大埋深高水压地层盾构端头加固技术数值模拟研究

肖 钢，雷 波，占永杰

(1.中铁五局集团电务城通工程有限责任公司，湖南 长沙 410205；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

随着国家西部大开发战略的深入，地下轨道交通、引水隧洞得以迅猛发展，新建隧洞的埋深也越来越大。盾构接收是盾构施工中最重要的环节之一[1-3]，常用的盾构接收端地层加固方法有降水法、注浆法、深层搅拌桩法、SMW法、高压旋喷桩法、冻结法等[4-5]。针对不同的水文地质情况、覆土厚度、盾构机直径、盾构机型、施工环境等因素采取相应的加固措施，可以有效降低盾构接收发生事故的风险。然而，在大埋深、高水压地层中，破除盾构洞门后直接削弱了围岩稳定性，易形成地下水渗流通道，导致涌泥涌砂、洞门坍塌等事故[6-7]。因此，研究大埋深高水压地层盾构端头加固技术具有重要的工程意义。

国内外学者针对盾构接收技术已经开展了诸多相关研究。Yang等[8]认为在高水压地层盾构接收成功与否很大程度取决于土体加固效果，为此提出了一种基于低温冻结原理的密封工艺，当液压压力大于0.15 MPa时，冻结装置具有良好的密封能力。戴志仁和张心旷[9]分析了不同地层加固措施的应用效果，指出高压旋喷桩搭接处是加固薄弱区域，容易形成渗流通道，导致盾构接收过程中涌水涌砂。黄合理和王立波[10]指出在大粒径砂卵石地层中，盾构接收端隧道上方可采用大管棚预加固，并结合高压注浆，高压注浆压力控制在3 MPa。刘健鹏等[11]依托无锡地铁胜利门站—三阳广场站盾构接收工程，提出在无地面加固条件的情况下，可采用水平冻结+管棚注浆加固方式，实测数据说明该工艺合理可行，但究竟是冻结法加固效果占主导地位还是管棚注浆法尚未可知。王文灿[12]根据天津某标段工程地质条件，分析了冻结法和水平注浆的组合加固技术，采用“杯状”冻结，距盾构接收井地连墙3 m全断面冻结加固，施工质量满足验收要求。耿传政[13]提出在成都卵石和泥岩复合地层中，合理的大管棚设计可以有效控制盾构接收对地层的扰动，大管棚最大注浆压力不大于0.5 MPa，有效增强了盾构接收端土体的稳定性。龚振宇等[14]针对洞门埋深26 m的盾构接收工程，按照理论计算和经验类比确定了加固范围，并设计了接收端降水方案，确保了盾构的安全接收。综上所述，目前大多盾构接收工程洞门埋深20 m～30 m，针对大埋深高水压地层盾构接收技术研究较少。

为此，以滇中引水龙泉倒虹吸隧洞接收为工程背景，针对滇中引水龙泉倒虹吸隧洞盾构接收涌水涌砂风险高等问题，使用MIDAS GTS建立三维渗流-应力耦合模型，分析盾构接收过程中接收井地连墙、洞门周边土体、地表沉降和地下水渗流情况，评估地下水渗流作用下大管棚注浆法与冻结法土体加固效果，可为今后同类大埋深盾构接收工程施工起到一定的借鉴作用。

1 工程概况和场地条件

1.1 工程概况

龙泉倒虹吸上接龙泉隧洞，下连昆呈隧洞，倒虹吸线路沿沣源路布设，隧洞长5 009.693 m，隧洞顶埋深20 m～75 m。基坑围护结构采用1.5 m厚地下连续墙，接收井主体结构圆形结构，标准段为R=7.5 m，部分开孔加厚段为R=6.5 m，接收井盾构洞门埋深72.3 m，结构采用“明挖逆作+局部顺作”结合施工。

1.2 工程地质和水文地质条件

接收井基坑开挖深度范围内涉及的地层主要为③-10素填土、①-6粉质黏土、①-7黏土、①-5粉土、①-4泥炭质土等，盾构洞门区域内分布有软土，软土天然含水率较大，渗透性弱，抗剪强度很低，属于灵敏度较高土层，易产生流土、流砂现象，受扰动后强度将大幅降低。主要物理力学指标如表1所示，接收井墙身地层及剖面图如图1所示。

