电力盾构隧道端头加固范围计算及始发模拟

裴书锋，李倩倩，郭 朝，黄明利

(1.河南省交通科学技术研究院有限公司，郑州 450006;2.西安理工大学岩土所，西安 710048;3.北京交通大学土建学院，北京 100044)

0 引言

随着城市经济发展的需要，各种市政管线建设方兴未艾。盾构法由于具有地层适应性强、机械化程度高、对周围环境影响小、施工精度高和耐久性强等优势，在市政管线建设中得到了广泛应用。北京地区采用盾构法先后修建了亮马河北路、坝河、清河及凉水河污水截流管线工程，同时也在电力、上水和热力管道中逐渐得到应用。

盾构法相比其他工法虽然具有较大的优势，但是盾构的始发和到达容易发生事故，特别是在有水地层，易引起渗流破坏，地表下沉严重导致始发失败，主要原因通常是洞门端头土体加固范围不足［1］。为了保证北京市昌平区顺于路西延电力隧道始发和到达安全，采用已有理论模型计算端头加固范围。通过理论计算结果与设计加固范围的对比，考虑安全性，并且当设计范围小于理论值时进行数值模拟验证。

1 工程概况

北京市昌平区顺于路西延电力隧道穿越温榆河段，为保证河道安全，采用盾构法施工。隧道覆土厚度6.4～13.5 m。电力隧道采用C50、P10钢筋混凝土管片，内径3.0 m，管片厚250 mm，环宽1.0 m。盾构始发井平面净空尺寸为6.0 m×30.0 m，井深约19.55 m;接收井平面净空尺寸为5.0 m×10.5 m，井深约15.5 m。

该段地层为厚度不大人工堆积的杂填土、素填土，人工堆积层以下为新近沉积土层、一般第四纪冲洪积成因的黏性土、砂土交互沉积层，颗粒较细，成层性较好。存在2层地下潜水，第1层潜水在始发端附近埋深0.2～2.5 m，在到达端附近埋深4.2～4.6 m;第2层潜水在始发端埋深14.0～15.5 m，到达端13.5～14.0 m。

2 端头加固范围理论计算

2.1 理论模型

2.1.1 纵向加固长度

在计算端头纵向加固长度方面依据的主要理论有弹性薄板理论和滑移失稳理论。弹性薄板理论和滑移失稳理论分别满足强度和稳定性要求。弹性薄板有圆形和矩形2种，其中圆形薄板模型在端头加固范围计算中应用较为普遍，具体又可分为均布荷载计算模型和均布荷载加反三角对称荷载2种处理方法，其中当隧道直径小于10 m时，2种计算方法结果差别不大［2-3］，本文采用前者，均布荷载模型如图1所示。

图1 均布荷载计算模型Fig.1 Uniform load calculation model

1)按照均布荷载模型计算得到的强度验算公式和最小纵向加固长度

式中:D为工作井洞门直径;t为纵向加固范围;p为作用于洞门中心处的侧向水土压力，对于砂性土，水压力和土压力分别计算，对于黏性土，采用水土合算，土压力按静止土压力考虑;μ为加固土体的泊松比;σt为加固土体的极限抗拉强度，一般可取极限抗压强度的10%，即σt=qu/10;τc为加固土体的极限抗剪强度，根据经验取值，τc=qu/6;k1，k2为安全系数，一般取1.5。

2)日本JET GROUT协会(JJGA)规范采用的纵向加固长度

式中:安全系数K0取1.5～2.0，计算系数β取1.2，其他符号意义同前。

在黏土地层中的理想整体滑移理论认为加固土体在地面超载p和上部土体共同作用下可能沿某滑动面向洞内整体滑动，假定滑动面下部是以端墙洞门外顶点为圆心、洞门直径为半径的圆弧面［4-5］，整体滑移模型如图2所示。

