大直径土压平衡盾构始发与到达端头加固研究

2013-06-24江玉生

都市快轨交通 2013年1期

江玉生江华，2

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京 100083;2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京 100083)

始发与到达是盾构法的主要施工工序之一，也是盾构施工中最容易发生事故的环节。随着盾构直径不断增大及地层和环境条件越来越复杂，始发与到达施工过程中的塌方、透水等工程事故有不断增多的趋势，且多数事故与端头加固模型使用不当及纵向加固范围不够有关。目前，国内外基于盾构始发与到达端头土体纵向加固范围的研究较多，主要基于强度理论推导端头土体的纵向加固范围，20世纪90年代，日本JET GROUT协会(JJGA)利用弹性薄板理论，将端头土体受到的水土合压力简化为均布荷载(见图1)，研究了加固土体的应力分布规律，获得了纵向加固范围计算公式。随后，荷载简化模型被杨林德、张弥、张庆贺老师等引入中国，并得到了广泛的应用，但是既有模型是基于直径为6 m或更小直径的盾构隧道提出的，是否适用于大直径盾构工程不得而知［1-7］。为了反映端头土体的真实力学特征，江玉生、江华等在既有模型的基础上提出了改进的端头加固理论计算模型，给出了端头土体纵向加固范围，求解过程中(视为弹性范围内)将端头土体所受的梯形荷载等效为均布荷载和三角形反对称荷载的叠加［8-9］，如图2所示。

图1 梯形荷载简化示意

图2 梯形荷载等效示意

本文研究基于荷载简化模型(简称既有模型)和改进的梯形荷载等效模型(改进模型)得出，对不同地层端头土体的纵向加固范围进行计算及尺寸效应分析;然后从强度、稳定性及渗透性要求对北京地铁14号线15标东风桥北路—将台路(以下简称“东—将”)区间大直径土压平衡盾构始发与到达端头加固设计范围进行验算和评价，为将来类似地层大直径盾构始发与到达端头加固研究提供参考，具有重要的理论意义与工程价值。

1 端头加固尺寸效应分析

目前，我国常见的市政、电力隧道直径为3 m，地铁隧道直径为6 m，随着盾构技术的发展，相继出现了直径分别为8、10和15 m的盾构隧道，更大尺寸的盾构正在研究中。参数选取时，假设埋深为15 m，加固土体的无侧限抗压强度为1.0 MPa，选取粉质黏土、粉土、砂土、砂卵石4种地层，利用既有模型和改进模型分别对直径为3、6、8、10、15 m以及20 m的6种盾构进行端头加固计算。地层参数如表1所示。

表1 不同地层物理力学参数

对4种地层条件的纵向加固范围进行计算和对比分析，得到一些规律。

1)当盾构直径小于等于10 m时，两种模型纵向加固长度较为接近，均随直径缓慢增加;当直径超过10m后，改进模型纵向加固长度随直径增加的速率明显大于既有模型，图3所示为黏土地层纵向加固长度随着盾构直径变化的情况，其他土层变化规律基本一致，此处不再赘述。

2)当盾构直径小于等于10 m时，两种模型纵向加固长度的差值和误差随盾构直径增加的速率较小;当盾构直径大于10 m后，两种模型纵向加固长度的差值及误差较大，且随盾构直径增加的速率较大，直径越大，速率越大，如图4和图5所示。

北京地铁14号线采用单洞双线的模式，在北京地下隧道修建过程中首次引入了外径为10.22 m的土压平衡式盾构，相比既有开挖直径为6.25～6.28 m的盾构，在尺寸上有了较大的变化。然而，从小盾构到大盾构，并不单纯意味着直径增加，尺寸的变化可能会引发应力、位移等相关参数的尺寸效应问题，既有小尺寸盾构的盾构理论计算方法可能无法适应大直径盾构的要求，盲目使用可能会引发严重的工程事故，造成无法估量的经济损失和不良的社会影响。基于新旧两种模型对端头加固范围的统计计算可知，直径10 m是一个明显的分界线，可将直径小于10 m的盾构称为“小盾构”;直径大于10 m的盾构称为“大盾构”，显然“大盾构”在端头加固设计时，应采用改进的理论模型更为合理和安全。北京地铁14号线15标“东—将”区间隧道开挖所采用的盾构显然处于“大直径盾构”的范畴。