图1 接收井墙身地层及剖面示意图

本区地下水主要为上层滞水及岩溶裂隙水类型，地下水埋藏深浅不一，其动态特征主要接受大气降水、地表水下渗补给，以蒸发方式向下游低洼处进行排泄，接收井场地稳定地下水位埋深4.5 m～5.5 m。根据《建筑基坑支护技术规程》[15](JGJ 120—2012)附录E.0.3，群井按大井简化承压水-潜水非完整井的基坑降水总涌水量公式计算，经计算得：Q=1 462.5 m3/d，通过含水层地段施工需采取相应的止水及防水措施。

表1 土层物理力学性质

2 有限元模型建立

2.1 计算模型

采用MIDAS GTS有限元软件依据工程实际情况对盾构接收施工建立渗流-应力耦合数值计算模型，分析盾构接收过程中管棚注浆法与冻结法加固效果。综合考虑基坑施工和盾构接收对周边影响范围，为减小模型边界效应影响，计算范围取3倍～5倍开挖洞径，取模型范围为长150 m，宽150 m，深度120 m，整个模型尺寸采用混合网格，如图2所示。

图2 模型网格图

模型底部边界采用全约束，四周侧立面采用法向约束，一般认为隧道经过长期渗流后达到稳定状态，由于衬砌渗透性低且相对厚度较小，假设衬砌内渗流方向以径向为主，且衬砌内边界处于等水头状态，所以在稳定期做渗流模拟时，隧道衬砌处的水头边界条件可以输入一个常数。深埋隧道渗流模拟时，模型顶部、侧部、底部均设置节点水头的边界条件，选择“总水头”类型更便捷。数值计算中，在每环掌子面设定节点压力水头为0 kPa，以模拟盾构接收过程中地下水的渗流情况。考虑到实际盾构施工拼装管片、维修所花时间，每个施工时序设置渗流时间步骤为1.0 h，每0.5 h记录一次结果。

2.2 计算参数及工况

土体采用修正Mohr-Coulomb本构模型的三维实体单元进行模拟。修正摩尔-库仑模型也叫HS模型。它与M-C本构模型最大的区别也是最大的优势在于该模型描述了应力增量随应变不断变小的土体硬化现象。计算中，土层基本物理力学参数根据勘察成果按表1选取，其他结构材料力学参数按表2选取。

大管棚是隧道进洞与塌方处治中常用的超前支护措施，通过在隧洞开挖轮廓线上方打入一圈大刚度钢管，并进行注浆加固，形成在隧洞顶部的棚状支护[16-18]。本次盾构接收中拟采用大管棚加固盾构洞门附近土体，由于管棚打入后还需注浆加固，所以在模拟中将管棚等代成1 m厚的等代体，通过修改属性功能将原来的土体参数更改为管棚的结构参数，如图3所示。冻结法加固中30 d后“杯底”冻结帷幕平均温度下降到-20℃[19-20]，盾构接收井洞门处采用全断面冻结加固，“杯底”冻结帷幕半径发展至4.5 m，冻结管长度为6 m。冻结法施工在盾构接近接收井前便开始冷冻接收区域，因此，取冻结30 d后形成半径为4.5 m冻结帷幕，冻结纵向长度为6 m，通过修改属性的边界条件将原来的土体参数转化为冻结土的参数。软件计算步骤完全模拟实际施工流程，包括：土体开挖—施加掌子面压力—拼装管片—同步注浆—土体开挖，当盾构靠近洞门时，使用钝化功能模拟接收洞门破除，进而实现盾构接收的全过程模拟。

表2 其他结构材料力学参数

图3 局部加固示意图

3 结果分析

3.1 地连墙变形分析

图4和图5分别给出了大管棚加固和冻结法加固后盾构接收前6环至隧洞贯通的地连墙水平变形云图。由图中GCS坐标可以看出，本次所指水平位移是Y轴方向，即盾构掘进方向。由于盾构机掘进时，盾构机前方的土体受到挤压并切削，在盾构接收洞门处受到土体对地连墙一个沿盾构掘进方向的推力，导致地连墙洞门处产生向Y轴正方向的变形。由于地连墙的厚度为1.5 m，加上局部内衬墙的厚度一共是2.5 m，可视为一个刚性体，所以地连墙顶部产生向Y轴负方向的变形。在整个盾构接收过程中，地连墙的中间部分水平变形较小，而地连墙的底部和顶部是变形较大，大管棚加固后地连墙顶部变形最大为1.03 mm，底部变形最大为1.89 mm，冻结加固后地连墙顶部变形最大为0.66 mm，底部变形最大为0.93 mm，采用冻结法加固方案后接收井地连墙水平位移量相比于大管棚加固减少57.8%。基坑地连墙的变形允许值为开挖深度的1.8‰，即77.3 m×1.8‰=139.1 mm。虽然在模型计算时为了避免基坑开挖和昆呈隧洞施工对盾构接收计算结果的影响，在昆呈隧洞开挖后进行过位移清零，但本次盾构接收地连墙最大水平位移小于2 mm，远小于规范允许值[15]，地连墙的水平位移满足规范要求。

