三軸攪拌樁對盾構(gòu)隧道始發(fā)端變形影響三維數(shù)值模擬研究

郭斌，彭帥，商兆濤，胡力，夏琴，王學(xué)斌

（1.蕪湖市軌道（隧道）交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，安徽 蕪湖 241000；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

二十一世紀以來，我國隧道及地下工程進入快速發(fā)展階段[1]。盾構(gòu)隧道端頭洞門的加固尤為重要，面對復(fù)雜地層的隧道洞門加固問題，三軸攪拌樁和高壓旋噴樁在實際工程中應(yīng)用廣泛。三軸攪拌樁對隧道端頭起到加固效果，在破除隧道洞門時，不同的加固范圍對減少洞門位移會有不同的效果。唐賢海[2]找出了三軸攪拌樁地層的弱加固方式并大大提高了盾構(gòu)始發(fā)工程的工作效率。文新倫[3]總結(jié)出不同三軸攪拌樁的施工參數(shù)會對土體會產(chǎn)生不同的影響。譚虓隆[4]通過改變?nèi)S攪拌樁的加固參數(shù)，解決了福州地鐵5 號線歡樂谷站基地厚淤泥層承載力不足的問題。李煥容[5]表示三軸攪拌樁加固完雜填土地基，前期不宜過多堆載，后期土體固結(jié)，地基趨于動態(tài)平衡方可過多堆載。史劍[6]發(fā)現(xiàn)對于環(huán)境敏感區(qū)應(yīng)降低攪拌樁提升和下沉速度并適當(dāng)跳樁施工。

高壓旋噴樁具有一定的加固效果和止水能力。呂若冰[7]得出高壓旋噴樁法加固軟土路基，注漿壓力在加固過程中對路面隆起有重要影響。賴金星[8]研究出高壓旋噴樁加固黃土隧道時，其在不同時間下的長期變形。曹志通[9]指出當(dāng)旋噴樁加固工藝無法操作時，洞內(nèi)水平注漿可以提升加固體的止水效果。

本文以蕪湖過江隧道工程為依托，結(jié)合實際設(shè)計資料，采用數(shù)值模擬研究三軸攪拌樁加旋噴樁加固方式對盾構(gòu)始發(fā)端頭的變形影響。利用FLAC3D 軟件建立隧道及其周圍土層、巖層的三維數(shù)值模型，分析三軸攪拌樁在縱向加固18m、橫向加固10.43m 情況下的加固區(qū)應(yīng)力、洞門位移和地表沉降的大小。本文利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，對三軸攪拌樁在縱向加固18m、橫向加固10.43m 的情況下進行數(shù)值分析，研究其對加固區(qū)應(yīng)力、洞門位移和地表沉降的影響。研究結(jié)果對蕪湖城南隧道建設(shè)有一定指導(dǎo)意義，為后續(xù)三軸攪拌樁加旋噴樁加固盾構(gòu)隧道始發(fā)端頭提供指導(dǎo)意義。

2 工程背景

安徽省“皖南第一隧”蕪湖過江隧道，處于蕪湖市長江段的“大拐彎”處，東邊是江南主城的大工山路，西邊是蕪湖市鳩江區(qū)二壩鎮(zhèn)即江北新城緯一路，商合杭大橋與其距離約為5.5km，并且在長江大橋的上游約9km 處。該隧道是一條連接無為縣和城南主城區(qū)且具有重要市政功能的過江快速隧道。隧道所在的地區(qū)地勢平坦，江面的寬度大約為1.5km，具體如圖1。項目設(shè)計全長5.965km，雙線隧道施工，右隧道長3967.4m，左隧道長3957.77m，設(shè)計為城市快速路，預(yù)計時速80km/h，雙向六車道。隧道外徑14.5m，內(nèi)徑13.3m，分三層：上層排煙通道層、中層行車通道層、下層救援車道和管廊，其中車道層高4.5m，凈寬12.75m，最大縱坡4%。

