富水砂卵石地層盾構(gòu)始發(fā)端頭加固工法研究

王新強 雷元亮 陸志明 王二力

【摘要】文章以廣州地鐵18號線沙溪站盾構(gòu)始發(fā)工程為背景，建立三維有限差分模型，對富水砂卵石地層盾構(gòu)始發(fā)加固工法進行比選，研究不同工法下盾構(gòu)始發(fā)引起的地表沉降和襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化規(guī)律，選取最合適的盾構(gòu)始發(fā)端頭土體加固工法。結(jié)果表明：采用深層攪拌樁法加固的工況下，盾構(gòu)始發(fā)對地表沉降的影響更小，襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)也更良好，說明深層攪拌樁法更適用于類似的富水砂卵石地層盾構(gòu)始發(fā)端頭加固。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)始發(fā); 土體加固; 工法比選; 深層攪拌樁法

【中國分類號】U455.43【文獻標志碼】A

盾構(gòu)法是目前城市地鐵建設(shè)的主流工法，具有良好的施工適用性，但盾構(gòu)法施工存在著一定的不足，尤其是盾構(gòu)始發(fā)過程中出現(xiàn)的端頭土體失穩(wěn)、塌方及滲水等工程安全問題，已經(jīng)成為盾構(gòu)施工事故的主要原因[1-2]。盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)施工過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，據(jù)統(tǒng)計，在采用盾構(gòu)法施工的地鐵建設(shè)中，有70 %以上的事故發(fā)生在盾構(gòu)始發(fā)過程中。更嚴重的是，對于富水砂卵石地層，盾構(gòu)始發(fā)掘進后地表沉降存在明顯的“滯后”沉降的特點[3-4]，導(dǎo)致盾構(gòu)始發(fā)安全問題更加突出，必須要做好完善的方案設(shè)計才能保證工程順利進行。

圍繞盾構(gòu)始發(fā)端頭土體加固已有一定的研究成果[5-8]，但目前有關(guān)端頭土體加固的研究大都針對特定的工程，對于臨近江河的富水砂卵石地層盾構(gòu)始發(fā)工程不具有普適性。在前人的研究基礎(chǔ)上，本文建立三維有限差分數(shù)值模型，對富水砂卵石地層盾構(gòu)始發(fā)土體加固工法進行初步比選和二次比選，最后確定合適的加固工法。

1 工程概況

廣州地鐵18號線六分部工程南起南村萬博站，北至石榴崗站，中間經(jīng)過沙溪站，線路全長約8.4 km。本標段盾構(gòu)始發(fā)位置位于沙溪村，正線由沙溪站大里程端直線段始發(fā)。

盾構(gòu)始發(fā)處場地地貌屬于珠江三角洲沖積平原（濱海沉積區(qū)），地形較平坦，相對高差較小，地面高程一般為4.0～7.0 m。始發(fā)處地層從上至下分別為<1>雜填土、<2>淤泥質(zhì)粉細砂、<3>粉細砂、<7>強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、<8>中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

盾構(gòu)始發(fā)處地表水較為發(fā)育，地下水主要有第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水。場地地下水動態(tài)變化具季節(jié)性，主要受降雨季節(jié)支配，年變化幅度約為1.0～1.5 m。

2 端頭加固方法初步比選

盾構(gòu)始發(fā)與到達時需要鑿除洞門，這時會由于土壓釋放引起地基松動和崩塌，此時必須采用必要的輔助工法對自穩(wěn)性較差的土體進行加固處理，防止地層失穩(wěn)和地下水流入，給周圍的路面和地下埋設(shè)物造成影響。

目前作為盾構(gòu)始發(fā)與到達的輔助工法，主要有深層攪拌法、注漿法、凍結(jié)法、降水法以及一些不太常用的如雙重鋼板樁法、開挖回填法等其他工法。在實際施工中，這些工法可單獨使用，也可組合使用。如高壓旋噴樁+水泥土深層攪拌樁適用于軟土地區(qū);降水+地層加固適用于砂性土層;分層注漿適用于全斷面巖石地層等。目前主要的土體加固工法及其特點如表1所示。

結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓こ趟牡刭|(zhì)以及表1的分析，對各種工法進行初步比選：

（1）凍結(jié)法加固在施工過程中凍土的融沉性和凍脹性會對地面沉降產(chǎn)生較大影響，且施工工期較長，施工造價高，不適用于本工程。

（2）注漿法加固風(fēng)險較高，施工質(zhì)量無法得到有效保證，但注漿法工期短，造價低，如果能保證其施工質(zhì)量，減小盾構(gòu)始發(fā)對地層的影響，可以用于本工程施工。

（3）本始發(fā)工程離珠江過近，在潮汐作用的影響下水頭變化較頻繁，采用降水法無法達到預(yù)期的降水效果，在施工過程中可行性較低，因此降水法不適用于本工程。

（4）深層攪拌樁法適用于不同的工程地質(zhì)，可以用于飽和軟黏土和各種正常固結(jié)的素填土、淤泥質(zhì)土、黏性土等土層，并且對周圍地層的擾動較小，施工簡單，造價較低。但是在富水地層，深層攪拌樁加固技術(shù)需要與其他工法聯(lián)合使用。

基于上述分析，可以發(fā)現(xiàn)：降水法和凍結(jié)法不適用于本工程，注漿法和深層攪拌樁加固法適用于本工程，需要對這兩種工法的適用性和可行性進一步判斷和比較。

