无含水层盾构始发区加固土体稳定性的有限元模拟——以苏州地铁某工程为例

胡俊，杨平，曾晖,2，谢大伟



无含水层盾构始发区加固土体稳定性的有限元模拟——以苏州地铁某工程为例

胡俊1，杨平1，曾晖1,2，谢大伟3

（1. 南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037；2. 五邑大学 土木建筑学院，广东 江门 529020；3. 上海铁路局 南京桥工段，江苏 南京 210015）

盾构始发端头土体加固时，如何保证加固土体的稳定性是需要解决的关键问题. 结合苏州地铁某车站西端头盾构始发工程（无含水层），运用通用有限元分析软件在封门拆除这种最不利的工况下对该工程始发掘进进行了模拟分析. 由数值模拟知，当纵向加固长度为3 m时，沿盾构隧道掘进方向土体向工作井内移动，最大位移发生在暴露掌子面的中心处，达12.92 mm，封门上方地表土体变形最大，沉降约为3.0 mm，强加固区范围内土体受力均在设计强度范围之内，计算出安全系数分别为2.05、1.47和1.30；在无含水层的盾构始发端头，纵向加固长度为3 m时就可以在强度上满足要求，且安全系数有富余.

盾构始发；苏州地铁；加固土体稳定性；有限元分析；无含水层

盾构始发是指盾构机从组装调试到完全进入区间隧道并完成试掘进为止的施工过程. 盾构始发是盾构隧道施工中的事故多发阶段，存在着较大的施工风险，选择合理的端头土体加固方式是需要解决的关键问题[1]. 盾构始发端头土体加固不仅有强度要求，还有抗渗透性要求[2]，如何对盾构始发区加固土体的稳定性进行评价，保证加固土体的强度和安全性，进而确定土体加固的范围，是盾构隧道施工中的关键环节. 本文运用通用有限元分析软件，结合苏州地铁某车站西端头盾构始发工程（无含水层）实例，在封门拆除这种最不利的工况下对该工程始发掘进进行了模拟分析.

1 端头土体加固方式

盾构始发之前要对端头洞口地层的稳定性进行评价，如果进洞地层在破除洞门后稳定性不足，就必须对其进行加固. 常用加固方式可分为化学加固方式和物理加固方式，端头土体常用的加固方法有高压旋喷法、水泥土深层搅拌法、素SMW 工法、人工冻结技术、降水法和注浆法等.

土体加固可以采用一种或者多种工法相结合的加固手段[3-4]. 在软土地区，常用的加固方式有水泥土深层搅拌桩+高压旋喷桩、素SMW工法桩（三轴搅拌桩）+高压旋喷桩等. 如果地面环境不允许以上工法施工时，采用人工冻结技术可以达到很好的加固效果. 在砂层地区常用的加固方式有素SMW工法桩（三轴搅拌桩）+高压旋喷桩+深井降水、高压旋喷桩+深井降水等. 在遇到全断面岩石地层时，无需进行加固. 由于岩石地层多有裂隙发育，为封堵裂隙水，可采用分层注浆的加固方式[5].

2 工程背景

苏州地铁某车站西端头盾构隧道顶板、底板均位于⑤软-流塑粉质粘土层，即隧道只穿越⑤软-流塑粉质粘土层. 根据从苏州地铁施工处取土后所做的土工试验[6-7]，该车站西端头土体部分物理力学参数列于表1.

根据工程类比及相关经验，拟采用的加固方式：用φ850mm＠600mm三轴深层搅拌桩进行端头加固施工，搅拌桩与车站围护连接部位相切并在接缝处采用单排φ800mm@600mm的双重高压旋喷桩进行接缝处理，三轴搅拌加固均采用满堂套打加固的方法进行. 拟选加固范围：始发端长3 m和盾构外径外侧、底、顶部3.0 m范围内为强加固区，隧道顶部以上3.0 m至地面为弱加固区.

表1 西端头各土层主要物理力学参数

3 三维有限元数值模拟

3.1 计算模型和参数选取

数值模拟计算中作如下假定：

1）假定地表面和各土层均呈匀质水平层状分布；

2）模型荷载考虑重力荷载，不考虑地面超载情况.

考虑到现场问题的对称性，为了提高计算效率，本模型取一半模拟. 几何模型尺寸：垂直距离为4+，纵向长度为5+，宽度方向为5. 其中，指盾构纵向直径，6.34 m；为隧道中心埋深，11.7 m；纵向长度×横向宽度×垂直距离=43.4 m×31.7 m×37.06 m. 采用齐次边界条件，隧道纵向前后两个截面土体沿盾构推进方向的位移被约束，左右截面土体垂直于盾构推进方向的位移被约束，模型的上部边界取为自由面，下部边界取为固定边界. 模型选取八节点六面体映像网格划分格式，用莫尔-库仑材料模拟各土层，不考虑剪切膨胀效应. 地层由上至下共分8层，各层土体的计算参数取用如表1所示，根据工程经验与查阅相关资料[8]，加固后土体的计算参数取用如表2所示.

表2 加固土体参数

3.2 模拟方法

利用通用有限元软件对加固土体进行位移场、应力场分布情况的数值分析，并根据计算结果进行强度验算. 本数值计算考虑盾构始发最不利的情况，即洞口封门全部破碎，完全由加固土体承受其后土体压力. 若在此情况下加固土体满足强度要求，则实际情况下的强度即可得到保证.

