上浮，因此，對軟弱地層大直徑盾構(gòu)隧道抗浮以及相應(yīng)解決措施的研究非常有必要。

1 盾構(gòu)隧道工程概況

本項目為新加坡跨島線某標段，是單洞雙線鐵路隧道，起止里程59+472～62+511，全長3039m。其中盾構(gòu)段2769m（579m+2190m）。盾構(gòu)從空軍基地東側(cè)始發(fā)井始發(fā)（標段終點），隧道下穿空軍基地、敏感建筑物、出租車道、河床、淡濱尼路、高速公路、高架橋、石龍崗運河、LTA馬路后從CR111標段接收井處接收（標段起點）。

隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機施工，579m盾構(gòu)段隧道上部處于加冷組地質(zhì)區(qū)域，下部處于“老沖基層（Old alluvium）”的地質(zhì)區(qū)域；2190m盾構(gòu)段全斷面處于“老沖基層”的地質(zhì)區(qū)域。本標段盾構(gòu)隧道工程計劃采用1臺土壓平衡盾構(gòu)機進行施工。盾構(gòu)從空軍基地東側(cè)始發(fā)井始發(fā)，掘進2190m后于空軍基地西側(cè)明挖段工作井接收，整機拖拽118m后二次始發(fā)，掘進579m后從CR111標段接收井處接收。盾構(gòu)隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機開挖，開挖出的渣土通過連續(xù)皮帶機運輸至渣土處理場。盾構(gòu)掘進過程中，管片與地層之間的環(huán)形間隙采用雙液同步注漿回填。掘進完2m（1環(huán)）后在盾尾內(nèi)拼裝管片。盾構(gòu)隧道采用管片錯縫拼裝，采用斜螺栓連接。管片接縫采用彈性密封墊防水。盾構(gòu)機在工作井進行始發(fā)，試掘進50環(huán)后，進入正常掘進階段。盾構(gòu)施工全過程堅持監(jiān)控量測跟蹤，實施信息化施工，以控制地層變形和確保安全。

場地為軟土地層，南岸與北岸的地基是淤泥層，非常軟弱的淤泥層達到了50m的深度，這對支護設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了很大的難度。為了使管片不出現(xiàn)錯臺的情況，需要加固軟土。盾構(gòu)拱頂以上3m為加固的范圍，兩側(cè)2.8m，底部不能低于1m，摻加的水泥量為20%。本文主要對軟弱淤泥密集的水域區(qū)進行研究，選覆土厚度最小的斷面模擬。該盾構(gòu)結(jié)構(gòu)主要在全風化砂巖、碎石質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏土以及淤泥中進行掘進，土層主要特性如表1所示。

表1 土層特性指標

2 盾構(gòu)施工配套方案

2.1 本工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的方案分析

盾構(gòu)隧道579m盾構(gòu)段隧道上部處于加冷組地質(zhì)區(qū)域，下部處于“老沖基層”的地質(zhì)區(qū)域；2190m盾構(gòu)段全斷面處于“老沖基層”的地質(zhì)區(qū)域。地質(zhì)較為堅硬，場地廣泛分布，工程性質(zhì)較差。新加坡地處熱帶，長年受赤道低壓帶控制，為赤道多雨氣候，氣溫年溫差和日溫差小。平均溫度在23～34℃之間，年均降雨量在2400mm左右，濕度介于65%～90%之間。每年11月至次年1～3月左右為雨季，受較潮濕的東北季候風影響，天氣不穩(wěn)定，通常在下午會有雷陣雨，平均低溫在24～25℃左右。

2.2 盾構(gòu)選型依據(jù)及選型原則

盾構(gòu)機的選型是盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響盾構(gòu)隧道的施工方法、工藝及施工成本，為了保證工程的順利完成，對盾構(gòu)機的選型工作應(yīng)非常慎重。

盾構(gòu)選型主要依據(jù)工程招標文件、工程勘察報告、隧道設(shè)計、相關(guān)標準和規(guī)范，針對工程特點及難點、隧道設(shè)計參數(shù)、盾構(gòu)施工工藝、進度要求等因素進行分析，對盾構(gòu)類型、功能要求、主要技術(shù)參數(shù)、輔助設(shè)備的配置等進行研究。盾構(gòu)機選型原則主要從安全性、可靠性、適用性、先進性、經(jīng)濟性等方面綜合考慮，所選擇的機型要能盡量減少輔助施工法，并能確保開挖面穩(wěn)定和適應(yīng)本標段工程的地質(zhì)條件。

2.3 盾構(gòu)機類型

土壓平衡盾構(gòu)機和泥水平衡盾構(gòu)機在穩(wěn)定開挖面、適應(yīng)地質(zhì)條件、抵抗水壓、壓力波動敏感程度、控制地表沉降、渣土處理、施工場地、工程成本等方面都有較大差異，各有其獨特的適應(yīng)性。