图4 大管棚加固地连墙水平位移

提取盾构洞门顶部、底部、左部、右部各一个节点的水平位移随着盾构掌子面接近龙泉倒虹吸接收井的变化情况，如图6所示。由图6(a)可知大管棚加固后随着盾构机不断逼近龙泉倒虹吸接收井地连墙，地连墙盾构洞门的水平位移不断增大，并且在盾构贯通前两环时达到最大，其中洞门底部的变形最大，为1.83 mm，洞门顶部、洞门左部和洞门右部最大变形分别为1.45 mm、1.71 mm和1.73 mm。由图6(b)可知冻结法加固后地连墙盾构洞门的水平位移随着盾构接近地连墙逐渐增大，盾构接收前达到最值，并且洞门顶部、底部、左部、右部的变形都相同。分析认为，冻结法接收将洞门处半径4.5 m处插入冻结管，该区域已经形成一个冻结体，而洞门的半径仅3.1 m，当受到盾构向前的推力时，洞门顶部、底部、左部、右部整体受力，其变形也是接近相等的。隧洞洞门顶部、底部、左部和右部最大水平变形分别为0.62 mm、0.61 mm、0.61 mm、0.62 mm，在盾构隧洞贯通时，地连墙的水平变形会反向，变形介于0.51 mm～0.80 mm。当隧洞完全贯通时，地连墙的水平变形减小至0.2 mm～0.4 mm之间。本次冻结法盾构接收地连墙水平最大位移为0.93 mm，位移相比于大管棚加固减少57.8%，其对限制基坑地连墙水平位移的加固效果优于大管棚加固。

图5 冻结法加固地连墙水平位移

图6 各施工阶段接收井洞门水平位移

3.2 土体位移分析

图7和图8分别给出了大管棚和冻结加固后掌子面距离接收井8环、4环和接收完成后土体竖向位移云图。由云图可知大管棚和冻结加固后盾构接收过程中隧洞周围的土体最大沉降分别为11.7 mm、9.54 mm，沉降峰值位于隧洞轴线。盾构接收过程中对既有的昆呈隧洞影响较小，可以忽略不计。沿隧道轴线上下30 m以内范围内地层几乎不发生沉降或者隆起变形，从而也证明了模型边界选择的合理性。

图7 大管棚加固后盾构接收土体竖向变形云图

由图7(c)中可以看出，盾构进入大管棚加固区域后，由于大管棚的存在，很好的限制了盾构出洞时周围土体的竖向变形，在盾构向地连墙推进过程中，大管棚与其中注入的浆体很好的与周围土体结合，使隧洞周围土体的弹性模量提高，周围土体抵抗变形的能力增强，从而保证了盾构的安全接收。类似的，冻结管的冷冻作用使洞门前方半径4.5 m处土体形成全断面冻结体，由图8(c)可以看出当盾构进入冻结加固区时土体竖向变形显著降低。

图8 冻结加固后盾构接收土体竖向变形云图

分别提取大管棚和冻结加固后盾构贯通时，龙泉倒虹吸接收井地连墙前方垂直与盾构隧洞轴线的地表沉降情况，分别距离地连墙0 m、35 m、90 m，提取的地表沉降结果如图9所示。本次盾构接收埋深高达72.3 m，盾构掘进和盾构接收对于地表沉降的影响较小，由图9(a)可以看出大管棚加固后距离接收井0 m处最大的地表沉降仅2.51 mm，而距离地连墙35 m、90 m最大地表沉降分别为4.16 mm和4.95 mm，，由图9(b)可以看出距离接收井0 m处最大的地表沉降仅1.07 mm，而距离地连墙35 m、90 m最大地表沉降分别为2.31 mm和2.95 mm，冻结加固后最大地表沉降相比于大管棚加固减少了40.4%，最大沉降值远小于规范要求的30 mm。从图9还可以看出，最大地表沉降总是发生在盾构隧洞轴线上方(其中负号代表着沉降)最小沉降发生在模型边界处，呈现盾构施工的地表沉降槽。

