Π形地下连续墙盾构进出洞施工技术研究

胡　俊，卫　宏，刘　勇，赵联桢

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海口 570228；2.新加坡国立大学 土木与环境工程系，新加坡 肯特岗 117576)



Π形地下连续墙盾构进出洞施工技术研究

胡俊1，2，卫宏1*，刘勇2，赵联桢1

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海口 570228；2.新加坡国立大学 土木与环境工程系，新加坡 肯特岗 117576)

如何选择合理的盾构进出洞施工方法是目前需要解决的关键技术问题。对Π形地下连续墙盾构进出洞施工方法作一简单介绍，运用有限元软件建立数值模型对不同工况下盾构始发进行数值分析，主要得出：易挖除性、临时性与经济性是该方法优于其它工法的主要特点；数值模拟中工况2、3和4下Π形地连墙的较大压应力主要集中在②、③号地连墙靠近洞门内侧，较大拉应力主要集中在②、③号地连墙靠近洞门外侧，随着盾构开挖推进其范围在扩大；Π形地下连续墙在整个开挖过程中基本不发生位移；工况2、3和4下地表路径1最大沉降量分别约为1.37、2.56、6.51 mm，地表路径2最大沉降量分别约为1.00、1.83、4.94 mm。所得结果可为今后类似工程设计提供技术参考依据。

Π形地下连续墙；盾构进出洞；盾构始发；数值模拟

0　引　言

盾构进出洞是盾构隧道施工中的关键环节，具有很大的工程施工风险。在盾构进出洞时，一般采用的施工方法是先完成盾构井主体结构，再对盾构隧道端头土体进行改良加固，然后凿除洞门处钢筋混凝土围护结构，进而完成盾构机始发或到达。其中，洞门破除要求的时间非常紧，施工难度大。洞门破除后对加固体强度及密封性要求很高，加固效果不佳时，在洞门破除时极易出现盾构与洞门间隙涌泥涌砂及地表沉降现象，进而危及附近地下管线和建筑物的安全[1-8]。为防止此类现象发生，以满足强度和抗渗性的要求，如何选择合理的盾构隧道端头加固处理方案，或者是选择合理的盾构进出洞施工方法，是目前需要解决的关键技术问题。

本文研究是一种Π形地下连续墙盾构进出洞施工的新方法[9]。先对该方法作一简单介绍，再运用有限元软件建立数值模型对不同工况下盾构始发进行数值分析，重点研究不同工况下端头地层以及Π形地下连续墙的应力场和位移场，论证该方法施工的可行性，为今后类似工程设计提供技术参考依据。

1　新方法简介

1.1概况

Π形地下连续墙盾构进出洞施工方法第一步为完成盾构隧道端头井Π形地下连续墙结构施工，Π形地下连续墙由①、②、③共三幅直线壁板式地连墙组成，如图1所示。

图1　Π形地下连续墙盾构进出洞施工示意图Fig.1 Illustration of shield break-in/out in a Π-shaped diaphragm wall

在盾构掘进通过Π形地连墙槽壁的洞门部位(①号墙)采用玻璃纤维筋替代地连墙在该部位的钢筋；垂直于洞门部位的地连墙(②、③号墙)中钢筋笼可以用玻璃纤维筋笼、竹筋笼代替，甚至直接为素混凝土墙，两墙间距约大于盾构开挖直径。①号墙长度为一幅地连墙的长度，约6 m；②、③号墙长度最短为6 m，最长为盾构主机长度+(2～3)B的止水厚度，其中B为管片宽度。①、②、③三幅直线壁板式地连墙埋深与基坑围护结构埋深相同。第二步为盾构机直接切削洞门完成始发或到达。

1.2优点

由于玻璃纤维的特点，在盾构井基坑开挖阶段能满足基坑安全需要，在盾构掘进阶段，无需在围护结构外侧加固土体，直接用盾构机切削洞门槽壁通过洞门，可减少凿除洞门过程中因洞门暴露而造成坍塌事故的发生，既安全又节省工期。本工法中地连墙中的钢筋可以用其它类似材料代替(如玻璃纤维筋GFRP、竹筋)，其它类似材料代替钢筋后，应该既满足盾构井围护结构的功能要求，又满足盾构机直接切削洞门的要求。

本工法适用于在岩层或复合地层中的盾构进出洞施工，其原因是玻璃纤维筋地连墙能够被配置滚刀为主的土压平衡盾构机切削，配置刮刀为主的盾构机难以破除玻璃纤维筋混凝土，泥水平衡盾构机需小心控制玻璃纤维筋混凝土的大杂块堵塞管路。

