基于有限元盾构开仓开挖面稳定性及施工技术研究

张丽娟

(中铁十九局集团轨道交通工程有限公司 北京 101300)

1 前言

盾构法施工因其安全性高且对周边环境影响较小，被广泛应用于城市轨道交通施工。由于盾构掘进的地层围岩差异较大，导致盾构在该地层施工中存在开仓较频繁现象。为确保开仓时安全及盾构开仓开挖面稳定性，本文进行针对性研究。

针对盾构开仓及开挖面的稳定性，国内一些学者进行了相应研究[1－5]。程红战等[6]研究了土体抗剪强度指标与盾构开挖面的空间变异性；孟宪彪[7]指出盾构开挖面稳定是确保开仓的关键；颜超[8]对盾构开挖面失稳机理进行了研究，同时对引起开挖面失稳机理的因素进行了分类；代仲海等[9]基于极限平衡法，研究盾构近距离穿越隧道开挖面极限支护压力变化模式，并对相关参数的敏感性进行验证；汪琴[10]以MATLAB为平台，利用二次开发开仓压力上限值进行研究；宋洋等[11]采用有限元数值软件MIDAS-GTS对盾构隧道开挖面的被动破坏过程进行模拟。

本文以广州地铁4号线塘—大区间盾构隧道为工程背景，对盾构开仓开挖面稳定及施工技术进行研究，为区域施工提供技术支撑。

2 工程概况

广州地铁4号线南延段塘—大盾构区间隧道工程双线合计总长3 595.354 m，管片共2 392环。区间地层为典型上软下硬复合地层，岩土层强度差异较大，局部中等、微风化岩侵入隧道中，单轴抗压强度最高可达106 MPa，硬质岩段长度共计712.5 m。

3 有限元模型及工况选取

3.1 有限元模型构建

区间隧道直径根据设计要求取D＝6 m，隧道埋深H(隧道中心到地表的垂直距离)为10 m。管片采用钢筋混凝土，强度等级为C50，管片厚度为300 mm。相关地层的物理力学基本参数如表1所示。运用FLAC3D有限元软件建立模型，模型如图1所示。计算模型尺寸为(x方向)长64 m×(y方向)宽51 m×(z方向)高34 m。模型底部采用固定边界，周围采用法向约束边界。

图1 有限元计算模型

表1 地层基本物理力学参数

3.2 材料参数

有限元模型采用摩尔－库仑本构模型，管片参数如表2所示。

表2 管片材料物理力学指标

3.3 工况选取

根据工程实际情况，本文拟选取两种工况:工况1开仓加压值选取2D/3处地下水压力(从盾构顶部算起)；工况2开仓加压值选取D/2处地下水压力(从盾构顶部算起)，具体工况如表3所示。

表3 模拟工况下开仓加压值

4 开挖面稳定性有限元计算结果与分析

4.1 开挖面破坏形式分析

由图2a可知，区间隧道周边地层的扰动范围已发展到地表，盾构开挖面出现失稳破坏时，开挖面土体产生向盾构机挤压趋势，其破坏形态为“挤压扩张型”，此种破坏型式主要出现在盾构开挖面下部，且在该位置产生变形最大值；工况2状态下，盾构开挖面变形首先出现在其上部，且变形趋势大于开挖面下部，其局部失稳概率较大，在此工况下产生失稳破坏时，其最终失稳形态为整体失稳破坏，破坏形态也表现为“挤压扩张型”，如图2b所示。

图2 盾构开仓开挖面极限状态时周围土层变形

4.2 开挖面变形分析

由图3可知，工况1状态下，开挖面的变形随着开挖面的支护应力比逐渐减小而增大，开挖面产生了面向盾构的“隆起”变形；工况2状态下，盾构开仓后，开挖面下层为混合花岗岩强风化带，上层为粉质黏土，导致盾构开仓开挖面上部水平变形明显高于下部，开挖面最大水平位移发生在开挖面中心点上方约1 m处。

图3 支护应力比与水平位移关系(极限状态下)

4.3 盾构开仓开挖面前方地表沉降分析

为准确研究盾构开仓开挖面前方地表沉降与开仓状态下气压支护力的普适性规律，沿盾构掘进方向在地表布置横向、纵向沉降观测点，具体如图4所示。

图4 观测点布设

由图5可知，工况1和工况2状态下，在失稳破坏前及极限状态时，地表的纵向沉降分布较为平缓，在盾构掘进方向前部约3 m处(即D/2，D为区间隧道直径)产生最大沉降量。当支护应力比小于极限支护应力比时，开挖面前方地表沉降急剧增大，呈“U”型。

图5 盾构开仓支护应力比与前方地表纵向沉降关系

由图6可知，两种工况条件下开挖面失稳破坏引起的地表沉降均呈V型分布，沉降槽呈现出一个倒锥体，沉降槽宽度均约为2D。工况1在极限状态时开挖面前方最大地表沉降约为30 mm，工况2在极限状态时开挖面前方最大地表沉降小于30 mm，可满足盾构施工地表沉降控制要求。