图9 距离地连墙0 m、35 m、90 m地表沉降

3.3 地下水渗流分析

地下水在土层中发生的渗流是指地下水在水头差或者压力差的作用下透过土体的孔隙而发生流动的现象。图10和图11分别给出了大管棚和冻结加固后盾构接收时渗流0.5 h和1.0 h的瞬态渗流孔压场云图。当隧道开挖面设置为完全自由透水面后，隧道周围地层中的地下水开始由隧道开挖面向已开挖区域内发生渗流，远处边界地层仍保持为静水压力。由于隧洞埋深较深，无论是大管棚加固还是冻结加固，盾构开挖地层孔压均高达440 kPa～640 kPa，渗流0.5 h与渗流1.0 h的孔压云图结果变化较小，地下水孔压场形成了一个包围开挖面的低压力区，在孔压等值面上表现为漏斗状凸起区，远离开挖面的孔压等值面分布较为均匀。

由于距离盾构开挖面较远处土体几乎不发生渗流，仅展示盾构接收前开挖面周围土体地下水渗流路径。由图12可以看出当盾构驶入大管棚加固区域时，隧洞的顶部的渗流速度明显下降，说明大管棚的施作对盾构管片拱顶的保护效果是明显的，但是周围土体最大渗流速度达到了2.30×10-3m/s～2.56×10-3m/s，在盾构即将接收时，地下水渗流速度达到最大值，为2.56×10-3m/s。由图13可以看出当盾构驶入冻结法加固区域时，隧洞周围土体的渗流速度明显下降，说明冻结法加固对盾构接收的保护效果是明显的，刚刚进入冻结法加固区域时地下水的渗流速度由2.50×10-3m/s降低至2.85×10-7m/s，而后随着盾构机深入冻结法加固区域，地下水的渗流速度在即将接收时降低至3.87×10-10m/s，相比于未加固区域渗流速度减小7个数量级。从图中可以看出部分地下水不再向掌子面渗流，而是向盾构开挖区域上方渗流，原因在于，冻结区限制地下水流动能力强，孔压场的梯度变化较小，盾构接收区域地下水渗流速度较慢。

图10 大管棚加固后瞬态渗流孔压场分布云图

图11 冻结加固后瞬态渗流孔压场分布云图

图12 大管棚加固法盾构接收瞬态渗流流径图

图13 冻结加固法盾构接收瞬态渗流流径图

综上所述，在盾构接收过程中应该着重注意地下水的流动。每个施工步序监测渗流情况1.0 h，每0.5 h记录一次结果，渗流0.5 h与渗流1.0 h的渗流速度差异较小。总而言之，冻结法加固对盾构接收的保护有明显作用，相比于大管棚加固，冻结法在限制地下水流动、抗涌泥涌砂能力更强。

4 结 论

滇中引水龙泉倒虹吸隧洞盾构接收端埋深达72.3 m，盾构接收过程发生土体坍塌、涌水涌砂事故风险高，本研究通过MIDAS GTS有限元软件建立渗流-应力耦合数值计算模型，分析了大管棚注浆与冻结法土体加固效果，得到如下结论：

(1) 盾构接收过程中大管棚加固后地连墙顶部和底部最大变形为1.03 mm、1.89 mm，冻结加固后地连墙顶部和底部最大变形为0.66 mm、0.93 mm，冻结加固对限制基坑地连墙水平位移的能力优于大管棚加固。

(2) 盾构接收过程中，大管棚注浆加固后洞门顶部、底部、左部和右部最大变形分别为1.45 mm、1.83 mm、1.71 mm、1.73 mm，冻结加固后隧洞洞门顶部、底部、左部、右部最大水平变形分别为0.62 mm、0.61 mm、0.61 mm、0.62 mm，洞门最大水平变形相比于大管棚加固减少57.8%。

(3) 盾构接收过程中大管棚和冻结加固后盾构接收过程中隧洞周围的土体最大沉降分别为11.7 mm、9.54 mm，盾构驶入地层加固区域时对土体变形控制效果显著。盾构接收对于地表沉降的影响较小，大管棚加固后最大地表沉降为4.95 mm，冻结加固后最大地表沉降为2.95 mm，相比于大管棚加固减少了40.4%。

(4) 盾构开挖地层孔压均高达440 kPa～640 kPa，渗流0.5 h与渗流1.0 h的孔压云图结果变化较小。盾构掘进至大管棚注浆加固区后地下水最大渗流速度为2.56×10-3m/s，与盾构未加固区段相比无明显变化；盾构掘进至冻结加固区后地下水的渗流速度由2.50×10-3m/s降低至3.87×10-10m/s，冻结法抗涌泥涌砂能力优于大管棚加固法。