3 數(shù)值模型

3.1 模型的建立

為了對注漿法和深層攪拌樁法兩種加固工法進行進一步比選，本文采用有限差分軟件FLAC3d建立考慮實際地層分布的三維有限元模型，模型整體尺寸為高60 m×寬76.2 m×長72.85 m，模型底部約束三個方向的位移，左右兩側(cè)約束X方向位移。隧道外徑8.5 m，襯砌厚度0.4 m。根據(jù)施工參數(shù)，在盾構(gòu)掘進前方（即掌子面處）施加0.3 MPa的壓力來模擬盾構(gòu)頂進力。

兩種工法的加固范圍分別為：

（1）深層攪拌樁法：中間加固體的范圍是橫向12.9 m，縱向11.2 m，豎向27.5 m，并在加固體外側(cè)施做0.8 m厚的地下連續(xù)墻以及0.85 m厚的深層攪拌樁。

（2）注漿法：注漿加固體的范圍是橫向16.5 m，縱向11.2 m，豎向16.5 m。

兩種加固工法對應(yīng)的計算模型及網(wǎng)格劃分見圖1。

3.2 參數(shù)的選取

根據(jù)工程地勘報告，地層由地表至基巖的各主要土層分別為<1>、<2>、<3>、<7>、<8>，地層力學(xué)行為符合Mohr-Coulomb準則，管片和各加固體采用彈性本構(gòu)。各土層的力學(xué)參數(shù)如表2所示，隧道襯砌和各加固體的力學(xué)參數(shù)如表3所示。

3.3 監(jiān)測點的布置

為了更加直觀地分析盾構(gòu)始發(fā)對周圍土體的影響，選取與始發(fā)處距離較近的DK48-148和DK48-158為監(jiān)測斷面，并且在兩監(jiān)測斷面處布置6個地表沉降監(jiān)測點，監(jiān)測點布設(shè)情況如圖2所示。

4 計算結(jié)果分析

4.1 地表沉降分析

盾構(gòu)始發(fā)土體加固對施工期始發(fā)處的地表沉降控制有較

嚴格的要求。兩種工況下的地表沉降云圖如圖3所示。

由圖3可知：采用深層攪拌樁法加固的工況中，受盾構(gòu)掘進影響而產(chǎn)生沉降的地層主要是隧道正上方及正下方的部分區(qū)域;采用注漿法加固的工況中，受盾構(gòu)掘進影響的地層范圍更大。

為了進一步比較兩種工法中的地表沉降數(shù)值，提取圖2所示的各監(jiān)測點處沉降數(shù)值，并與實測值進行比較，其結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：（1）對于1號、2號、3號監(jiān)測點，采用深層攪拌樁法的地表沉降數(shù)值為4.78 mm、5.95 mm和6.33 mm，遠小于注漿法的6.20 mm、8.717 mm和9.334 mm，對于4號、5號、6號監(jiān)測點，采用深層攪拌樁法的地表沉降為7.521 mm、10.412 mm和11.517 mm，略大于注漿法的7.201 mm、9.845 mm和10.472 mm，綜合來看深層攪拌樁法

加固后地表產(chǎn)生的沉降更小，具有更好的加固效果。

（2）深層攪拌樁加固工況下，各監(jiān)測點處的沉降計算值均與現(xiàn)場實測值更為接近，說明數(shù)值模擬效果較好，能反映施工現(xiàn)場的實際情況。

4.2 襯砌應(yīng)力分析

襯砌的應(yīng)力分布是判斷土體加固效果的另一個指標，受拉應(yīng)力狀態(tài)對襯砌有不利影響，因此提取兩種工況下襯砌的最大主應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5可知：（1）兩種工況下襯砌結(jié)構(gòu)均有部分位置處于受拉狀態(tài)（最大主應(yīng)力為正），且受拉位置均出現(xiàn)在拱底內(nèi)側(cè)區(qū)域。

（2）采用深層攪拌樁法工況的襯砌最大主應(yīng)力最值為0.013 MPa，而注漿法工況的襯砌最大主應(yīng)力最值0.088 MPa，兩種工況下的拉應(yīng)力數(shù)值均較小，不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的不利影響，但是相較而言前者的拉應(yīng)力數(shù)值更小，說明深層攪拌樁法有更好的土體加固效果，更加適用于本工程的施工。

5 結(jié)論

本文依托廣州地鐵18號線沙溪站盾構(gòu)始發(fā)工程，采用三維數(shù)值模擬的方法，對不同土體加固工法條件下的地表沉降和襯砌應(yīng)力進行對比分析，得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)前主流的土體加固工法中，降水法和凍結(jié)法明顯不適用于本工程，注漿法和深層攪拌樁加固法可用于本工程。

（2）對比地表沉降結(jié)果可知，深層攪拌樁法工況的計算值與實測值更接近，且該工況下1號、2號、3號監(jiān)測點處的沉降值明顯更小，4號、5號、6號監(jiān)測點處的沉降值與注漿法工況差異不大。

（3）對比襯砌應(yīng)力結(jié)果可知，兩種工況下襯砌均在拱底內(nèi)側(cè)位置出現(xiàn)受拉，深層攪拌樁加固工況下襯砌最大拉應(yīng)力為0.013 MPa，遠小于注漿加固法的最大值0.088 MPa。

（4）綜合本文分析結(jié)果，對于類似的富水砂卵石地層盾構(gòu)始發(fā)工程，深層攪拌樁法加固后地表沉降更小，襯砌應(yīng)力分布狀態(tài)更合理，說明深層攪拌樁法加固效果更好，在施工設(shè)計的過程中可以優(yōu)先考慮。

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