土体置换率对预加固粉细砂地层掌子面失稳变形的影响

2024-03-16余洪鑫李志锋韩凯航

广东土木与建筑 2024年2期

余洪鑫，苏栋*，李志锋，江俊，韩凯航

（1、深圳大学土木与交通工程学院深圳 518060；2、佛山市建盈发展有限公司广东佛山 528313）

0 引言

随着国民经济的发展及城市交通需求的提升，地下隧道建设逐渐成为诸多一线城市基建发展的主流之选。然而，复杂的地质条件始终是制约地下工程的主要因素，其中，粉细砂地层作为一种典型及十分常见的不稳定地层，在隧道开挖等外界扰动作用下，易产生掌子面坍塌及地表沉降过大的问题。因此，进行粉细砂地层隧道掌子面稳定性及地层变形的相关研究十分必要［1-4］。

目前，针对盾构隧道施工过程的掌子面稳定性研究主要采用理论推导、模型试验和数值模拟等方法开展研究，其中数值模拟方法具有成本较低、灵活方便等优点，故已有不少学者利用FLAC、ANSYS、PLAXIS等不同数值模拟软件进行了砂土地层隧道掌子面稳定性问题的研究［5-7］。如朱伟等人［8］利用FLAC 研究了砂土地层隧道掘进过程开挖面支护力控制与开挖面稳定性间的关系，并探究了隧道直径、埋深和土层内摩擦角等因素对掌子面极限支护压力的影响；王俊等人［9］利用PFC 研究了刀盘结构形式、隧道埋深及刀盘转速等因素对砂土地层掌子面支护压力与失稳区分布的影响规律；闫潇等人［10］以太原地铁2 号线土压平衡盾构双线穿越迎泽湖底为背景，采用数值模拟软件进行模拟，在考虑不同掌子面压力对湖底沉降和对临近线路位移的影响条件下，提出了最佳的掌子面支护压力。然而，目前多数研究仅基于原始地层进行探究［11-13］，而粉细砂地层抗剪强度低、稳定性差，当对地表沉降有严格要求时，需对地层进行加固以限制隧道开挖引发的变形，但目前关于预加固地层掌子面稳定性的相关研究仍较少。

本文以佛山某道路盾构工程堤坝保护为背景，采用三维有限元数值模拟方法研究了经旋喷桩预加固处理的粉细砂地层中大直径盾构开挖施工的扰动规律，研究了土体置换率对掌子面主动极限支护力以及地层、地表变形的影响，相关成果可为本项目和类似工程提供参考和借鉴。

1 工程背景

佛山某道路工程为佛山一环西拓战略建设的重要组成部分，其隧道段全长2 655 m，隧道外径15 m，属超大直径隧道。隧道主要穿越地层以中细砂、粉细砂地层为主，厚度约为27～40 m。

在盾构隧道掘进过程中，下穿位于顺德水道紫洞口-三槽口上游段的工程是重要节点。由于对盾构隧道下穿两岸堤坝带来的地表沉降变形有严格要求，工程上采用了高压旋喷桩的预加固方案改良隧道上方土体土质，高压旋喷桩工法适用于松散砂性地层，对堤坝等结构物扰动有较好的控制效果［14］，为盾构下穿创造更加平稳安全的地层环境。

2 有限元数值分析模型

2.1 加固工况

该道路工程对上方堤坝设计了旋喷桩预加固土体的方案，如图1所示，加固桩参数为桩距d=2.5 m，桩径a=0.6 m，且在加固区域边缘另采用桩径0.45 m 的高压密排旋喷桩围封，以减小盾构隧道下穿两岸堤坝带来的地层扰动变形。

图1 高压旋喷桩预加固平面Fig.1 Plan of pre-reinforcement of High-pressure Jet Grouting Piles

基于以上梅花桩加固方案进行加固参数敏感性分析，忽略边缘围封旋喷桩简化建模，采取改变加固桩直径及桩间距两个重要加固参数的方式设置多组对照组。同时，将各工况中的桩间距、桩直径两个变量统一转化成单一变量，即加固土体置换率m（下文称置换率），土体置换率m定义为加固桩截面面积与桩间距平方的比值，如下：

