江玉生 江 華，2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院 北京 100083;2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100083)

始發(fā)與到達(dá)是盾構(gòu)法的主要施工工序之一，也是盾構(gòu)施工中最容易發(fā)生事故的環(huán)節(jié)。隨著盾構(gòu)直徑不斷增大及地層和環(huán)境條件越來越復(fù)雜，始發(fā)與到達(dá)施工過程中的塌方、透水等工程事故有不斷增多的趨勢(shì)，且多數(shù)事故與端頭加固模型使用不當(dāng)及縱向加固范圍不夠有關(guān)。目前，國內(nèi)外基于盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭土體縱向加固范圍的研究較多，主要基于強(qiáng)度理論推導(dǎo)端頭土體的縱向加固范圍，20世紀(jì)90年代，日本JET GROUT協(xié)會(huì)(JJGA)利用彈性薄板理論，將端頭土體受到的水土合壓力簡(jiǎn)化為均布荷載(見圖1)，研究了加固土體的應(yīng)力分布規(guī)律，獲得了縱向加固范圍計(jì)算公式。隨后，荷載簡(jiǎn)化模型被楊林德、張彌、張慶賀老師等引入中國，并得到了廣泛的應(yīng)用，但是既有模型是基于直徑為6 m或更小直徑的盾構(gòu)隧道提出的，是否適用于大直徑盾構(gòu)工程不得而知［1-7］。為了反映端頭土體的真實(shí)力學(xué)特征，江玉生、江華等在既有模型的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的端頭加固理論計(jì)算模型，給出了端頭土體縱向加固范圍，求解過程中(視為彈性范圍內(nèi))將端頭土體所受的梯形荷載等效為均布荷載和三角形反對(duì)稱荷載的疊加［8-9］，如圖2所示。

圖1 梯形荷載簡(jiǎn)化示意

圖2 梯形荷載等效示意

本文研究基于荷載簡(jiǎn)化模型(簡(jiǎn)稱既有模型)和改進(jìn)的梯形荷載等效模型(改進(jìn)模型)得出，對(duì)不同地層端頭土體的縱向加固范圍進(jìn)行計(jì)算及尺寸效應(yīng)分析;然后從強(qiáng)度、穩(wěn)定性及滲透性要求對(duì)北京地鐵14號(hào)線15標(biāo)東風(fēng)橋北路—將臺(tái)路(以下簡(jiǎn)稱“東—將”)區(qū)間大直徑土壓平衡盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭加固設(shè)計(jì)范圍進(jìn)行驗(yàn)算和評(píng)價(jià)，為將來類似地層大直徑盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭加固研究提供參考，具有重要的理論意義與工程價(jià)值。

1 端頭加固尺寸效應(yīng)分析

目前，我國常見的市政、電力隧道直徑為3 m，地鐵隧道直徑為6 m，隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了直徑分別為8、10和15 m的盾構(gòu)隧道，更大尺寸的盾構(gòu)正在研究中。參數(shù)選取時(shí)，假設(shè)埋深為15 m，加固土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.0 MPa，選取粉質(zhì)黏土、粉土、砂土、砂卵石4種地層，利用既有模型和改進(jìn)模型分別對(duì)直徑為3、6、8、10、15 m以及20 m的6種盾構(gòu)進(jìn)行端頭加固計(jì)算。地層參數(shù)如表1所示。

表1 不同地層物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)4種地層條件的縱向加固范圍進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比分析，得到一些規(guī)律。

1)當(dāng)盾構(gòu)直徑小于等于10 m時(shí)，兩種模型縱向加固長(zhǎng)度較為接近，均隨直徑緩慢增加;當(dāng)直徑超過10m后，改進(jìn)模型縱向加固長(zhǎng)度隨直徑增加的速率明顯大于既有模型，圖3所示為黏土地層縱向加固長(zhǎng)度隨著盾構(gòu)直徑變化的情況，其他土層變化規(guī)律基本一致，此處不再贅述。

2)當(dāng)盾構(gòu)直徑小于等于10 m時(shí)，兩種模型縱向加固長(zhǎng)度的差值和誤差隨盾構(gòu)直徑增加的速率較小;當(dāng)盾構(gòu)直徑大于10 m后，兩種模型縱向加固長(zhǎng)度的差值及誤差較大，且隨盾構(gòu)直徑增加的速率較大，直徑越大，速率越大，如圖4和圖5所示。

