软土地层大直径盾构出洞段加固土体的数值分析

刘丰军 ,闫兆强 ,廖少明

(1.河南科技大学建筑工程学院,河南洛阳 471003;2.郑州大学 土木工程学院,河南郑州 450000;3.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092)

0 前言

盾构出洞是指在盾构机组装完成后,放置在符合设计轴线的基座上,将盾构机贯入出洞口进入地层沿所定线路向前推进,直至盾构机完全进入隧道,拆除洞口负环管片、反力架等辅助设施的一系列作业。盾构推出预留工作井时,必须凿除或拆除封门,随后刀盘切入土体,盾构机逐步进入待开挖土体。当井壁封门拆除后,如封门后土体不能自立,这时井内洞圈的密封装置还不能阻挡洞外的土体,极易产生大量土体涌入工作井,造成洞口周围大面积地表下沉,危及地下管线及附近建筑物;如在地下水位下出洞而不采取措施,井外泥水还将不断从洞圈与盾构或隧道之间的间隙涌入井内,导致工作井受淹。因此,对盾构出洞段土体进行加固,保证盾构出洞时土体的稳定性,是盾构工法施工中必须解决的问题,尤其是大直径盾构出洞时该问题更为突出[1-4]。

当前常用的土体加固技术有注浆法、冻结法、降水法、高压旋喷桩、深层搅拌桩或SMW工法,以及一些不太常用的工法如双重钢板桩法、开挖回填法等。具体工程中,选择何种土体加固技术,需要结合场地情况、技术条件、工期、加固效果等要求进行对比筛选[2-5]。

本文结合某软土地层中的大直径盾构出洞段土体的加固方案,采用数值分析的方法研究采用不同加固技术时的土体稳定性,为施工时土体加固技术的选择提供参考。

1 工程概况

某长江隧道设计为双管盾构隧道,隧道总长度约 3 800m,其中盾构段长度约为 2 992m,选用两台泥水加压盾构同向掘进,盾构机直径约 14.93m。该隧道使用泥水平衡盾构推进,开洞直径为 14.9 m,东线隧道工作井出洞中心标高-6.258 m,西线隧道工作井出洞中心标高-6.235 m,地面设计标高+7.50 m,设计覆土厚度6.3m。

1.1 工程地质

根据钻孔柱状图资料,盾构出洞口处土层有:2层填土、粘土,4层淤泥质粉质粘土,6层淤泥质粉质粘土夹粉土,7-2层粉土,土质不均,其渗透性一般较差。始发段各土层的参数如表1所示。

表1 各层土体的物理力学参数

1.2 土体加固方案

根据地质情况盾构出洞的土体加固有多种方案可以选择,备选方案包括:冻结法、搅拌桩、搅拌桩SMW工法,土体加固范围如图1图3所示。加固后的土体物理力学参数依据试验结果如表2所示。

表2 加固土体参数

2 数值分析方法

本数值计算采用的软件为大型通用有限元计算程序MSC.MARC,该软件是功能齐全的高级非线性有限元分析程序,提供有适合岩土分析的多种线性和非线性复杂材料特性的材料模型。

2.1 土体本构模型

在盾构进出洞施工三维有限元模拟过程中,土体的本构模型选择弹塑性模型是可行的。本分析选取的弹塑性模型为:Drucker-Prager模型。屈服准则采用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则[6]。

2.2 三维实体建模

(2)计算区域与边界。根据有关文献,本模型的计算区域为:沿x轴(垂直推进方向的水平向)对称地取为5D(74.5 m);下部区域取为4D+H(74.5 m);沿z轴(盾构推进方向)长度取为5D+H(95 m)。其中:D为隧道开挖直径;H为以隧道中心为基准的隧道埋深[7-9]。

至于边界条件,对于真三维问题,每一节点具有 3个单独的自由度;针对上述计算范围的确定情况,认为沿隧道纵向前后两个断面土体在水平方向位移被限制,但可以发生垂直位移;模型左右对称,故取一半分析,对称面上沿横断面的水平位移被约束;另一侧面所有水平位移被约束。

模型底部 3个自由度完全被约束,上部边界为临空面,为自由变化的平面,无自由度约束。

在试算时,不考虑土体加固条件下,从地层变形来看,沿z轴(盾构推进方向)方向长度方向上的5D+H显得稍小,在实际计算时,进一步加大至185m。

2.3 计算工况

根据经验,盾构出洞过程中比较危险的工况有两个:(1)封门打开,加固土体完全暴露,且盾构机头未靠上之前。(2)盾构机机尾脱出连续墙或加固区,因盾构机下部支撑刚度发生变化以及盾构机中心的移动,可能会引起局部下陷或盾构机倾斜。

本研究主要针对第一个工况进行,数值模拟分两个荷载步进行:(1)土体在重力作用下产生的初始应力场。(2)模拟最危险的施工步,即拆除封门之后,开挖面土体完全暴露,计算土体在初始应力场作用下的变形及受力,在该荷载步下,删除洞门处土体的垂直约束。对 SMW工法加固方案,则补充计算钢桩拔出工况。

3 数值计算结果分析

3.1 不同加固方案下地表沉降比较

根据数值计算结果,各加固方案条件下地表沉降如图4、图5所示。

由图4可以看出:沿盾构推进方向,由于各种方案的加固范围和形式都有较大差别,所以沿该方向的地表沉降差别较大。其中,沉降较小的为冻结法,其次为搅拌桩和搅拌桩 SMW工法。沿该方向,在土体加固和未加固的交界处,由于土体性质的突变,有较大的沉降差异,这于计算是采用连续介质模型有关,可以不予考虑。

由图5可以看出:沿推进的垂直方向,各种加固方案的加固范围和形式差别不大,地表沉降的趋势和数值均相差不大。由于该方向加固范围较小,沉降较纵向稍大。

3.2 不同加固方案下洞门处土体水平位移比较

各加固方案条件下洞口处土体水平位移如图6所示。由图6可以看出:洞门打开后,洞门处土体有一定的水平位移,但数值均不大,加固措施发挥了较好的作用。另外,SMW工法在拔桩后,位移有显著变化,以旋喷桩+SMW工法为最。在施工工程中应特别注意此情况的出现。

3.3 不同加固方案下加固土体应力比较

根据计算,各加固方案条件下,其关键控制应力如表3所示。洞门处土体在封门打开和 SMW工法拔桩后的弯曲正应力如图7所示。

从表3和图7可以看出:加固土体的弯曲抗拉应力和剪应力均小于加固土体的弯曲抗拉强度和抗剪强度,满足工程需要。

SMW工法在未拔桩时对洞门处土体的弯曲正应力影响较大,拔桩后和其它方案的变化较为一致。

表3 各加固方案的控制应力 kPa

4 结束语

(1)本文的分析表明:在软土地层中的大直径盾构出洞时采用冻结法、搅拌桩、搅拌桩SMW工法加固地层是可行的。施工时,可以结合工期、施工技术、周围环境等条件选取使用的地层加固方法。

(2)数值分析方法虽然有一点的局限性,但对加固结果的分析可以给出其变化趋势和相对的结果比较,可以为方案比选提供依据。

致谢:感谢上海隧道工程股份有限公司李向红博士对本文的支持和帮助。

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