盾构始发端头纵向土体加固范围的分析

2014-12-16席培胜齐天龙

安徽建筑大学学报 2014年1期

李博，席培胜，齐天龙，严峻

（安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230022）

0 引言

盾构始发是指利用反力架和临时组装的负环管片等设备，将处于始发基座上拼装调试完成的盾构推入已加固的端头土体中，开始沿着预先设计的线路进行掘进的一系列过程。盾构始发是盾构施工中最容易发生事故的工序之一，存在着较大的风险［1］。盾构始发端头土体加固的不确定性又是事故频发的主要原因。现阶段国内外已建和在建的隧道盾构始发端头土体纵向加固的范围大多是根据工程经验确定的，没有形成统一的关于纵向土体加固范围方面的理论，为了保证盾构始发的安全性和经济性，如何确定盾构始发段土体的加固范围成了盾构施工中亟待解决的问题之一。

1 盾构始发端头加固的目的和常用的方法

1．1 盾构始发端头土体加固的目的

洞门破除后，端头土层的受力平衡被打破，土体的自稳定性差，可能会发生潜在的滑移破坏，因此对端头土体的加固非常有必要。端头土体加固的目的主要有；

（1）确保土体加固后满足强度的要求；

（2）确保土体加固后满足稳定性的要求，包括盾构掘进过程中的土体的稳定性和在施工外荷载的作用下土体的稳定性；

（3）确保土体加固后满足土体变形的要求；

（4）确保土体加固后满足渗水性的要求；

1．2 常用的方法

盾构始发洞门破除后，端头土体暴露，其受力平衡被打破，土体的结构应力、渗透性等都要发生改变，暴露的端头土体自稳定性差易发生事故，威胁到盾构隧道施工的安全，因此要对一定范围的土体进行加固，提高土体的强度、降低其渗透性。目前国内常用的端头加固土体的方法主要有深层搅拌法、高压旋喷法、冻结法、降水稳定地层法、SMW工法等。

2 盾构始发端头加固范围的计算方法

目前国内外关于如何确定盾构始发端头纵向土体加固范围的计算理论和相关文献比较少，有关盾构始发段加固土体的计算理论还不完善，一般情况下，还是采用相近工程类比的方法确定。现阶段针对盾构始发纵向土体加固范围的确定主要采用的设计理论有:板块强度理论、静力理论。

2．1 板块强度理论

假定加固土体为整体板块，根据日本JET GROT协会（JJGA）规范［2］中所采用的计算公式，盾构端头纵向土体的加固长度h应为:

式中，P为封门中心处的水土压力合力；D为封门直径；δt:为加固土体的极限抗拉强度；K0为安全系数，一般取1．5～2．0；β为计算系数，取1．2。

2．2 静力理论

在盾构端头土体加固研究中，根据静力理论，将加固土体简化为弹性薄板，看作小挠度问题进行分析，且这样计算的结果对于实际是厚板的端头加固土体的强度和刚度的要求也是满足，是在偏于安全的范围之内，不会出现工程问题。

以单圆为例，基于基尔霍夫假设，将已有模型简化为四周自由支撑厚度为t的弹性薄板，如图1所示。按弹性力学原理，求得在外侧水土压力的作用下，弹性薄板中心的最大弯曲应力，强度验算公式［3］:

图1 简化的力学模型

式中:D为工作井封门直径；t为盾构端头纵向加固长度；P为作用在封门中心处的侧向水土压力；对于砂性土采用水土分算，对于粘性土采用水土合算，土压力按静止土压力考虑；μ为加固土体的泊松比；δt为土体加固后的极限抗拉强度，据工程经验取其极限抗压强度值的10%，即KK:安全系数，一般取1．5。

根据薄板的边界条件，满足抗拉要求的端头土体的纵向加固范围［4］为:

按弹性力学原理求得圆板支座处最大剪力的公式［3］:

式中:τc为加固后土体的极限抗剪强度，根据经验τc＝qu／6。

K为安全系数，一般取1．5。

由式（5）可以求得满足抗剪要求的纵向加固范围为:

因此，根据静力学理论强度准则，加固同时满足抗拉和抗剪强度要求时的纵向土体加固范围为:

以上两种方法都有一定的局限性，主要有以下问题有待解决:

1）在板块强度理论中δt的取值的确定是根据经验公式取其抗压强度的10%，对于不同的加固方式，δt的取值方法是不同的，这样取值存在较大的误差。

2）静力理论适用于粘性土，而对砂性土利用水土分算计算纵向土体加固长度存在一定的误差。

3）这两种理论没有解决土体扰动问题和土体的长期稳定性问题。

2．3 利用静力理论对砂土和粘土计算分析

根据理论分析和工程经验可知，盾构始发端头土体的纵向加固是端头加固的重点和核心。由以上公式可知盾构直径和埋深是影响端头土体纵向加固长度的主要因素。本节以砂土和粘土地层为研究对象（土层的力学参数见表1）分析了盾构直径分别取3m、6m、9m、12m、15m，隧道埋深为10m、15m、20m、25m等不同盾构直径和埋深条件下土体纵向加固范围的变化规律。

表1 土层力学参数

土的侧压力系数的取值根据经验公式［5］

式中φ为土的内摩擦角

根据端头加固经验、室内土工实验和日本对端头的土体抗压强度的要求可知，端头土体的无侧限抗压强度qu≥1MPa，本节在计算时假定qu＝1MPa，利用上述公式（2）～（7）分别计算了不同埋深和盾构直径条件下端头土体需要的纵向加固范围，如图2所示，图中h为隧道埋深。

图2 砂土在不同埋深下纵向土体加固长度与盾构直径变化关系曲线

图3 粘土在不同埋深下纵向土体加固长度与盾构直径变化关系曲线

由图2、图3可知（1）不论是砂土还是粘土当隧道埋深一定时，盾构端头纵向土体的加固长度随盾构直径的增加而增加；当盾构直径一定时，盾构端头纵向土体的加固长度随隧道埋深的增加而增加。（2）盾构在埋深较浅时，纵向土体加固长度过小，不符合实际，应按地铁施工经验确定其纵向加固长度。

图4 在埋深10米时砂土、粘土纵向土体加固长度与盾构直径变化关系曲线

图5 在埋深15米时砂土、粘土纵向土体加固长度与盾构直径变化关系曲线

图6 在埋深20米时砂土、粘土纵向土体加固长度与盾构直径变化关系曲线

图7 在埋深25米时砂土、粘土纵向土体加固长度与盾构直径变化关系曲线

由图4～图7可知，当盾构埋深一定，盾构直径相同时，砂土的纵向土体加固范围大于粘土的纵向土体加固范围，因此在其他条件相同的情况下砂土比粘土更容易发生破坏；砂土纵向土体加固长度随盾构直径的变化曲线的斜率大于粘土的，说明砂土地层的纵向加固长度增加速率大于粘土，即在盾构直径比较大的情况下，砂土的纵向加固长度比粘土的纵向加固长度大的多。

2．4 板块强度理论、静力理论对比：

图8 砂土、粘土在不同计算理论下纵向土体加固长度与隧道埋深的变化关系曲线

用板块理论和静力理论模型计算，当盾构直径为6米，隧道埋深分别为10m、15m、20m、25m时土体纵向加固长度见图8。由图8可以看出，砂土的纵向加固长度大于粘土的；并且用静力理论计算的纵向土体的加固长度稍大于用板块强度理论计算的纵向土体加固长度，说明计算纵向加固长度时，静力理论比板块理论要保守一些。