图2 黏土理想化滑移模型Fig.2 Idealized sliding model of clay

3)采用理想整体滑移失稳理论求得的端头纵向加固长度

式中:M为滑动力矩;Md为抗滑力矩;Δc为改良后土体增加的黏聚力;K为抗滑安全系数;θ为加固土体与滑移面的夹角;γt为隧道范围内土体重度。

2.1.2 横向加固范围

端头加固的横向加固范围主要是考虑破除洞门和围护结构后对洞周土体的扰动范围，理论依据是土体扰动的极限平衡理论。横向加固范围要大于扰动范围(塑性圈)才能保证横向稳定［6］。土体扰动下的塑性圈和横向加固范围如图3所示。

式中k为加固安全系数。

图3 塑性圈与横向加固范围Fig. Plasticized ring and transverse reinforcement scope

2.1.3 渗透性和盾构几何特征要求

在盾构有水始发和到达时，将理论计算的纵向加固长度与盾构主机长度加上1.5～2 m做比较，取大者作为纵向加固长度［7］。同时根据盾构本身尺寸要求，最小的横向加固范围见表1。

表1 横向加固范围最小厚度Table 1 Minimum thickness of transverse reinforcement scope m

2.2 盾构始发端和到达端土层参数

始发端隧道埋深为14.1 m，到达端隧道埋深为11.85 m。始发端和到达端地表到隧道底各层土层参数如表2和表3所示。

2.3 理论计算范围

2.3.1 纵向加固长度

考虑以往工程实例的加固经验，加固区土体无侧限抗压强度不低于1.0 MPa，所以加固土体容许抗剪强度可取0.17 MPa，容许抗弯拉强度取0.1 MPa。由于黏土层的隔水作用，不考虑第1层潜水在隧道洞门处产生的侧压力，在始发端第2层潜水，比隧道底高2.15 m，且下部为中砂层，在始发端考虑第2层潜水产生的侧向水压力。按照不同理论模型计算得到的始发端和到达端纵向加固长度如表4所示。

表2 始发端端头土体参数Table 2 Parameters of end soil of shield launching

表3 到达端端头土体参数Table 3 Parameters of end soil of shield arrival

表4 始发端和到达端纵向加固长度理论计算值Table 4 Theoretical calculation values of longitudinal reinforcement length of shield launching and shield arrival m

考虑土体渗透性要求，始发端按有水始发考虑，盾构主机身长3 m，始发端加固长度宜取4.5 m。到达端地层以粉土和黏土为主，渗透性较小，到达端加固长度宜取3 m。

2.3.2 横向加固范围

隧道开挖后，围岩形成一个塑性松动圈，土体松动圈半径［6］

式中:σm为土体边界应力，取隧道中心处土体垂直应力。

始发端和到达端围岩松动圈半径、隧道上下侧加固范围和左右侧加固范围理论计算结果见表5。

表5 始发端和到达端横向加固范围Table 5 Transverse reinforcement scope of shield launching and shield arrival m

考虑盾构机身几何尺寸要求，本工程隧道左右侧加固厚度取1.5 m，隧道上部加固范围取2.0 m，下部加固范围取1.0 m。考虑到始发端有砂层，下部加固范围可增大为1.5 m。

3 设计加固范围始发模拟

土体采用莫尔-库伦本构模型，加固体参数参照已有工程实例取值。为了模拟计算方便，在纵向加固范围内未加固土体按均质土体计算，土体参数为各层土的加权平均值。模拟计算各层土体参数见表6。土体网格划分见图4。管片、盾构以及注浆层视为弹性体，参数如表7所示。

表6 模拟计算各层土体参数Table 6 Soil parameters for simulation

图4 各层土体网格划分Fig.4 Gridding of soil layers

表7 管片、盾构及注浆层参数Table 7 Parameters of segments，shield machine and grouting layer

模型尺寸长度方向上取10D，隧道左右两侧各取5D，隧道下侧取4D，上侧取到地表。4个侧面边界约束水平位移，上部边界取自由面，下部边界取固定边界，整个模型允许有竖向位移。

模拟危险工况如下:

