劉永茂

（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京101199）

1 工程概況

新建鐵路橫琴至珠海機場段HJZQ-2 標盾構隧道施工里程為DK35+550～DK37+700，雙洞單行線，單線長2150m。隧道頂部埋深為5.4～16m，屬于淺埋隧道。隧道內凈空8.0m，管片厚度400mm，管片寬度1.8m，采用復合式土壓平衡盾構，材料采用C50 預制鋼筋混凝土通用楔形環(huán)管片，抗?jié)B等級P12。

2 盾構掘進參數(shù)影響數(shù)值模似

2.1 基本假設

建模工具選用的是業(yè)內主流的FLAC3D 有限元軟件，基于已經(jīng)掌握的參數(shù)，建立盾構掘進三維模型。為了有針對性地分析盾構掘進參數(shù)帶來的影響，此處做出如下假設：

其一，將每六環(huán)管片視為一個整體，對剛度做折減處理。

其二，按半結構組織計算，以減少計算工作量。

其三，盾尾注漿部分，用等代層進行模擬。

其四，對盾構機做簡化處理，視為具有大剛度特性的鋼筒。

其五，隨施工時間的推移，盾尾注漿強度的變化可被視為幾段折線。

其六，盾尾千斤頂上、下頂進力差的線性分布。

2.2 模型尺寸的設定與邊界條件

隧道開挖會擾動圍巖，導致其出現(xiàn)不同程度的失穩(wěn)現(xiàn)象，該施工造成的影響范圍可以達到隧道直徑的3～5 倍。根據(jù)此特點，將模型尺寸設為模擬尺寸。在部分地段的施工中，盾構機有較為明顯的上浮現(xiàn)象，設備在該部分的埋深約為14m，由此，建模時埋深應按14m 予以考慮。模型兩側施加水平位移約束，底部則為豎向位移約束。

2.3 計算參數(shù)

為了高效計算以及準確分析計算結果，應確定管片襯砌及注漿層的各項關鍵參數(shù)，具體如表1所示。

表1 管片襯砌及注漿層的關鍵參數(shù)

2.4 盾構掘進過程的動態(tài)化模擬

模擬工作采用改變材料參數(shù)的方法進行，考慮多種條件，以更加直觀的方式分析盾構掘進的情況，以便靈活模擬以及分析。在建模初期，先設定管片及注漿等材料的參數(shù)，而后有針對性地改變材料的參數(shù)。加強對盾尾脫出距離的監(jiān)測，先施加開挖面的注漿壓力和徑向注漿壓力，而后施加頂進反力，待盾尾脫出距離達到特定值后，即可激活管片襯砌與注漿單元，開始下一步掘進。模擬工作中，總掘進量為48m，每步掘進量為3m。

3 數(shù)值模擬結果分析

初始工況為頂進力25000kN、注漿壓力0.26MPa、埋深14m，基于此條件進行模擬，分別探討各變量對隧道掘進造成的影響。各項分析因素及控制變量，如表2所示。

表2 分析因素及控制變量

3.1 盾尾管片注漿時間對盾構掘進的影響

3.1.1 各釋放步數(shù)與管片位移情況

其一，無論釋放步數(shù)如何，隧道底部均會隆起；頂?shù)撞康奈灰屏烤哂袆討B(tài)變化特征，即隨著釋放步數(shù)的增加而加大。各階段的變化不同，其中以0～40 步時體現(xiàn)得更為明顯。由此看來，在飽和軟土地層這一特殊的地質條件下施工時，有必要采取注漿的方法，依托漿液的固結作用，達到控制位移的效果。

其二，超過150 步時，隨著釋放步數(shù)的增加，對控制管片的上浮有積極作用，但這并不意味著釋放步數(shù)越大越好。這主要是因為當釋放步數(shù)較大時，顯現(xiàn)出了更明顯的地表沉降及管片位移現(xiàn)象，且此時的控制難度明顯加大。為了突破該局限性，應采取注漿措施，如圖1。