其中，a为加固桩直径；d为加固桩间距。

各工况加固参数设置如表1 所示，其中实际工程所用加固方案对应置换率约为4.52%，即工况2。

表1 各工况参数设置Tab.1 Parameter Setting for Different Cases

2.2 计算模型及本构参数

采用三维有限元软件PLAXIS 3D建立数值模型，并基于对称性建立半模型（见图2）进行分析。为避免边界效应，模型长度取100 m，宽度为50 m，深度为50 m，边界条件为底部完全固定，四周约束法向位移，顶部自由。盾构隧道直径D=15 m，埋深取工程中掘进路段最小埋深0.8D。基于工程高压旋喷桩加固方法，加固桩建模简化为单一密排桩，并贯穿整个掘进层。此外，为便于有限元网格划分，将旋喷桩的横截面由圆形简化为等面积正方形。

图2 三维有限元模型Fig.2 Three-dimensional Finite Element Model

模型采用单一粉细砂地层，选用HSS 本构模型，HSS 本构模型引进了小应变刚度的概念，能充分的考虑土层中小应变区域的刚度，使数值模拟结果更好的与实际工况相吻合。土体参数结合实勘报告，参考顾晓强等人［15］关于土体小应变硬化模型整套参数取值方法，对各刚度参数按照Es1-2：Erefoed：Eref50：Erefur：Gref0=1∶1∶1∶3∶5的比例进行近似取值。加固桩体的物理力学参数则与水泥量密切相关，依据施工方案，高压旋喷桩的水泥选用强度等级为42.5R 级普通硅酸盐水泥，水泥掺量不小于220 kg/m，水泥浆水灰比为1∶1，桩径为0.6 m，经计算得旋喷桩的水泥掺入比约为12.2%，参考曹龙海［16］对水泥掺入比和土力学参数的关系拟合公式，确定高压旋喷桩体材料参数并应用M-C本构模型进行模拟。原状土层及加固桩体本构模型参数如表2所示。

表2 材料模型参数Tab.2 Constitutive model parameters

土体预加固范围参考工程方案统一设定为掌子面中心点前后40 m，左右10 m，加固深度为地表往下贯穿到隧道拱底，共27 m。考虑预加固地层中，掌子面与桩的距离不同可能对模拟结果带来较大影响，因此将所有加固工况掌子面统一设置在加固桩前0.5 m处，如图3所示，以消除掌子面与加固桩体的间距等无关变量对模拟结果可能产生的影响。

图3 掌子面与加固桩的水平距离Fig.3 The Distance between the Excavation Face and the Reinforcement Piles

2.3 模拟过程

在粉细砂地层中，近接地表产生冒顶破坏较为少见，因此本文仅探究掌子面由于支护力过低造成的掌子面背离开挖方向产生的主动破坏。为精简其他变量进行单一分析，忽略实际工程逐步掘进的过程，采取一次开挖一定距离（模型中取长度方向45 m 位置处）并施加与原始地层侧向静止土压力相等的梯形支护力来进行掌子面支护模拟。先施加面位移固定隧道及掌子面，完成计算后求解出掌子面上反力，进而得到静止土压力大小；之后释放掌子面位移，在掌子面上施加从静止土压力值开始逐渐减小的支护压力以模拟掌子面主动失稳过程，直至软件提示土体倒塌，则计算终止，完成一个工况的计算。之后再改变加固桩间距或桩直径重新计算，依此完成所有工况的模拟。

