大直径泥水平衡盾构浅覆土始发数值分析

刘 方,高 峰,徐汪豪

(1.重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074； 2.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055；3.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

近年来，为了减小城市噪声、避免路基和桥梁对城市分割的影响，新建高速铁路线路在城市中基本使用隧道方案。其中，盾构法本着环保、掘进速度快、对地层扰动小而在城市隧道大量使用[1]。由于高速铁路隧道断面大，因此在盾构掘进过程中对周围建筑物的影响大于普通地铁隧道。而在盾构始发阶段，覆土浅、地层自稳能力差，地层扰动引起的危害已成为不可忽视的因素。

袁大军[2]等依托南京长江隧道工程，对大直径泥水盾构在淤泥质土中的掘进进行现场测试，研究了泥水盾构掘进过程中对土体的扰动。方勇[3]等使用有限差分模型，建立了考虑施工过程的盾构掘进三维数值模型，并分析了由此产生的地表沉降形式。何川[4]等通过室内模型试验的方式，实现土压平衡盾构掘进过程的室内再现，获得土压平衡盾构掘进对地层影响的一般规律。王俊[5]等使用颗粒流方法，对盾构在砂性地层中掘进产生的地层扰动进行了分析。Fang[6]等人通过室内试验，研究了盾构掘进时产生不同地层损失后的地表沉降规律。另外，通过数值计算的手段，许多学者对盾构掘进及其引起的地表沉降进行了研究[7-14]。在盾构始发方面，魏林春[15]等依托上海长江西路隧道工程，对大直径泥水平衡盾构始发施工风险控制进行了研究。程盼盼[16]等依托北京地铁8号线的端头井加固，对多种加固区范围确定方法进行了计算比较。丁烈云[17]等使用有限差分法模型，对城市地铁隧道的始发进行了数值模拟，并将现场沉降规律同数值模拟进行对比，找出了一定规律。赵宝虎[18]等从数值模拟、受力分析和现场监测的角度，对反力架的功能、作用和拆除技术进行了探讨研究。李东海[19]等以某地铁工程为背景，对盾构直削始发时基坑围护结构在开挖施工过程中的变形进行了研究。

综上，目前研究主要集中于盾构区间掘进施工中产生的土体扰动规律。本文依托新建京张高铁清华园隧道工程，基于有限差分法建立三维盾构施工模型，研究城市复杂环境下大直径泥水平衡盾构浅覆土始发及掘进过程对地层扰动的影响，为今后相关类似工程提供参考依据。

1 依托工程简介

清华园隧道为新建京张高铁重点控制性工程之一，位于北京市海淀区，全长6.02 km，全隧近距离并行地铁13号线，穿越3处地铁、6处重要城市道路及106条重要市政管线，周边建(构)筑物密集。清华园隧道是目前国内位于城市核心区，穿越地层最复杂、重要建(构)筑物最多的高铁单洞双线大直径盾构高风险隧道之一。盾构段内净空断面如图1所示，盾构管片内径11.1 m，外径12.2 m，管片厚55 cm，盾构刀盘开挖直径12.64 m。盾构段采用泥水平衡盾构法施工。

图1 清华园隧道横断面(单位：mm)

清华园隧道3号竖井的始发覆土厚为6.8 m，为浅覆土始发，存在泥水击穿冒顶风险高、压力建仓困难的风险。清华园隧道3号竖井始发区域的地层自地表依次为：粉土、粉质黏土1、卵石土1、粉质黏土2、卵石土2，始发时隧道全断面处于粉质黏土1中。如图2所示。

图2 地质纵剖面(单位：m)

2 数值模拟

使用FLAC3D建立三维有限差分模型，进行盾构掘进施工力学行为的研究。

2.1 模型概况

计算模型如图3所示，考虑圣维南定律，边界尺寸为142 m×120 m×45 m，共计782 110个节点，762 036个单元。土层使用Mohr-Coulomb模型，其中清华园隧道3号竖井始发端头使用高压旋喷桩进行加固，加固区土体参数参考孙星亮[20]、张彦斌[21]等人的研究，基坑结构、隧道管片衬砌、注浆层采用弹性模型，如表1所示。