圖1 各釋放步數(shù)與隧道管片位移的關系

3.1.2 通過對各釋放步數(shù)下的隧道地表沉降情況

其一，釋放步數(shù)由0 步增至80 步時，最大位移增量約45mm，需要根據(jù)實際施工情況及時注漿，盡可能保證地表的穩(wěn)定性，以免該處發(fā)生大幅沉降。其二，由80 步增至150 步時，地表沉降變化量約為3.2mm；超過100 步后，無論是隧頂還是隧底都會收斂，此時隧道已經(jīng)進入相對穩(wěn)定的階段，而這是沉降變化相對較小的原因。其三，無論釋放步數(shù)如何，對沉降槽寬度的影響均較小。

3.2 上、下頂進力差對盾構掘進的影響

盾構掘進時，應以監(jiān)測的盾構機姿態(tài)為準，靈活調整上、下頂進力差，以達到盾構糾偏的效果。由于軟土地層的地質條件特殊，盾構機在該環(huán)境下運行時，對推力反應較為敏感，容易出現(xiàn)盾構偏差[1]。為此，應加強對上、下頂進力差的控制，保證該值的合理性。遇到偏軟、埋深較淺的地層時，由于推力小，可能會出現(xiàn)盾構機栽頭的情況。為確保盾構機姿態(tài)的合理性，需要嚴格控制上、下頂進力差，部分情況下該值需達到5000kN，否則盾構機運行過程中極易栽頭。

3.2.1 上、下頂進力差形成的彎矩對管片位移的影響

其一，隧頂沉降、隧底隆起均容易受上、下頂進力差的影響，且二者均呈現(xiàn)線性上升的變化特征。其二，彎矩變化時，對應的管片上浮量也會隨之改變。當彎矩從1000kN·m 增加至7000kN·m 時，管片上浮量由100mm 減至80mm。根據(jù)此變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，增加上、下頂進力差，更有利于對管片上浮的現(xiàn)象進行控制；當彎矩在6000kN·m 以上時，管片上浮量約為0.2mm，此時雖然彎矩仍為影響因素，但已經(jīng)不會對管片上浮量造成明顯影響，如圖2。其三，根據(jù)上述分析可知，加大上、下頂進力差更有利于控制管片上浮。但也需注意，不宜過度地增加該值，否則可能會使管片間產(chǎn)生差異性位移，嚴重時會出現(xiàn)較大幅度的管片錯臺現(xiàn)象。因此，需要遵循適中原則，合理控制上、下頂進力差值，在3000～5000kN 較為合適。

圖2 上、下頂進力差形成的彎矩對管片位移的影響

3.2.2 上、下頂進力差形成的彎矩對地表沉降的影響

其一，在增加上、下頂進力差后，地表最大沉降減小，沉降槽的寬度約為6.5m，未見明顯的變化。其二，在增加上、下頂進力差后，沉降槽兩側隆起，且隆起幅度超過沉降幅度。

3.3 管片注漿壓力對盾構掘進的影響

盾構掘進施工過程中，盾尾處可能存在空隙，應用注漿的方法對該部分做填補處理，使圍巖與管片穩(wěn)定結合，同時使周邊土體得到有效支撐，有助于減小地表沉降[2]。

3.3.1 管片注漿壓力與管片位移的關系

其一，在加大管片注漿壓力后，隧頂沉降、隧底隆起的情況均得到有效控制，且兩部分的穩(wěn)定性較好。

其二，隧道在土體中的上浮受多方面因素的影響，其中，管片注漿壓力的改變?yōu)殛P鍵因素。具體來說，當注漿壓力從0.1MPa 增至0.2MPa 后，管片雖有上浮，但程度相對輕微；當注漿壓力大于0.2MPa 后，管片上浮量會隨注漿壓力的增加而增加，且呈線性變化，管片上浮的最小值約為113mm，如圖3?？紤]到隧道安全施工的要求，應減少管片上浮量和地表沉降量，為此需要立足于實際的施工條件，靈活調整注漿壓力，注漿壓力應控制在0.2～0.3MPa 為宜。

圖3 管片注漿壓力對管片位移的影響

3.3.2 不同管片的注漿壓力所對應的隧道橫向沉降情況分析

其一，在地表沉降的控制工作中，對管片注漿壓力的控制是重點。為此，首先需要分析注漿壓力對管片位移的影響機制，然后采取有效的控制措施。從地表沉降最大值來看，注漿壓力由0.1MPa 增至0.4MPa時，該值由113.5mm 增至148.3mm。

