加固厚度对软土地层大直径盾构隧道抗浮的影响分析

赵锐

（中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250101）

最近几年，新加坡对越江盾构进隧道以及地铁的需求越来越多，在实际的工程建设当中大直径盾构应用较为广泛。但是加大直径，会使管片外圈空隙变大，增大砂浆填充量，管片脱落之后，减少拼装体的单位容量，会因为浆液以及地层的作用而加大浮力，让盾构隧道结构出现上浮的情况。有相关数据说明，在软土地层中对越江隧道进行施工，更容易出现管片脱落上浮、盾构上移的情况。最主要的是在安装48h内有70%发生管片上浮，因此，对软弱地层大直径盾构隧道抗浮以及相应解决措施的研究非常有必要。

1 盾构隧道工程概况

本项目为新加坡跨岛线某标段，是单洞双线铁路隧道，起止里程59+472～62+511，全长3039m。其中盾构段2769m（579m+2190m）。盾构从空军基地东侧始发井始发（标段终点），隧道下穿空军基地、敏感建筑物、出租车道、河床、淡滨尼路、高速公路、高架桥、石龙岗运河、LTA马路后从CR111标段接收井处接收（标段起点）。

隧道采用土压平衡盾构机施工，579m盾构段隧道上部处于加冷组地质区域，下部处于“老冲基层（Old alluvium）”的地质区域；2190m盾构段全断面处于“老冲基层”的地质区域。本标段盾构隧道工程计划采用1台土压平衡盾构机进行施工。盾构从空军基地东侧始发井始发，掘进2190m后于空军基地西侧明挖段工作井接收，整机拖拽118m后二次始发，掘进579m后从CR111标段接收井处接收。盾构隧道采用土压平衡盾构机开挖，开挖出的渣土通过连续皮带机运输至渣土处理场。盾构掘进过程中，管片与地层之间的环形间隙采用双液同步注浆回填。掘进完2m（1环）后在盾尾内拼装管片。盾构隧道采用管片错缝拼装，采用斜螺栓连接。管片接缝采用弹性密封垫防水。盾构机在工作井进行始发，试掘进50环后，进入正常掘进阶段。盾构施工全过程坚持监控量测跟踪，实施信息化施工，以控制地层变形和确保安全。

场地为软土地层，南岸与北岸的地基是淤泥层，非常软弱的淤泥层达到了50m的深度，这对支护设计与结构设计带来了很大的难度。为了使管片不出现错台的情况，需要加固软土。盾构拱顶以上3m为加固的范围，两侧2.8m，底部不能低于1m，掺加的水泥量为20%。本文主要对软弱淤泥密集的水域区进行研究，选覆土厚度最小的断面模拟。该盾构结构主要在全风化砂岩、碎石质粉质黏土、粉质黏土、黏土以及淤泥中进行掘进，土层主要特性如表1所示。

表1 土层特性指标

2 盾构施工配套方案

2.1 本工程地质和水文地质条件的方案分析

盾构隧道579m盾构段隧道上部处于加冷组地质区域，下部处于“老冲基层”的地质区域；2190m盾构段全断面处于“老冲基层”的地质区域。地质较为坚硬，场地广泛分布，工程性质较差。新加坡地处热带，长年受赤道低压带控制，为赤道多雨气候，气温年温差和日温差小。平均温度在23～34℃之间，年均降雨量在2400mm左右，湿度介于65%～90%之间。每年11月至次年1～3月左右为雨季，受较潮湿的东北季候风影响，天气不稳定，通常在下午会有雷阵雨，平均低温在24～25℃左右。

2.2 盾构选型依据及选型原则

盾构机的选型是盾构法施工的关键环节，直接影响盾构隧道的施工方法、工艺及施工成本，为了保证工程的顺利完成，对盾构机的选型工作应非常慎重。

盾构选型主要依据工程招标文件、工程勘察报告、隧道设计、相关标准和规范，针对工程特点及难点、隧道设计参数、盾构施工工艺、进度要求等因素进行分析，对盾构类型、功能要求、主要技术参数、辅助设备的配置等进行研究。盾构机选型原则主要从安全性、可靠性、适用性、先进性、经济性等方面综合考虑，所选择的机型要能尽量减少辅助施工法，并能确保开挖面稳定和适应本标段工程的地质条件。