1)洞门打开，隧道范围内加固土体暴露，盾构刀盘未顶上加固土体之前，此时隧道掌子面没有支撑力，本过程采取解除洞门约束实现。

2)盾构刀盘顶上加固土体，此时土体会有较大变形。掘进过程同时施加盾壳支护，掌子面施加土仓压力0.1 MPa。

3)盾尾脱出加固区，因盾构下部支撑刚度发生变化，可能会引起盾构向下倾斜，发生“磕头”现象。本步掘进9 m，除施加土仓压力和3 m盾壳支护外，施加6环管片及6 m注浆层。

3.1 打开洞门

打开洞门时土体竖向位移和纵向位移剖分图如图5所示。加固区第一主应力和最大剪应力分别见图6和图7。

图5 土体位移剖分云图(单位:m)Fig.5 Subdivision cloud of soil displacement(m)

从图5可见，打开洞门时，地表最大沉降为2.4 mm，洞门处最大纵向位移3.2 mm，土体变形较小，应力释放的影响范围不大，土体变形没有出现整体滑移趋势。

从图6可见，由于隧道埋深较大，加固体受到的侧向土压力较大，加固体上部范围仍旧存在一定程度的拉应力，不过范围较小，整个加固体多数区域仍处于受压状态，拉应力最大值为0.046 MPa，小于假定的设计抗弯拉强度0.1 MPa。最大剪应力出现在XY方向拱腰部位，为 0.11 MPa，小于假定设计抗剪强度0.17 MPa。

3.2 盾构到达加固体端部

盾构到达加固体端部时土体竖向位移和纵向位移剖分图见图8。

当盾构到达加固体端部时，拱顶沉降最大值为3.4 mm，地表沉降最大值2.8 mm，仰拱部位最大隆起6 mm，掌子面最大纵向位移为2.7 mm，各项模拟值都小于设计容许值。但在从加固土体过渡到原状土体时，应尽量减少对土体扰动。

3.3 盾尾离开加固区

盾尾离开加固区时土体竖向位移剖分图见图9。

从图9可见，盾构刀盘和盾尾处土体竖直位移相差约4 mm，向下的倾斜率4/4 000=0.1%，倾斜角度较小，盾构不会出现明显的“磕头”现象，始发总体安全。

当盾尾离开加固区时，盾构已逐渐进入到了正常掘进状态，拱顶沉降和仰拱隆起较大值均集中在加固体及加固体向原状土体过渡范围，原状土体段拱顶沉降与仰拱隆起量均较小，这也证明了盾构始发是施工过程中危险的工况。

4 结论与讨论

1)按照理论公式和工程实践经验，计算了顺于路电力隧道始发端和到达端理论加固范围，始发端纵向加固长度取4.5 m，横向加固范围分别为隧道左右侧1.5 m，上部为2.0 m，下部为1.5 m;到达端纵向加固长度取3 m，横向加固范围为隧道左右侧1.5 m，上部为2.0 m，下部为1.0 m。

2)对加固设计范围进行始发安全性分析，打开洞门时，地表沉降和土体纵向位移最大值分别为2.4 mm和3.2 mm，总体较小。加固体最大拉应力和最大剪应力分别为0.046 MPa和0.11 MPa，分别小于假定抗弯拉强度0.1 MPa和抗剪强度0.17 MPa。盾构掘进到加固体端部时，拱顶沉降最大为3.2 mm，仰拱隆起最大为6.0 mm，地表沉降最大为2.8 mm，掌子面最大纵向位移为2.7 mm，分别小于相应容许值。盾构从加固区进入正常区段时，应尽量减少对土体的扰动。当盾尾离开加固体时，盾构刀盘和盾尾处土体竖直位移相差约4 mm，向下倾斜率为0.1%，盾构不会出现明显的磕头现象。盾构始发较为安全。

3)隧道覆跨比较大(约为4)，没有出现整体滑移趋势，所以滑移理论只适用于覆跨比较小的隧道。

4)对盾构始发过程进行较为真实的模拟，有利于节约纵向加固长度，具有较大经济意义。

5)端头加固范围随埋深和土质应该有一定的变化规律，在这方面应该进行进一步研究。

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