其二，管片注漿壓力并不會對沉降槽寬度造成明顯影響，因而依然需要考慮的是注漿壓力由0.1MPa增至0.4MPa 的條件，在這一條件下，沉降槽寬度會由原本的9.3mm 減至6.5mm。

3.4 隧道埋深對盾構掘進的影響

3.4.1 隧道埋深對管片位移的影響

其一，當隧道埋深增加時，隧頂沉降、隧底隆起的幅度均會增加（此處考慮的是5.4～14m 的隧道埋深）；后續(xù)，若隧道埋深超過14m，此時隧道頂、底部則基本穩(wěn)定，埋深對其造成的影響微乎其微。為此，在施工中需要加強對隧道埋深的控制。其二，隧道埋深超過14m 時，無論是隧頂沉降、隧底隆起幅度，還是管片上浮程度，均可以維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，不存在明顯的變化；當隧道埋深在14m 以內時，隨著埋深值的減小，管片的上浮量會增加，且呈線性變化。在各項影響地表沉降的因素中，隧道埋深是重要因素，應予以有效控制。從影響機制來看，當隧道埋深從5m 增至12.5m 時，地表隆起由22.5mm 變?yōu)?78.5mm；以12.5m 為分界點，當隧道埋深超過該值后，地表沉降曲線基本穩(wěn)定，如圖4?？梢姡淼缆裆钜?2.5m為宜。

圖4 隧道埋深對管片位移的影響

3.5 頂進力對盾構掘進的影響

盾構掘進時，需根據(jù)實際情況合理操作千斤頂，施加壓力至泥土倉內，從而平衡掌子面的水、土壓力，以免因受力不合理而造成問題。頂進力對隧道管片位移的影響分析如下：其一，頂進力從8000kN 增至14000kN 時，隧底隆起幅度基本維持原有狀態(tài)，未見明顯的變化，且隧頂沉降從89.3mm 減至73.6mm。由此可見，若要有效控制隧頂位移，則必須加強對頂進力的調整。其二，隨著頂進力的增加，管片上浮量會呈線性變化。通常，每增加1000kN 的頂進力，對應的管片上浮量將增加6mm 左右。

4 盾構掘進施工現(xiàn)場實際情況的分析

基于上述內容做進一步的分析。根據(jù)土倉壓力的監(jiān)測結果可知，該值與理論值基本相同，同時地表沉降現(xiàn)象得到有效控制。在注漿施工方面，壓力穩(wěn)定在0.25～0.33MPa，注漿量為14m3。盾構至175～368環(huán)時的豎直姿態(tài)曲線，如圖5所示；掘進環(huán)數(shù)對上、下頂進力差的影響，如圖6所示。

圖5 盾構機豎直姿態(tài)曲線（175～368 環(huán)）

圖6 掘進環(huán)數(shù)對上、下頂進力差的影響

根據(jù)數(shù)值模擬結果，建議在施工中采取嚴格的控制措施。實際結果顯示，管片上浮量在31mm 以內，地表沉降量在42mm 以內，兩方面均得到了有效控制，表明數(shù)值模擬結果具有合理性。

5 結論

第一，注漿壓力以及釋放步數(shù)改變后，均存在隧道上浮的現(xiàn)象。施工中，建議合理調整盾構掘進軸線，最好適當?shù)陀谠O計中線，從而有效控制隧道軸線的偏差。第二，盾構掘進時，多項因素均會對管片上浮造成影響，其中最為顯著的當屬上、下頂力差和管片注漿壓力，施工中需要加強對二者的控制，保證各自的合理性；此外，盾尾管片注漿時間、隧道埋深與頂進力也是需要考慮的對象，雖然不會對管片上浮造成過于顯著的影響，但也需得到有效控制。第三，對地表沉降造成影響的關鍵因素在于隧道埋深、管片注漿壓力、盾尾管片注漿時間，上、下頂進力差為次要因素；在各項影響沉降槽寬度的因素中，需要重點關注管片沉降壓力和上、下頂進力差。第四，綜合考慮數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場情況，以合理的方法組織施工，建議如下：注漿壓力在0.2～0.3MPa 之間；適當加大埋深；頂進力以9500kN 較為合適；在預防管片上浮的問題上，較為關鍵的手段是加強對上、下頂進力差的精細化調整，保證該值的合理性，具體的調整區(qū)間宜控制在3000～5000kN。