图3 黏土地层纵向加固范围随盾构直径变化

图4 不同地层纵向加固范围差值曲线

图5 不同地层纵向加固范围误差曲线

2 “东—将”区间大盾构端头加固方案

2.1 工程概况

北京地铁14号线15标“东—将”区间，盾构从东风北桥站始发，至将台站接收，全长约1293.88 m。东风北桥始发端头隧道埋深约10.0 m，端头处隧道开挖断面范围内主要为粉土和粉质黏土，隧道顶板及底板区域分布有一层粉细砂;将台路站到达端头隧道埋深约15.8 m，隧道开挖范围内主要为粉土和粉质黏土，隧道中部区域分布有一层粉细砂;始发与到达端头地下水位均位于隧道顶板以上。

2.2 端头加固范围

盾构始发与到达端头土体采用注浆等辅助措施进行端头土体加固，为确保始发与到达端头的安全，加固后端头土体应有良好的均匀性和自立性，其无侧限抗压强度为1.0 ～1.2 MPa，渗透系数小于 10－5cm/s。始发端头加固范围是:纵向8.5 m，横向为洞口上下左右各3.0 m;到达端头加固范围是:纵向13.0 m，横向为洞口上下左右各3.0 m，详细的端头加固方案如图6所示。

3 端头加固范围的可行性分析

3.1 端头加固范围的强度分析

由尺寸效应分析结果可知，北京地铁14号线“东—将”区间采用的盾构为“大盾构”，应采用改进的强度理论模型进行端头加固范围的计算。假设端头土体加固的无侧限抗压强度为1.0 MPa，由计算结果可知，东风北桥站始发端头纵向加固长度为7.1 m，将台站接收端头纵向加固范围为8.0 m，结果表明，端头加固纵向设计范围均能满足强度的要求。

图6 盾构始发与到达端头加固平面图

3.2 端头加固范围的稳定性分析

盾构始发与到达施工时，破除洞门围护结构掌子面土体完全暴露后，端头土体在地面超载、隧道上覆土体和侧向水土压力的共同作用下，可能沿着某个滑移面从开挖面向盾构工作井内滑动，发生滑移失稳破坏。东风北桥站和将台路站始发与到达端头地层土体主要为粉质黏土，因此基于黏土的滑移失稳理论假定滑动面以O顶点为圆心，洞径D为半径的圆弧面，如图7所示。假设抗滑力矩完全由土体黏聚力提供，则由土体的平衡条件可知KM=Md，则

图7 黏土的滑动模型

式中，M为滑动力矩，kN·m;Md为抗滑力矩，kN·m;Δc为改良后土体增加的黏聚力，kN;K为抗滑安全系数，θ为加固土体与滑移面的夹角。

由图3的几何条件可知，满足稳定性要求的纵向加固范围为

假设加固土体的抗滑安全系数为1.3，将始发与到达端头地层的计算参数代入上述(1)(2)两式，求得满足稳定性要求的始发端头土体纵向加固范围为6.4 m，到达端头土体的纵向范围为7.8 m，结果表明始发与到达端头土体纵向设计范围均能满足稳定性要求。

3.3 端头加固范围的渗透性分析

当地层中地下水丰富且压力较大时，端头加固范围不仅要满足强度与稳定性的基本要求，根据土压平衡盾构的构造特征，还必须满足堵水(渗透性)的要求。特别对于端头地层有水有砂有压力的情况，当端头纵向加固范围过短时，地层中地下水和砂可能沿着盾壳与地层之间的缝隙进入盾构工作井(见图8)，造成涌水涌砂、地表沉降过大、塌方等工程事故。考虑到盾构始发与到达施工的安全，端头土体的纵向加固长度应大于盾构主机的长度，且当地层压力较大时，在保证端头加固效果的前提下，合理的端头土体的纵向加固范围应如图9所示，为

式中，B为管片的宽度，m。

图8 过短的纵向加固范围

图9 合理的纵向加固范围

北京地铁14号线15标“东—将”区间选用的土压平衡盾构主机长约为11.5 m，由2.1节的工程概况可知，始发与到达端头地层中均存在砂层，且隧道顶板以上分布有承压水，端头地层为有水有砂有压力的情况，对盾构始发与到达特别不利。由2.2节始发与到达端头纵向加固范围的设计方案可知，始发端头纵向加固范围为8.5 m，虽然同时满足了强度与稳定性的要求，但是无法满足渗透性的要求，容易出现涌水、涌砂导致淹井的情况，严重时可能发生端头加固失效，端头塌陷等工程事故;到达端头纵向加固范围为13 m，满足了纵向加固范围大于主机长度的要求，但安全储备不够，当端头加固效果不理想，地层压力加大时，仍有可能出现事故。因此，为了确保盾构始发与到达安全，降低风险，需修改端头加固设计方案，加大纵向加固范围，使其满足强度、稳定性及渗透性要求。