图3 计算模型(单位：m)

名称重度/(kN·m-3)变形模量/MPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/kPa粉土19.90.590.3525.224.3粉质黏土120.16.560.3018.433.8卵石土119.41500.2345粉质黏土219.87.560.3019.636卵石土221.21500.2845加固区20.110000.230200基坑结构25.031.5×1030.2管片衬砌25.035.5×1030.2注浆层22.0600.2

隧道埋深浅，未见明显构造应力，主要受自重应力场控制，因此使用位移边界。应力场通过三步获得，首先计算无桥墩、不开挖情况下的大地应力场，其次加入北京地铁13号线桥墩，最后开挖基坑，使用最后获得应力场作为计算应力场。

数值模拟中把前方土体模型设置为空单元实现隧道开挖，并在掌子面设置有梯度的面力模拟泥水压力，参考Michael A. Mooney等[22]对泥水平衡的盾构模拟方式，考虑泥水平衡盾构掘进过程中盾构机包裹于泥浆中，并受部分外溢泥水压力的影响，因此使用面力模拟盾构机。在盾构机通过后，更改注浆层的参数及激活管片衬砌单元，实现浆液硬化及管片受力的过程。

2.2 监测点设置

在地表设置监测点，地表沿纵向10 m布置1个监测点，从0～110 m；距洞门纵向10 m处开始，布置横向监测点，自隧道轴线始向左右各间距5 m 1个，左右各3个监测点。见图4。

3 数值结果分析

3.1 不同加固区范围时土体扰动情况

若对洞门后土体不进行加固改良处理，直接进行破除洞门，将会引起洞门处土体坍塌滑移、地下水涌入，导致地表大面积地表下沉，危及地下管线和附近建筑物，从而造成重大安全事故。

通过计算无土体改良时的洞门破除，可了解本工程洞门破除时引起的土体扰动范围，对加固改良区的范围确定提供部分依据。

图5 无加固措施下凿除洞门后的土体位移矢量云图

图5为无加固措施时，洞门凿除后的土体位移矢量云图。从图5可以明显看出，土体呈现向基坑滑移坍塌趋势，洞门处土体向基坑内移动、洞门后方地表向下移动，随着深度的增加，土体移动方向逐渐转向洞门方向，并且洞门后方2～14 m的土体位移达5 cm以上，洞门中心土体达到45 cm。图6表明，无加固措施时，洞门凿除后竖向呈现一个类椭圆大沉降区，范围达32 m(X方向)×22 m(Y方向)，并随沉降区椭圆范围的缩小，变形沉降值逐渐加大，其中变形区中心处竖向沉降值在8 cm以上。图7表明，若无加固措施进行洞门凿除，洞门后土体呈现大范围剪切滑移破坏。

图6 无加固措施下凿除洞门后的地表沉降等值线(单位：cm)

图7 无加固措施下凿除洞门后的土体塑性区

图5、图6、图7表明，当不采取加固措施时，洞门凿除后的大范围土体将产生剪切破坏，并产生较大变形，因此认为此情况下土体已发生滑移坍塌。

对端头井加固区进行加固，加固范围取值如表2所述。其中，横向距离为自隧道轴线起向两侧等距延伸，竖向距离等同横向距离，纵向距离为自地下连续墙掘进方向侧起向外侧延伸。

表2 加固区范围 m

不同加固范围下，洞门凿除后的洞门中心土体的变形情况如图8所示，其中位移值向基坑变形为负值，向外侧变形为正值。

图8 不同加固范围下洞门中心土体的变形情况

从图8可以看出，土体依然向基坑内变形，但同未加固情况下的较大变形(45 cm，图5)相比，变形趋势大为改善。从变形的数值上看，不同横向加固范围下，随着纵向加固距离的增长，变形值下降，但是当加固范围达到6 m以上时，下降趋势较6 m范围内时更为缓慢。另一方面，同一纵向加固长度下、不同横向加固范围时，随着横向加固范围的增长，凿除洞门后土体的变形值更小，但是两者相差不大。