4 数值计算结果与分析

4.1 位移场

图1为拆除封门之后地层的纵向（轴）、横向（轴）和竖向（轴）的位移云图. 从图1可以看出：封门拆除之后，土体在纵向（轴）向工作井内移动，最大位移发生在暴露掌子面的中心处，达到12.92mm. 从形状上看，强加固区土体的变形趋于板块受压变形. 地层的横向（轴）位移在暴露的掌子面处，并且在开挖面斜下角9 m范围内有较大变形，影响范围也较广，该位置处的土体在轴方向上有滑移错动.轴方向的位移影响范围比较广，掌子面对应的地表最大沉降值约为3.0 mm，地表沉降的影响半径达到20 m左右. 掌子面下端土体有上浮，最大上浮量为1.1 mm.

图1 拆除封门之后地层的位移云图

4.2 应力场

图2 拆除封门之后加固土体的拉（压）应力云图

图3 拆除封门之后加固土体的剪应力云图

表3 拆除封门之后加固区应力计算结果统计表

4.3 地表位移

图4为隧道横向、纵向不同位置纵剖面地面沉降曲线，可以看出：在封门拆除之后，加固土体正上方的地面发生沉降位移，形状为漏斗型，封门上方地表土体变形最大，沉降约为3.0 mm.

图4 拆除封门之后隧道不同位置纵剖面地面沉降曲线

由数值模拟结果可知，从位移场和应力场出发，在无含水层的盾构始发端头，纵向加固长度为3 m时就可以在强度和变形上满足要求，且安全系数有富余. 但是，当盾构始发端头有富含水层（特别是含水砂层）时，受止水性要求的控制，此种情况盾构始发时的纵向加固长度应为盾构主机长度加上1.5～2.0 m的止水厚度.

5 结语

本实例工程盾构始发端头采用三轴深层搅拌桩+高压旋喷桩的加固方式，加固范围取为始发端长3 m和盾构外径外侧、底、顶部3.0 m范围内为强加固区，隧道顶部以上3.0 m至地面为弱加固区. 在实际施工过程中正如数值模拟结果一样，形成了良好的始发端加固区，封门拆除后，端头地层自立性和稳定性较好，确保了盾构顺利完成始发.

实践证明，在无含水层的盾构始发端头采用三轴深层搅拌桩+高压旋喷桩的加固方式时，能够形成自立性和稳定性较好的加固区. 采用上述加固范围时，加固区能够起到很好的稳定地层作用；该加固工法能够保证无含水层盾构始发时的安全性和经济性.

[1]胡俊，杨平，董朝文，等. 盾构始发端头化学加固范围及加固工艺研究[J]. 铁道建筑，2010, 15(2): 47-51.

[2]胡俊，杨平，董朝文，等. 苏州地铁一号线盾构隧道端头加固方式现场调查研究[J]. 铁道建筑，2010, 15(11): 32-35.

[3]HU Jun, YANG Ping, DONG Zhaowen, et al. Study on numerical simulation of cup-shaped horizontal freezing reinforcement project near shield launching[C]//International Workshop on Architecture, Civil and Environmental Engineering, 2011: 5522-5525.

[4]ZENG Hui, HU Jun, YANG Ping. A numerical simulation study on the chemical reinforcement area at shield start shaft[C]//International Workshop on Architecture, Civil and Environmental Engineering, 2011: 29-34.

[5]曾晖，杨平，胡俊. 特殊地层下盾构始发端头加固技术实例研究[J]. 铁道建筑，2011, 16(2): 79-81.

[6]胡俊，邵光辉，朱春峰. 海相粘土室内侧限压缩试验研究[J]. 路基工程，2008, 25(6): 160-162.

[7]胡俊，光辉，朱春峰，等. 海相软土三轴流变试验研究[J]. 西华大学学报：自然科学版，2008, 27(3): 89-91.

[8]岳戈，陈权，王丽娟，等. ADINA应用基础与实例详解[M]. 北京：人民交通出版社，2008: 211-224.

A Finite-element Numerical Simulation Study of the Reinforced Soil Stability ofAquifer-free Shield Starting Zone

HUJun1, YANGPing1, ZENGHui1,2, XIEDa-wei3

(1. College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2. School of Civil Engineering and Architecture, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;3. Nanjing Section of Shanghai Railway Bureau, Nanjing 210015, China)

Shield starting is an accident-frequent phase in the construction of shield tunnel and ensuring the stability of reinforced soil in this phase is a key and urgent problem. In this paper, first, frequently-adopted methods for reinforcing the soil at the shield tunnel ends were summarized, then by combining the case of shield launching project (aquifer-free) of one station’s west end in Suzhou Subway, a numerical simulation program was applied to conduct simulation analysis of reinforced areas at shield starting shafts under the most unfavorable construction condition—with the sealed door removed. According to numerical simulations, when the longitudinal reinforcement length reaches 3 m, the soil shall move towards the working well in the tunneling direction of the shield tunnel, and the maximum displacement occurs in the center of exposed tunnel face, up to 12.92 m. Surface soil above the sealed door becomes deformed most, settling by approximately 3.0 m and soil within the strong reinforcement area is stressed within designed strength range, and the safety factor is 2.05, 1.47 and 1.30 respectively. At the shield starting shaft which is aquifer-free, if the longitudinal reinforcement length reaches 3 m, requirements in both strength and deformation can be met.

shield launching; Suzhou Subway; stability of reinforced soil; finite element analysis; aquifer-free

1006-7302（2012）01-0031-06

TU432；U455

A

2011-10-14

苏州市科技局苏州轨道交通专项课题（zxj0802）

胡俊（1983—），男，四川乐山人，在读博士生，主要研究方向为环境岩土与地下工程.