3 数值模拟结果分析

3.1 置换率对掌子面主动极限支护应力比的影响

首先引入支护应力比λ（下文简称应力比）：

式中：Pc为掌子面中心点支护力；σ0为掌子面中心原始地层的静止土压力。

不同置换率下主动失稳过程掌子面中心点的应力比-位移曲线如图4 所示。掌子面发生破坏时，由于地层失稳掌子面位移会产生突变，而位移突变可通过该曲线斜率反映。为便于比较不同工况极限支护应力比数值解，本研究统一规定支护应力比-位移曲线中斜率绝对值为2 的点为突变点，将突变点的应力比定义为极限支护应力比。

图4 主动失稳过程掌子面应力比-位移关系Fig.4 The Relationship between the Stress Ratio and the Displacement at the Excavation Surface during the Active Failure

分析得到的主动极限支护应力比如表3所示。由表3可知，掌子面发生主动破坏时，中心点水平位移在20～80 mm之间，且随着置换率的提高，主动极限支护应力比逐渐降低，支护力可调节范围提高。

表3 主动极限支护应力比Tab.3 Active Limit Support Stress Ratio

置换率-主动极限支护应力比关系曲线如图5 所示。由图5可知，随着置换率的提高，主动极限支护应力比逐渐降低，但在置换率超过30%以后，继续提高土体置换率对降低极限支护应力比作用不大。根据数值分析结果，工程中所采用置换率为4.52%的加固方案，可使主动极限支护力数值上降低约32%。

图5 置换率-主动极限支护应力比关系Fig.5 The Relationship between the Replacement Ratio and the Active Limit Support Stress Ratio

3.2 置换率对地层水平位移的影响

在掌子面产生主动破坏时，地层水平位移以同掘进方向相反的位移为主导，而沿掘进方向的位移可忽略不计。图6 为控制掌子面中心支护压力为37.5 kPa条件下（支护应力比0.21，已达原始地层主动破坏极限支护应力比），地层沿该方向的最大水平位移同置换率的关系曲线，以及相应地层变形云图。由图6可知，随着土层置换率的提高，地层变形由原先发展到掌子面斜上方区域逐渐向隧道工作面收束，扰动区间逐渐缩小，在30%置换率以后，变形扰动区间几近消失。从数值关系曲线可以看出，在低置换率下，土体加固对降低地层水平位移效果显著，但达到30%左右置换率后，掌子面最大水平位移趋近稳定，继续增大置换率几乎不再对水平位移产生影响。因此，30%的土体置换率是限制水平位移最为显著的方案，在该置换率下，地层水平变形显著降低约90%。而工程采用4.52%置换率的加固方案，也可使地层水平位移降低约45%，有效限制了隧道开挖对粉细砂地层带来的扰动。

图6 Pc=37.5 kPa条件下地层最大水平位移与置换率关系Fig.6 The Relationship between the Horizontal Displacement and the Replacement Ratio under Pc=37.5 kPa

3.3 置换率对地表沉降的影响

控制掌子面中心支护压力为37.5 kPa 条件下，隧道中心轴线正上方地表的沉降曲线如图7所示。可以发现，不同置换率条件下的沉降曲线均为正态分布曲线，沉降槽最低点位于水平坐标50 m 处，即位于隧道掌子面前方5 m 地表处。随着置换率提高，最大沉降值逐渐减低，沉降槽宽度也逐渐向内收缩，置换率高于30%的地表沉降曲线几乎重合。

图7 Pc=37.5 kPa条件下地表沉降Fig.7 Surface Settlement under Pc=37.5 kPa

图8 为地表最大沉降值与土体置换率的关系曲线。由图中可知，粉细砂地层产生主动破坏时，地表沉降值约21 mm，而旋喷桩加固能有效降低地表沉降，地表最大沉降值随置换率提高显著降低，但在30%置换率后，最大沉降值降至1 mm 以下，土体置换率的提高几乎不再对最大沉降值产生影响。因此，保持30%以下的土体预加固置换率是降低地表沉降变形最为有效的方案。相比不加固工况，30%置换率可使地表沉降量降低约95%，而工程采用4.52%的置换率也可使地表最大沉降值降低约30%，对地表变形具有一定的限制效果。