2.3 盾构机类型

土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机在稳定开挖面、适应地质条件、抵抗水压、压力波动敏感程度、控制地表沉降、渣土处理、施工场地、工程成本等方面都有较大差异，各有其独特的适应性。

3 建立模型

本文采取PLAXIS 3D建立有限元模型。该模型长和高分别为6D与3.4D（D为管片外径），垂直隧道截面的厚度为1m，截面上覆土厚为10m，地下水位埋深0m，底部设置的有固定约束，四周有法向位移约束。假设加固范围是1个环形，把加固土层当做衬砌，主要的作用是为了减少因上浮造成的局部变形，从而减少扰动周边的土体程度，开挖区是盾尾间隙注浆液外径以内的区域。

隧道上浮在模拟的过程当中，涉及管片结构作用，土体与浆液的复杂作用，对该模型进行假设，把管片上浮作为平面，管片为均值圆环，渗流耦合的影响不进行考虑，浆液等效为等代层。

数值模拟如下，建立的淤泥地层模型要与实际工程相符，软基预加固处理，在开挖面之外生成加固土，对隧道进行开挖，在内部对浆液与管片进行布置，以此来释放开挖面土体应力，模拟开挖引起周围土体回弹，在管片外表面浆液上浮力均匀地分布，模拟管片脱离被浆液包围，上覆土体受到管片整体上浮的挤压。

数值模拟的关键是要采取合适的计算参数与本构模型，采用线弹性模型作为混凝土衬砌管片结构，采用摩尔—库伦模型作为浆液与加固土，参数如下表2所示。

表2 主要结构参数

对软土层采取小应变模型来模拟，该模型能够反映对软土层压缩和剪切模量在小应变范围的变化。本文对周围土地加固厚度分别取值为0D～0.30D。

4 分析模拟结果

4.1 加固厚度对抗浮的发展规律分析

土体因上浮力作用下的位移计算模型如图1所示。

图1 土体上浮力作用下的位移模型

该模型主要考虑隧道超挖引起周围土体的卸载回弹力q1和浆液浮力对周围土体的挤压q2，两部分作用，引起的土体竖向位移v1与v2分别为：

在上述公式中，F表示浆液上浮力，γ表示土体浮重度，W表示管片自重，α表示管片任意位置dA和隧道圆心连线水平方向的夹角，θ表示管片环向压力和竖向轴线的夹角，μ表示土体剪切模量，R表示隧道外半径，h表示地面与隧道中心的竖直距离，y表示垂直与地面的距离，x表示与隧道轴线水平的距离。

隧道两侧的土体会随着加大隧道距离而减少竖向位移，与隧道竖向轴线相距2D处的竖向位移为0，根据公式（1）与公式（2）对河底土体上浮量进行计算，最大为33.2m。模拟结果与解析只有2.8mm的相差量，曲线形状较为一致，由此对计算结果的准确性进行了验证。

土体竖向位移经过加固处理之后往隧道方向进行收缩，这说明随着增加加固的厚度，会减少隧道周围土体竖向扰动范围。另外，隧道两侧竖向扰动范围除了加固厚度为0.30D之前，都要大于没有加固的情况。这是因为经过加固之后，改良后的土密度要比天然的土体大，最终会增大隧道两侧土体的竖向变形量，但也会对局部的隧道变形风险进行消除。

4.2 合理加固厚度

通过隧道上浮量和等效土层加固厚度t之间能够看出，隧道上方的土体比下方的土体上浮要严重。增加加固的厚度，会减小隧道的上浮量，隧道上浮量在0.30D厚度时只有17.7mm。

通过对管片接头错台量和隧道上浮量进行研究得出，管片接头偏差≤5mm时，隧道上浮量≥30mm，偏差符合要求。当为0.20D的加固厚度时，上浮量在30mm以内，可以避免出现管片接头错台。

5 结语

数据模拟土体位移在没有对软土层进行加固时，其和理论推导相符，上浮量两者之间最大只有2.8mm的偏差。加固改良软土层之后，能够让隧道整体抗浮，在0.10D加固厚度时，相比没有加固隧道与河底上浮量分别减少了35.3%与31.7%，而且随着对加固厚度进行增加，地层受扰动区域和上浮量会逐渐减小。隧道环向在0.20D以上的加固厚度时，管片计算得到的上浮量≤30mm，河底土体上浮量≤20mm，根据管片接头错台和隧道上浮量之间的关系，接头的偏差≤5mm，能够满足要求。