圖1 擬建蕪湖城南過江隧道位置示意圖

設(shè)計端頭盾構(gòu)隧道埋深約10.43m，土層分五層，第一層是粉質(zhì)粘土，第二層是淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，第三層是粉砂，第四層是細砂，最后一層是基巖。加固方法是3m 凍結(jié)加固區(qū)、三軸攪拌樁、高壓旋噴樁止水和800mm 厚C15 塑性止水墻共同加固，同時設(shè)置應(yīng)急降水井。本文采用的方法為三軸攪拌樁加高壓旋噴樁聯(lián)合使用的加固方法。三軸攪拌樁縱向加固18m，橫向加固10.43m，考慮止水效果，采用高壓旋噴樁封閉工作井相接處，在攪拌樁與工作井地連墻接縫位置設(shè)置一排Φ850@600mm 的旋噴樁，旋噴樁與地連墻及攪拌樁搭接不小于300mm。

3 三維數(shù)值模型建立

本文使用FLAC3D 數(shù)值模擬計算軟件建立力學(xué)模型，計算的基本假定如下：①假定地表是均勻水平的，各層土均是水平均勻?qū)訝罘植?，土為各向同性；②排除高壓旋噴樁止水時密封技術(shù)對土體的物理、力學(xué)參數(shù)及變形影響；③排除施工過程中和施工過程后土體因為擾動而造成的物理、力學(xué)參數(shù)和變形影響。

3.1 計算模型

根據(jù)實際工程項目的資料確定數(shù)據(jù)：隧道外徑14.5m，內(nèi)徑13.3m，左右隧道圓心距21m。以左右隧道圓心的中點為模型的原點，建立雙線隧道模型，其中模型右邊界距右隧道右邊58m，下邊界距隧道下邊45m，上邊界距隧道上邊13m，整體模型長151.5m，寬90m，高72.5m。計算模型見圖2。

圖2 三維數(shù)值計算模型

整體模型單元數(shù)為816480，其中襯砌部分X 方向單個單元0.6m，數(shù)目為2；Y 方向單個單元長1m，數(shù)目為90；Z 方向單個單元長0.6m，數(shù)目為2。開挖部分X 方向單個單元1.33m，數(shù)目為10；Y方向單個單元長1m，數(shù)目為90；Z 方向單個單元長1.33m，數(shù)目為10。圍巖部分單元X 方向長0.625m，Y 方向長1.00m，Z方向長1.15m。

3.2 模型參數(shù)及邊界條件

數(shù)值計算中各層土的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

數(shù)值計算中各土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

邊界固定條件：將隧道的前面、后面、左面、右面以及底面固定，僅釋放隧道頂面進行自由沉降即下部邊界的X、Y、Z方向位移固定，僅釋放Z方向上部位移。本模型采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。

在地表沿隧道軸線方向每隔1m 設(shè)置1 個位移監(jiān)測點，設(shè)置21 個監(jiān)測點，并且在距起點25m 處的地表和隧道起點的上下左右邊緣以及隧道中心點設(shè)置監(jiān)測點觀測地表變形，共計監(jiān)測點27個。其中第一個監(jiān)測點位于洞門拱頂垂直對應(yīng)的地表。

本文模擬右線隧道洞門鑿除過程地表變形，研究采用三軸攪拌樁技術(shù)加固始發(fā)端，對三軸攪拌樁在縱向加固18m、橫向加固10.43m 的情況下進行數(shù)值分析，研究對加固區(qū)應(yīng)力、洞門位移和地表沉降的影響。

4 結(jié)果分析

將物理參數(shù)賦值給模型，計算三軸攪拌樁橫向加固10.43m、縱向加固18m 時的加固區(qū)應(yīng)力、洞門位移和地表沉降。

圖4 y方向應(yīng)力場

圖5 z方向應(yīng)力場

4.1 加固區(qū)應(yīng)力分析

圖3、4、5 分別為三軸攪拌樁橫向加固10.43m、縱向加固18m 時的x、y、z 方向的應(yīng)力場。由圖可知，加固區(qū)x 方向的最大應(yīng)力為壓應(yīng)力且處于加固區(qū)底部，其數(shù)值為0.25MPa；加固區(qū)y 方向的最大應(yīng)力為壓應(yīng)力且處于洞門正下方，其數(shù)值為0.33MPa；加固區(qū)z 方向的最大應(yīng)力為壓應(yīng)力且處于加固區(qū)底部，其數(shù)值為0.65MPa。加固區(qū)整體最大的應(yīng)力為z 方向壓應(yīng)力，小于加固區(qū)最大壓應(yīng)力允許值0.8MPa[10-11]，故三軸攪拌樁在縱向加固18m、橫向加固10.43m的情況下，其在強度上滿足要求。