图9为不同加固区范围下凿除洞门后，隧道轴线正上方地表沉降规律。图9表明，洞门端头区域土体经土体改良加固后，地表沉降同图6相比得到明显改善，降至2 mm以下，并且洞门后方地表土体沉降呈现随距洞门的距离增加而下降的趋势。另一方面，随加固区纵向距离的增加，洞门后方近距离处土体的沉降呈现下降趋势，而远离洞门处的土体沉降呈现上升趋势。这是由于加固区改良土的密度较天然土体大，随着加固区纵向长度的增长，加固区下方未加固土体受上方土体重力荷载的增加导致沉降，最终体现为远离洞门处地表沉降的增加。

图9 洞门隧道轴线正上方地表沉降

3.2 始发段掘进时土体扰动情况

清华园隧道3号竖井始发段埋深浅，土层物理力学性能差，因此泥水压力的设定对始发段土体扰动尤为重要。

泥水平衡盾构的泥水压力一般可通过公式(1)确定

p=pw+pe+pp

(1)

式中，p为泥水压力；pw为地下水压；pe为土压；pp为预压。

由于清华园隧道3号竖井始发段埋深浅，同时地下水位较深，因此不考虑水压。预压按照北京地区经验，取值20 kPa。土压力计算按静止土压力计算，土压力系数取0.43。通过式(1)的计算，掌子面顶部压力88 kPa，底部压力为133 kPa。另一方面，泥水盾构始发时，盾构机在一段时间内处于加固区土体范围内，加固区土体经过改良，性质较优。因此，建仓压力较小，按照北京地区经验，取值30 kPa。考虑盾构机长13.5 m，为降低盾构泥水外溢风险，并保障洞门二次密封，基于对加固区的计算分析，取横向加固距离11 m、竖向加固距离11 m、纵向加固距离17 m的模型作为始发掘进土体扰动研究对象。

图10为隧道掘进过程中，隧道轴线正上方地表位移曲线；图11为隧道掘进过程中各横断面沉降槽。

图10 随盾构掘进地表沉降曲线

图11 横断面沉降槽

图10显示当盾构机在加固区内掘进时，地表位移极小，基本不产生土体扰动，地表沉降主要由后期固结沉降导致。当盾构机掘进至加固区外时，地表位移增大，逐渐产生一定的土体扰动。并随盾构机逐渐远离加固区域，土体扰动效应进一步增大，最终土体扰动响应趋于同一水平。

图11从横断面沉降槽的角度再次验证了图8的规律，当盾构机处于加固区内掘进时，产生极小的土体扰动，横向沉降槽不明显。随着盾构机的继续掘进，土体扰动逐渐加大，最终趋向于同一水平。

从图10、图11可以发现，清华园隧道大直径泥水平衡盾构浅覆土掘进过程的土体扰动情况与加固区有关。在加固区内及加固区外一定范围内时，盾构机掘进产生的土体扰动较小；随着盾构机逐渐远离加固区，土体扰动逐渐加大，并趋向于同一水平。

4 结语

以FLAC3D有限差分计算软件为辅助手段，对清华园隧道3号竖井大直径泥水平衡盾构浅覆土始发产生的土体扰动进行研究，得出以下结论。

清华园隧道天然土体下凿除洞门后将产生较大变形，存在滑移坍塌风险，因此需对竖井端头区域土体进行土体加固改良。当加固区纵向长度达到一定值后，洞门凿除后的土体稳定性得到明显改善，再增加纵向加固区长度对洞门凿除后的土体稳定性的贡献不明显。

基于对浅覆土始发掘进时地表沉降规律的研究，认为清华园隧道大直径泥水平衡盾构浅覆土始发掘进过程的土体扰动情况和盾构机同加固区之间的距离有关。加固区内外一定范围内，土体性质较好，盾构机掘进产生扰动较小；当盾构机远离加固区，土体性质回归至天然土体，掘进产生较大土体扰动。