北京地鐵14號(hào)線采用單洞雙線的模式，在北京地下隧道修建過程中首次引入了外徑為10.22 m的土壓平衡式盾構(gòu)，相比既有開挖直徑為6.25～6.28 m的盾構(gòu)，在尺寸上有了較大的變化。然而，從小盾構(gòu)到大盾構(gòu)，并不單純意味著直徑增加，尺寸的變化可能會(huì)引發(fā)應(yīng)力、位移等相關(guān)參數(shù)的尺寸效應(yīng)問題，既有小尺寸盾構(gòu)的盾構(gòu)理論計(jì)算方法可能無法適應(yīng)大直徑盾構(gòu)的要求，盲目使用可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的工程事故，造成無法估量的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響?；谛屡f兩種模型對(duì)端頭加固范圍的統(tǒng)計(jì)計(jì)算可知，直徑10 m是一個(gè)明顯的分界線，可將直徑小于10 m的盾構(gòu)稱為“小盾構(gòu)”;直徑大于10 m的盾構(gòu)稱為“大盾構(gòu)”，顯然“大盾構(gòu)”在端頭加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用改進(jìn)的理論模型更為合理和安全。北京地鐵14號(hào)線15標(biāo)“東—將”區(qū)間隧道開挖所采用的盾構(gòu)顯然處于“大直徑盾構(gòu)”的范疇。

圖3 黏土地層縱向加固范圍隨盾構(gòu)直徑變化

圖4 不同地層縱向加固范圍差值曲線

圖5 不同地層縱向加固范圍誤差曲線

2 “東—將”區(qū)間大盾構(gòu)端頭加固方案

2.1 工程概況

北京地鐵14號(hào)線15標(biāo)“東—將”區(qū)間，盾構(gòu)從東風(fēng)北橋站始發(fā)，至將臺(tái)站接收，全長(zhǎng)約1293.88 m。東風(fēng)北橋始發(fā)端頭隧道埋深約10.0 m，端頭處隧道開挖斷面范圍內(nèi)主要為粉土和粉質(zhì)黏土，隧道頂板及底板區(qū)域分布有一層粉細(xì)砂;將臺(tái)路站到達(dá)端頭隧道埋深約15.8 m，隧道開挖范圍內(nèi)主要為粉土和粉質(zhì)黏土，隧道中部區(qū)域分布有一層粉細(xì)砂;始發(fā)與到達(dá)端頭地下水位均位于隧道頂板以上。

2.2 端頭加固范圍

盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭土體采用注漿等輔助措施進(jìn)行端頭土體加固，為確保始發(fā)與到達(dá)端頭的安全，加固后端頭土體應(yīng)有良好的均勻性和自立性，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.0 ～1.2 MPa，滲透系數(shù)小于 10－5cm/s。始發(fā)端頭加固范圍是:縱向8.5 m，橫向?yàn)槎纯谏舷伦笥腋?.0 m;到達(dá)端頭加固范圍是:縱向13.0 m，橫向?yàn)槎纯谏舷伦笥腋?.0 m，詳細(xì)的端頭加固方案如圖6所示。

3 端頭加固范圍的可行性分析

3.1 端頭加固范圍的強(qiáng)度分析

由尺寸效應(yīng)分析結(jié)果可知，北京地鐵14號(hào)線“東—將”區(qū)間采用的盾構(gòu)為“大盾構(gòu)”，應(yīng)采用改進(jìn)的強(qiáng)度理論模型進(jìn)行端頭加固范圍的計(jì)算。假設(shè)端頭土體加固的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.0 MPa，由計(jì)算結(jié)果可知，東風(fēng)北橋站始發(fā)端頭縱向加固長(zhǎng)度為7.1 m，將臺(tái)站接收端頭縱向加固范圍為8.0 m，結(jié)果表明，端頭加固縱向設(shè)計(jì)范圍均能滿足強(qiáng)度的要求。

圖6 盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭加固平面圖

3.2 端頭加固范圍的穩(wěn)定性分析

盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)施工時(shí)，破除洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)掌子面土體完全暴露后，端頭土體在地面超載、隧道上覆土體和側(cè)向水土壓力的共同作用下，可能沿著某個(gè)滑移面從開挖面向盾構(gòu)工作井內(nèi)滑動(dòng)，發(fā)生滑移失穩(wěn)破壞。東風(fēng)北橋站和將臺(tái)路站始發(fā)與到達(dá)端頭地層土體主要為粉質(zhì)黏土，因此基于黏土的滑移失穩(wěn)理論假定滑動(dòng)面以O(shè)頂點(diǎn)為圓心，洞徑D為半徑的圓弧面，如圖7所示。假設(shè)抗滑力矩完全由土體黏聚力提供，則由土體的平衡條件可知KM=Md，則

圖7 黏土的滑動(dòng)模型

式中，M為滑動(dòng)力矩，kN·m;Md為抗滑力矩，kN·m;Δc為改良后土體增加的黏聚力，kN;K為抗滑安全系數(shù)，θ為加固土體與滑移面的夾角。

由圖3的幾何條件可知，滿足穩(wěn)定性要求的縱向加固范圍為

假設(shè)加固土體的抗滑安全系數(shù)為1.3，將始發(fā)與到達(dá)端頭地層的計(jì)算參數(shù)代入上述(1)(2)兩式，求得滿足穩(wěn)定性要求的始發(fā)端頭土體縱向加固范圍為6.4 m，到達(dá)端頭土體的縱向范圍為7.8 m，結(jié)果表明始發(fā)與到達(dá)端頭土體縱向設(shè)計(jì)范圍均能滿足穩(wěn)定性要求。