3 建立模型

本文采取PLAXIS 3D建立有限元模型。該模型長和高分別為6D與3.4D（D為管片外徑），垂直隧道截面的厚度為1m，截面上覆土厚為10m，地下水位埋深0m，底部設(shè)置的有固定約束，四周有法向位移約束。假設(shè)加固范圍是1個環(huán)形，把加固土層當做襯砌，主要的作用是為了減少因上浮造成的局部變形，從而減少擾動周邊的土體程度，開挖區(qū)是盾尾間隙注漿液外徑以內(nèi)的區(qū)域。

隧道上浮在模擬的過程當中，涉及管片結(jié)構(gòu)作用，土體與漿液的復(fù)雜作用，對該模型進行假設(shè)，把管片上浮作為平面，管片為均值圓環(huán)，滲流耦合的影響不進行考慮，漿液等效為等代層。

數(shù)值模擬如下，建立的淤泥地層模型要與實際工程相符，軟基預(yù)加固處理，在開挖面之外生成加固土，對隧道進行開挖，在內(nèi)部對漿液與管片進行布置，以此來釋放開挖面土體應(yīng)力，模擬開挖引起周圍土體回彈，在管片外表面漿液上浮力均勻地分布，模擬管片脫離被漿液包圍，上覆土體受到管片整體上浮的擠壓。

數(shù)值模擬的關(guān)鍵是要采取合適的計算參數(shù)與本構(gòu)模型，采用線彈性模型作為混凝土襯砌管片結(jié)構(gòu)，采用摩爾—庫倫模型作為漿液與加固土，參數(shù)如下表2所示。

表2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

對軟土層采取小應(yīng)變模型來模擬，該模型能夠反映對軟土層壓縮和剪切模量在小應(yīng)變范圍的變化。本文對周圍土地加固厚度分別取值為0D～0.30D。

4 分析模擬結(jié)果

4.1 加固厚度對抗浮的發(fā)展規(guī)律分析

土體因上浮力作用下的位移計算模型如圖1所示。

圖1 土體上浮力作用下的位移模型

該模型主要考慮隧道超挖引起周圍土體的卸載回彈力q1和漿液浮力對周圍土體的擠壓q2，兩部分作用，引起的土體豎向位移v1與v2分別為：

在上述公式中，F(xiàn)表示漿液上浮力，γ表示土體浮重度，W表示管片自重，α表示管片任意位置dA和隧道圓心連線水平方向的夾角，θ表示管片環(huán)向壓力和豎向軸線的夾角，μ表示土體剪切模量，R表示隧道外半徑，h表示地面與隧道中心的豎直距離，y表示垂直與地面的距離，x表示與隧道軸線水平的距離。

隧道兩側(cè)的土體會隨著加大隧道距離而減少豎向位移，與隧道豎向軸線相距2D處的豎向位移為0，根據(jù)公式（1）與公式（2）對河底土體上浮量進行計算，最大為33.2m。模擬結(jié)果與解析只有2.8mm的相差量，曲線形狀較為一致，由此對計算結(jié)果的準確性進行了驗證。

土體豎向位移經(jīng)過加固處理之后往隧道方向進行收縮，這說明隨著增加加固的厚度，會減少隧道周圍土體豎向擾動范圍。另外，隧道兩側(cè)豎向擾動范圍除了加固厚度為0.30D之前，都要大于沒有加固的情況。這是因為經(jīng)過加固之后，改良后的土密度要比天然的土體大，最終會增大隧道兩側(cè)土體的豎向變形量，但也會對局部的隧道變形風險進行消除。

4.2 合理加固厚度

通過隧道上浮量和等效土層加固厚度t之間能夠看出，隧道上方的土體比下方的土體上浮要嚴重。增加加固的厚度，會減小隧道的上浮量，隧道上浮量在0.30D厚度時只有17.7mm。

通過對管片接頭錯臺量和隧道上浮量進行研究得出，管片接頭偏差≤5mm時，隧道上浮量≥30mm，偏差符合要求。當為0.20D的加固厚度時，上浮量在30mm以內(nèi)，可以避免出現(xiàn)管片接頭錯臺。

5 結(jié)語

數(shù)據(jù)模擬土體位移在沒有對軟土層進行加固時，其和理論推導相符，上浮量兩者之間最大只有2.8mm的偏差。加固改良軟土層之后，能夠讓隧道整體抗浮，在0.10D加固厚度時，相比沒有加固隧道與河底上浮量分別減少了35.3%與31.7%，而且隨著對加固厚度進行增加，地層受擾動區(qū)域和上浮量會逐漸減小。隧道環(huán)向在0.20D以上的加固厚度時，管片計算得到的上浮量≤30mm，河底土體上浮量≤20mm，根據(jù)管片接頭錯臺和隧道上浮量之間的關(guān)系，接頭的偏差≤5mm，能夠滿足要求。