本工法用玻璃纤维筋或竹筋代替了钢筋，极大地降低了工程成本，主要应用在地质条件较好的盾构进出洞工程中，易挖除性、临时性与经济性是该方法优于其它加固方式的主要特点，使之适用于TBM、盾构等机械化施工而不会损坏刀具，能够广泛应用在盾构始发与到达施工中。

1.3施工工艺

本工法施工工艺流程为：测量放线→导墙制作→泥浆制备及调整→地连墙成槽和清底置换→ GFRP 筋笼和竹筋笼的制作和吊放→水下混凝土灌注→接头施工→接头管的顶拔→全段施工完成，如图2所示。

2　三维有限元数值模型的建立

2.1计算模型和参数选取

本数值模型几何尺寸为：纵向长度(Z轴)40 m，垂直深度(Y轴)50 m，横向长度(X轴)50 m。盾构隧道中心埋深为地表以下21 m，开挖直径取为7 m；地连墙厚度取为1 m；②、③号地连墙纵向轴线间距9 m，长度取最短长度6 m。模型几何尺寸如图3所示。

图2　Π形地下连续墙盾构进出洞施工工艺流程图Fig.2 Flow chat of shield break-in/out in a Π-shaped diaphragm wall

图3　数值模型几何尺寸示意图Fig.3 Geometric size and mesh size

边界条件为：纵向(Z轴)前后边界面盾构掘进方向位移被约束，横向(X轴)左右边界面垂直于盾构掘进方向位移被约束，深度方向(Y轴)上边界为自由面，下边界为固定边界。不考虑地面超载情况，只考虑土体自重。土体材料选取沿海地区常见的海相粘土，采用修正剑桥本构模型，参数见表1。Π形地下连续墙采用线弹性模型，参数取值为弹性模量2.0×104MPa、泊松比0.20、密度2.5 g/cm3[10-15]。

表1　海相粘土修正剑桥模型参数

2.2模拟方法

根据盾构始发时的实际过程，本次数值模拟分为4个工况进行计算。工况1：初始地应力场模拟；工况2：盾构直接切削地连墙洞门，地连墙后暴露土体表面施加200 kPa应力模拟盾构掌子面推力；工况3：盾构向土体中掘进2 m，此时暴露出来的土体表面施加200 kPa应力模拟盾构机的支承作用；工况4：盾构再向土体中掘进4 m，暴露出来的土体表面同样施加200 kPa应力[16-20]。

3　数值计算结果与分析

3.1工况1

在该模型参数取值和自重作用下产生的应力场为初始应力场，该工况下深度方向(Y轴)应力云图如图4所示，可知初始应力场最大压应力为1.132MPa。

图4　工况1深度方向(Y轴)应力云图Fig.4 Streee contour along depth direction

3.2工况2

3.2.1Π形地下连续墙

工况2下Π形地下连续墙基本不发生位移，图5为工况2下Π形地连墙最大主应力和最小主应力云图，最大主应力云图可以看出Π形地连墙工况2下所受最大压应力为1.157 MPa，压应力随着深度的加深越来越大；最小主应力云图可以看出Π形地连墙工况2下所受最大拉应力为0.331 MPa，最大拉应力集中在开挖洞门左右两侧，此时②、③号地连墙受力特点相当于悬臂板受力。最大拉、压应力值均在设计强度范围之内，且有较多富余。

(a)最大主应力云图

(b)最小主应力云图

3.2.2墙后土体

图6为工况2下洞门处暴露土体的纵向(Z轴)位移图，可以看出暴露掌子面最大位移为64.5 mm，位于暴露掌子面的中心附近。

图6　工况2下洞门处暴露土体的纵向(Z轴)位移图Fig.6 Displacement countour in the break-out point of in the Π-shaped diaphragm wall(stage 2)

图7为地表路径1和路径2的沉降曲线，地表路径1位于洞门正上方，从地连墙后一直到墙后39 m，地表路径2为②、③号地连墙末端间距连线，距①号地连墙6 m。可以看出：工况2下地表路径1最大沉降量约为1.37 mm，在距离①号地连墙约12 m处；地表路径2最大沉降量约为1 mm，位于②、③号地连墙中间。

(a)地表路径1

(b)地表路径2

3.3工况3

图8为工况3下Π形地连墙最大主应力和最小主应力云图，可以看出：工况3下所受最大压应力值为1.545 MPa，较大压应力主要集中在②、③号地连墙靠近洞门内侧(如图8(a)圈出部分所示)；工况3下所受最大拉应力值为0.722 MPa，较大拉应力集中在②、③号地连墙靠近洞门外侧(如图8(b)圈出部分所示)。同样，最大拉、压应力值均在设计强度范围之内，且有较多富余。

