流塑状淤泥质地层盾构小半径始发加固范围研究

2020-07-20刘恒伏王有旗崔建强

四川建筑 2020年2期

刘恒伏，胡森，王有旗，崔建强，殷浩

(中铁二十五局集团第五工程有限公司，山东青岛 266000)

随着城市交通发展的需要，盾构法的掘进速度快，机械化程度高，施工安全可靠而广泛地运用在城市地铁修建当中。而盾构法施工的关键点之一就在于盾构始发，由于盾构区间地层较软，围岩自稳条件差，盾构始发过程中，容易引起地表沉降过大，始发井垮塌等重大安全事故，特别是在富水和流塑状地层，还容易引起渗流破坏，因此往往采取加固始发土体的方式处理盾构始发难题[1-2]。

而土体的加固范围作为土体加固的一大重要参数，近年来许多学者对其进行了研究。然而这些研究主要集中于普通的软岩地层[3-4]，对于流塑状淤泥质地层的始发加固研究还较少，因此本文基于深圳国际会展中心配套市政项目会展北站-会议中心站盾构项目为依托，对流塑状淤泥质地层始发加固范围进行研究，为相似地质条件工程提供了参考。

1 盾构小半径始发加固范围计算

1.1 案例工程概况

深圳地铁会展北站-会议中心站区间周边为待开发地块及填海空地，无重要建构筑物。地质状况属于深圳西南部滨海滩涂地貌，线路离海岸线较近，地表为杂填土，下部覆流塑状淤泥层，层厚较厚，分布较广，自稳能力较差，对施工存在一定的影响。区间平面最小曲线半径为R=350m，始发段处于小半径内，属于小半径始发，始发难度较大。结合工程实践和工程类比，采用割线始发将始发段“化曲为直”[5-6]，并采用双管旋喷桩加固。

施工采用两台φ6 280 mm复合式土压平衡盾构机，盾体长度约为8.5 m，盾构始发井井口的尺寸为11.5 m×7.5 m，井深约14 m。盾构始发段长度为100 m，始发段隧道埋深为13.4～13.6 m，地质参数见表1，始发基坑横断面如图1所示。

图1 始发基坑断面

1.2 计算理论分析

目前对于加固土体的计算主要分为横向计算和纵向计算两个步骤，再结合经验方法综合考量得出加固土体的范围。对于纵向加固范围，主要有弹性薄板理论和滑移失稳理论，分别对加固区进行的强度和稳定性计算。横向计算采用传统的土体扰动极限平衡理论。对于滨海滩涂区流塑状淤泥质地层，其加固范围的关键在于防止流塑状淤泥从洞口涌入始发井，从而导致地表沉降，甚至始发井垮塌的重大危险事故。因此在加固区的范围计算选取上需要特别注意。

1.3 案例工程计算

运用所建立的计算体系，始发段地质条件较差且地下水较多，因此采用几何准则的经验方法求盾构长度t1，采用简化板块理论计算t2，根据地质条件可知，采用黏性土的滑移理论计算t3，最终确定加固长度t和加固范围，计算结果见表2。

考虑工程实际操作，加固范围均按整数设计，因此加固范围为长11 m，上下左右宽为2 m的长方体。考虑到对填土的计算容重较小，以及工程类比，可以适当加宽加固范围，给出建议值为3 m[7]。

表1 地质参数

表2 计算结果 m

2 FLAC 3D数值模拟验证

根据根据圣维南原理，为满足既定边界条件，尽可减小边界效应带来的影响，有限元模型取为长×宽×高为47 m×84 m×44 m，建立模型如图2所示。上部边界为自由边界，下部边界取为固定边界，左右边界施加X方向水平约束，前后边界施加Y方向位移约束[8-9]。

图2 基坑开挖支护建立

始发井根据图2设计图建立采用弹性本构，地质参数按表1选取，采用摩尔库伦本构。管片采用混凝土强度为C50的标准管片拼装，注浆采用C25混凝土，基坑主体结构采用C35钢筋混凝土。按标准盾构施工过程模拟，掘进模拟过程中的安全指标：

(1)盾构在始发过程中，洞门打开，土体暴露，在盾构机还没有顶上加固土体之前，在此情况下暴露土体能否自稳将成为评价洞门打开过程中重要的安全评价指标。

(2)在盾尾脱出加固区后，由于土体刚度变化，可能引起盾首盾尾沉降差较大，产生“磕头”现象，因此需要进行验算。

(3)在盾构掘进中和掘进后，地面的沉降、拱顶沉降、洞内收敛也是重要的安全性评价指标，其值不得大于规范预警值。

洞门打开的安全性评价主要通过加固始发(图3)和无加固始发(图4)的对比，可以看出无加固始发情况下，洞门打开后土体向外滑动，发生较大的位移，地表发生大量沉降，计算难以收敛，可以推断无加固情况下，会发生破坏。在始发加固的情况下可以看出，开挖后整个地层受扰动小，洞门附近有一定变形，但变形仅为1 cm，且计算收敛，因此可以得出加固后洞门打开安全。