3.3 端頭加固范圍的滲透性分析

當(dāng)?shù)貙又械叵滤S富且壓力較大時(shí)，端頭加固范圍不僅要滿足強(qiáng)度與穩(wěn)定性的基本要求，根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)的構(gòu)造特征，還必須滿足堵水(滲透性)的要求。特別對(duì)于端頭地層有水有砂有壓力的情況，當(dāng)端頭縱向加固范圍過短時(shí)，地層中地下水和砂可能沿著盾殼與地層之間的縫隙進(jìn)入盾構(gòu)工作井(見圖8)，造成涌水涌砂、地表沉降過大、塌方等工程事故?？紤]到盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)施工的安全，端頭土體的縱向加固長(zhǎng)度應(yīng)大于盾構(gòu)主機(jī)的長(zhǎng)度，且當(dāng)?shù)貙訅毫^大時(shí)，在保證端頭加固效果的前提下，合理的端頭土體的縱向加固范圍應(yīng)如圖9所示，為

式中，B為管片的寬度，m。

圖8 過短的縱向加固范圍

圖9 合理的縱向加固范圍

北京地鐵14號(hào)線15標(biāo)“東—將”區(qū)間選用的土壓平衡盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)約為11.5 m，由2.1節(jié)的工程概況可知，始發(fā)與到達(dá)端頭地層中均存在砂層，且隧道頂板以上分布有承壓水，端頭地層為有水有砂有壓力的情況，對(duì)盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)特別不利。由2.2節(jié)始發(fā)與到達(dá)端頭縱向加固范圍的設(shè)計(jì)方案可知，始發(fā)端頭縱向加固范圍為8.5 m，雖然同時(shí)滿足了強(qiáng)度與穩(wěn)定性的要求，但是無法滿足滲透性的要求，容易出現(xiàn)涌水、涌砂導(dǎo)致淹井的情況，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生端頭加固失效，端頭塌陷等工程事故;到達(dá)端頭縱向加固范圍為13 m，滿足了縱向加固范圍大于主機(jī)長(zhǎng)度的要求，但安全儲(chǔ)備不夠，當(dāng)端頭加固效果不理想，地層壓力加大時(shí)，仍有可能出現(xiàn)事故。因此，為了確保盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)安全，降低風(fēng)險(xiǎn)，需修改端頭加固設(shè)計(jì)方案，加大縱向加固范圍，使其滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性及滲透性要求。

4 結(jié)論

1)大直徑土壓平衡盾構(gòu)端頭土體的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律不同于小直徑盾構(gòu)，存在尺寸效應(yīng)問題，原有基于小盾構(gòu)提出的端頭加固理論與方法，應(yīng)用到大盾構(gòu)端頭加固設(shè)計(jì)存在較大的誤差。

2)基于既有模型和改進(jìn)模型的結(jié)算結(jié)果將直徑10 m作為大小盾構(gòu)的分界線，北京地鐵14號(hào)線15標(biāo)所采用的土壓平衡盾構(gòu)屬于大盾構(gòu)的范疇，采用改進(jìn)的強(qiáng)度理論模型進(jìn)行端頭加固設(shè)計(jì)更為合理。

3)北京地鐵14號(hào)線15標(biāo)“東—將”區(qū)間始發(fā)與到達(dá)端頭土體設(shè)計(jì)方案中的縱向加固范圍均只滿足了強(qiáng)度與穩(wěn)定性的要求，不滿足滲透性的要求。由于端頭地層屬于有水有砂有壓力的不利地層，滲透性無法滿足可能會(huì)發(fā)生由涌砂、涌砂引發(fā)的工程事故，因此必須對(duì)端頭加固方案進(jìn)行修改，使其同時(shí)滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性及滲透性的要求。

［1］蔣洪勝，侯學(xué)淵.盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)隧道周圍土層擾動(dòng)的理論與實(shí)測(cè)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，9(9):1514-1520.

［2］趙峻，戴海蛟.盾構(gòu)法隧道軟土地層盾構(gòu)進(jìn)出洞施工技術(shù)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(2):5147-5152.

［3］李大勇，王暉，王騰.盾構(gòu)機(jī)始發(fā)與到達(dá)端頭土體加固分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2006，1(2):87-90.

［4］張慶賀，唐益群，楊林德.隧道建設(shè)盾構(gòu)進(jìn)出洞施工技術(shù)研究［J］.地下空間，1994，14(2):110-119.

［5］韋良文.泥水盾構(gòu)隧道施工土體穩(wěn)定性分析與實(shí)驗(yàn)研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2007.

［6］吳韜，韋良文，張慶賀.大型盾構(gòu)出洞區(qū)加固土體穩(wěn)定性研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，4(3):447-482.

［7］施仲衡.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

［8］江玉生，王春河，江華，等.盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭加固理論研究與工程實(shí)踐［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［9］羅富榮，江玉生，江華.基于強(qiáng)度與穩(wěn)定性的端頭加固理論模型及敏感性分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011，19(3):364-369.