圖3 x方向應(yīng)力場

4.2 洞門位移分析

表2 為三軸攪拌樁在縱向加固18m、橫向加固10.43m 的情況下，洞門破除時洞門中心和四周的x、y 和z 方向的位移。由上表可知，洞門中心和四周的x 方向位移都偏小不足1mm，x 方向最大位移發(fā)生在洞門的左邊緣為-0.7mm；對于洞門y 方向位移進行分析，可以看出洞門四周的y 方向位移都偏小且數(shù)值較為接近，而洞門中心的y 方向位移最大且為-2.2mm，這是由于洞門破除時洞門四周的土體會受到附近加固區(qū)的約束，從而其y 方向的位移較小，而洞門中心受到的約束較小，所以其y 方向位移相對于洞門四周的y 方向位移偏大；分析z 方向位移可以發(fā)現(xiàn)洞門上側(cè)、左側(cè)、右側(cè)和中心的z 方向位移為向上隆起的位移，而洞門下側(cè)為向下沉降的位移，這是由于洞門破除時洞門后方的土體向洞門處涌出，涌出時會對四周產(chǎn)生作用力，從而導(dǎo)致洞門上側(cè)、左側(cè)、右

洞門x、y和z方向的位移（單位：mm） 表2

側(cè)和中心的z 方向位移為向上隆起的位移，洞門下側(cè)為向下沉降的位移，且處于同一水平線的洞門左側(cè)、右側(cè)和中心的z方向位移大小接近。隧道洞門破除時最大位移允許值為15mm[12]，洞門中心和四周的x、y 和z 方向的位移都遠小于最大位移允許值15mm，故三軸攪拌樁在縱向加固18m、橫向加固10.43m 的情況下，其在洞門位移上滿足規(guī)范要求。

4.3 地表位移分析

圖6 為洞門破除時地表監(jiān)測點的位移，其中2 號監(jiān)測點為洞門正上方地表0m 處的位移且大小為1.37mm，7 號監(jiān)測點為洞門正上方地表5m 處的位移且大小為1.29mm，12 號監(jiān)測點為洞門正上方地表10m 處的位移且大小為1.21mm，17 號監(jiān)測點為洞門正上方地表15m 處的位移且大小為1.18mm，22號監(jiān)測點為洞門正上方地表20m 處的位移且大小為0.88mm，23 號監(jiān)測點為洞門正上方地表25m 處的位移且大小為0.46mm。分析上圖及其數(shù)據(jù)可知，監(jiān)測點距洞口距離越大，其位移越小，且當(dāng)監(jiān)測點距洞口20m 以后其位移減小的幅度更大。洞門破除時，地表最大位移發(fā)生在洞門正上方的地表處即距洞口0m處，最大位移遠小于最大位移允許值15mm，故三軸攪拌樁在縱向加固18m、橫向加固10.43m 的情況下，其在地表位移上滿足規(guī)范要求。

圖6 地表監(jiān)測點位移（單位：m）

5 結(jié)論

①對蕪湖過江隧道始發(fā)端頭采用三軸攪拌樁加高壓旋噴樁加固時，加固區(qū)整體最大的應(yīng)力為z 方向壓應(yīng)力0.65MPa，小于加固區(qū)最大壓應(yīng)力允許值0.8MPa，三軸攪拌樁在縱向加固18m、橫向加固10.43m 的情況下，其在強度上滿足要求。

②對蕪湖過江隧道始發(fā)端頭采用三軸攪拌樁加高壓旋噴樁加固時，洞門中心和四周的x、y和z方向的最大位移為-2.2mm，遠小于最大位移允許值15mm，故三軸攪拌樁在縱向加固18m、橫向加固10.43m 的情況下，其在洞門位移上滿足規(guī)范要求。

③三軸攪拌樁和高壓旋噴樁加固盾構(gòu)隧道端頭可以顯著降低地表位移，能夠保證施工的安全性。