图6 盾构开仓支护应力比与前方地表横向沉降关系

5 盾构开仓开挖面稳定控制技术

盾构开仓受区间周边环境、工程地质、水文地质、施工能力等一系列因素影响，同时具备高风险、高费用、长周期特点。为确保盾构开仓顺利完成，最关键一环是确保盾构开仓开挖面稳定，因此，需根据工程实际，设计合理的盾构开仓开挖面稳定施工方案，本文从以下几个方面进行盾构开仓开挖面稳定及施工技术研究。

5.1 盾构开仓刀盘后止水措施

为降低盾构开仓期间地下水侵入影响，首先对区间盾构开仓部位进行地表加固，然后再进行区间隧道二次注浆，以提高止水效果。

(1)在盾构开仓期间，利用盾构外壳预留孔采用高压注浆方式向盾构周边注入1.10～1.15 g/cm3高粘度浆液，以免浆液流失。

(2)为避免二次注浆浆液流失影响盾尾刷，确保盾尾刷在盾构开仓后继续掘进时的可靠度，提高盾尾止水效果，向该部位注入部分油脂。

(3)盾构开仓后，在离开盾尾第2环管片位置，在管片上部吊装孔处进行高压双液注浆，注浆压力高出同步注浆0.4～0.8 bar。注浆完毕后，连通盾尾后第1环管片，注浆孔中无明显浆液渗漏，则符合要求。

5.2 开挖面泥膜质量控制

泥膜质量对维持盾构开仓开挖面稳定具有重要作用，本文根据工程实际地质条件与区间周边环境，施工中遵循“高稠度、高密闭、低比重、易成膜”的原则，并调整泥浆参数，同时对所选泥浆材料进行优化。为确保盾构开仓开挖面泥浆成膜质量，采取“勤检测、重调整”的措施，及时将检测结果通过试验应用于工程实际。

5.3 盾构开仓期间监测措施

根据工筹计划，提前确定盾构开仓位置，多采取主动开仓方式。编制盾构开仓期间专项监测方案。监测点布置于盾构开仓开挖面前后部位。采取加密监测频率方式，周边地表监测频率为8次/d。如监测数据发生突变，则在分析数据基础上，还需增加开挖面相应监测。特殊情况时，需终止开仓，待情况稳定且提出合理施工措施后再继续开仓。

6 异常工况处理

6.1 盾构开仓前土压异常处治措施

盾构开仓前，确保盾构出土量控制在12 m3(2/3斗)内，同时通过盾构刀盘充高气压来确保渣土出土过程中土仓压力正常。如发现土仓压力不稳定时，应暂停出土，待通过工程措施确保土仓压力稳定后可进行后续施工。

6.2 盾构开仓前地层含水量较大时的处治措施

盾构开仓前，通过土工试验及超前预报，探明盾构开仓开挖面前部地层含水量，并根据含水量情况制定相应的应急预案。如含水量超出预报，则可通过盾构土仓内置排水阀确定舱内水位。

6.3 盾构开仓维护期间产生异常的处治措施

盾构开仓维护期间，应安排专人监测盾构开仓开挖面土层的稳定，如出现管涌、塌方等地质灾害预兆时，要立刻暂停施工，人员全部撤离，待处理完成相关危险源后，恢复盾构掘进。

6.4 盾构开仓开挖面周边环境产生异常的处治措施

盾构开仓期间，根据工程实际制定专项监测方案，根据实际监测数据动态调整施工方案。当出现重大危险源时，应根据应急预案立即采取处治措施，同时应加强与盾构队伍沟通，通过恢复掘进、同步注浆重建土仓压力，延缓地层沉降，待危险源消除，确保地层稳定后再开始下一步施工。

7 工程效果

广州地铁四号线南延段塘—大盾构区间隧道地层复杂，存在基岩凸起软硬不均地层。复杂地层条件引起盾构刀具损耗增大，根据工程实际工筹安排，需进行多次开仓换刀及维护工作。本工程实际施工过程中共进行11次开仓作业，开仓开挖面稳定，均顺利完成相应作业，具体开仓情况如表4所示。

表4 区间上下行线盾构开仓情况

本工程采取盾构开仓刀盘后止水措施，加强开挖面泥膜质量控制，同时制定盾构开仓专项监测方案，确保了本工程盾构开仓顺利完成。

8 结束语

(1)本文基于有限元对开挖面破坏形式、开挖面变形和开挖面前方地表沉降三方面进行开挖面稳定性分析，并得到相应的规律。

(2)从盾构开仓刀盘后止水措施、开挖面泥膜质量控制和盾构开仓期间监测措施三方面对盾构开仓开挖面稳定控制技术进行研究，提出相应参数并将该方案应用于实际，取得良好效果。

(3)给出开挖面异常工况处理及施工安全事项等一系列盾构施工带压开仓特种作业技术措施，为大湾区盾构开仓开挖面稳定提供工程参考与借鉴。