由图7可知：工况3下地表路径1最大沉降量约为2.56 mm，在距离①号地连墙约13 m处；地表路径2最大沉降量约为1.83 mm，位于②、③号地连墙中间。

3.4工况4

图9为工况4下Π形地连墙最大主应力和最小主应力云图。由图9可知：工况4下最大压应力值为2.803 MPa，主要集中在②、③号地连墙靠近洞门内侧(如图9(a)圈出部分)，且较工况3范围扩大；工况4下最大拉应力值为1.853 MPa，集中在②、③号地连墙靠近洞门外侧(如图9(b)圈出部分)，较工况3范围也在扩大。同样，最大拉、压应力值均在设计强度范围之内，且有较多富余。

由图7可知：工况4下地表路径1最大沉降量约为6.51 mm，在距离①号地连墙约13 m处；地表路径2最大沉降量约为4.94 mm，位于②、③号地连墙中间。

(a)最大主应力云图

(b)最小主应力云图

(a)最大主应力云图

(b)最小主应力云图

4　结束语

本文对Π形地下连续墙盾构进出洞施工方法作一简单介绍，运用有限元软件建立数值模型对不同工况下盾构始发进行数值分析，主要得出：

(1)Π形地下连续墙盾构进出洞施工方法的优点：无需人工凿除洞门，节省大量工期；围护结构外侧土体无需进行加固，降低工程造价；围护结构直接在盾构机进出洞阶段发挥挡土、止水作用，进出洞安全得到很大保证。

(2)工况2、3和4下Π形地连墙的最大压应力值分别为1.157、1.545、2.803 MPa，最大拉应力值分别为0.331、0.722、1.853 MPa；较大压应力主要集中在②、③号地连墙靠近洞门内侧，较大拉应力主要集中在②、③号地连墙靠近洞门外侧，随着盾构开挖推进其范围在扩大；总体上最大拉、压应力值均在设计强度范围之内，且有较多富余。

(3)Π形地下连续墙在整个开挖过程中基本不发生位移；工况2、3和4下地表路径1最大沉降量分别约为1.37、2.56、6.51 mm，都位于距离①号地连墙约12～13 m处；地表路径2最大沉降量分别约为1.00、1.83、4.94 mm，位于②、③号地连墙中间。

从数值模拟情况可以看出，在盾构始发掘进过程中，地连墙受力在设计强度范围之内，地表位移也很小，Π形地下连续墙盾构进出洞施工方法是可行的。

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Break-in and Break-out Technique of Tunnel Shieldin Π-shaped Diaphragm Wall

Hu Jun1，2，Wei Hong1*，Liu Yong2，Zhao Lianzhen1

(1.College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou，Hainan 570228，China；2.Department of Civil & Environmental Engineering，National University of Singapore，Kentridge 117576，Singapore)

It is the key technical issue that how to choose the right construction method for break-in and break-out shield tunnel.The construction method of Π-shaped diaphragm wall was briefly introduced during break-in and break-out of shield.Finite element software was used to establish numerical model under different conditions of originating tunneling shield for numerical analysis.The main findings were concluded that the construction technique studied has superior advantages(e.g.easy excavation，temporary and economy)over other techniques.The results from numerical simulation showed that the compressive stress was relatively large and mainly focused the inner side of the break-out point of ② and ③ Π-shaped wall in the simulation stages 2，3 and 4，while the tension stress was relatively large around the outer side of the break-out point of ② and ③ Π-shaped wall.No obvious displacement was observed with the technique of using a Π-shaped diaphragm wall during break-in and break-out of shield.In stages 2，3 and 4，the maximum settlement along path 1 were approximately 1.37mm，2.56mm and 6.51mm，respectively，and the maximum settlement along path 2 were approximately 1.00 mm，1.83mm and 4.94mm，respectively.The results of this study can provide technical reference value for future similar projects.

Π-shaped diaphragm wall；shield break-in/out；shield initiation；numerical simulation

2016-03-20

国家自然科学基金项目(51368017)；海南省科技项目(ZDXM2015117)；海南省重点研发计划科技合作方向项目(ZDYF2016226)；中国博士后科学基金资助项目(2015M580559)；海南省教育厅高等学校科研项目(Hnky2016ZD-7；Hnky2015-10)

胡俊，博士，副教授。研究方向：隧道及地下工程。

卫宏，博士，教授。研究方向：岩土工程。

E-mail：wennhong@163.com

胡俊，卫宏，刘勇，等.Π形地下连续墙盾构进出洞施工技术研究[J].森林工程，2016，32(5)：87-91.

U 455.43；S 773

A

1001-005X(2016)05-0087-05