趙銳

（中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

最近幾年，新加坡對(duì)越江盾構(gòu)進(jìn)隧道以及地鐵的需求越來(lái)越多，在實(shí)際的工程建設(shè)當(dāng)中大直徑盾構(gòu)應(yīng)用較為廣泛。但是加大直徑，會(huì)使管片外圈空隙變大，增大砂漿填充量，管片脫落之后，減少拼裝體的單位容量，會(huì)因?yàn)闈{液以及地層的作用而加大浮力，讓盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上浮的情況。有相關(guān)數(shù)據(jù)說(shuō)明，在軟土地層中對(duì)越江隧道進(jìn)行施工，更容易出現(xiàn)管片脫落上浮、盾構(gòu)上移的情況。最主要的是在安裝48h內(nèi)有70%發(fā)生管片上浮，因此，對(duì)軟弱地層大直徑盾構(gòu)隧道抗浮以及相應(yīng)解決措施的研究非常有必要。

1 盾構(gòu)隧道工程概況

本項(xiàng)目為新加坡跨島線(xiàn)某標(biāo)段，是單洞雙線(xiàn)鐵路隧道，起止里程59+472～62+511，全長(zhǎng)3039m。其中盾構(gòu)段2769m（579m+2190m）。盾構(gòu)從空軍基地東側(cè)始發(fā)井始發(fā)（標(biāo)段終點(diǎn)），隧道下穿空軍基地、敏感建筑物、出租車(chē)道、河床、淡濱尼路、高速公路、高架橋、石龍崗運(yùn)河、LTA馬路后從CR111標(biāo)段接收井處接收（標(biāo)段起點(diǎn)）。

隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，579m盾構(gòu)段隧道上部處于加冷組地質(zhì)區(qū)域，下部處于“老沖基層（Old alluvium）”的地質(zhì)區(qū)域；2190m盾構(gòu)段全斷面處于“老沖基層”的地質(zhì)區(qū)域。本標(biāo)段盾構(gòu)隧道工程計(jì)劃采用1臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。盾構(gòu)從空軍基地東側(cè)始發(fā)井始發(fā)，掘進(jìn)2190m后于空軍基地西側(cè)明挖段工作井接收，整機(jī)拖拽118m后二次始發(fā)，掘進(jìn)579m后從CR111標(biāo)段接收井處接收。盾構(gòu)隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖，開(kāi)挖出的渣土通過(guò)連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)輸至渣土處理場(chǎng)。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，管片與地層之間的環(huán)形間隙采用雙液同步注漿回填。掘進(jìn)完2m（1環(huán)）后在盾尾內(nèi)拼裝管片。盾構(gòu)隧道采用管片錯(cuò)縫拼裝，采用斜螺栓連接。管片接縫采用彈性密封墊防水。盾構(gòu)機(jī)在工作井進(jìn)行始發(fā)，試掘進(jìn)50環(huán)后，進(jìn)入正常掘進(jìn)階段。盾構(gòu)施工全過(guò)程堅(jiān)持監(jiān)控量測(cè)跟蹤，實(shí)施信息化施工，以控制地層變形和確保安全。

場(chǎng)地為軟土地層，南岸與北岸的地基是淤泥層，非常軟弱的淤泥層達(dá)到了50m的深度，這對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的難度。為了使管片不出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)的情況，需要加固軟土。盾構(gòu)拱頂以上3m為加固的范圍，兩側(cè)2.8m，底部不能低于1m，摻加的水泥量為20%。本文主要對(duì)軟弱淤泥密集的水域區(qū)進(jìn)行研究，選覆土厚度最小的斷面模擬。該盾構(gòu)結(jié)構(gòu)主要在全風(fēng)化砂巖、碎石質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏土以及淤泥中進(jìn)行掘進(jìn)，土層主要特性如表1所示。

表1 土層特性指標(biāo)

2 盾構(gòu)施工配套方案

2.1 本工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的方案分析

盾構(gòu)隧道579m盾構(gòu)段隧道上部處于加冷組地質(zhì)區(qū)域，下部處于“老沖基層”的地質(zhì)區(qū)域；2190m盾構(gòu)段全斷面處于“老沖基層”的地質(zhì)區(qū)域。地質(zhì)較為堅(jiān)硬，場(chǎng)地廣泛分布，工程性質(zhì)較差。新加坡地處熱帶，長(zhǎng)年受赤道低壓帶控制，為赤道多雨氣候，氣溫年溫差和日溫差小。平均溫度在23～34℃之間，年均降雨量在2400mm左右，濕度介于65%～90%之間。每年11月至次年1～3月左右為雨季，受較潮濕的東北季候風(fēng)影響，天氣不穩(wěn)定，通常在下午會(huì)有雷陣雨，平均低溫在24～25℃左右。

2.2 盾構(gòu)選型依據(jù)及選型原則

盾構(gòu)機(jī)的選型是盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響盾構(gòu)隧道的施工方法、工藝及施工成本，為了保證工程的順利完成，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的選型工作應(yīng)非常慎重。

盾構(gòu)選型主要依據(jù)工程招標(biāo)文件、工程勘察報(bào)告、隧道設(shè)計(jì)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，針對(duì)工程特點(diǎn)及難點(diǎn)、隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、盾構(gòu)施工工藝、進(jìn)度要求等因素進(jìn)行分析，對(duì)盾構(gòu)類(lèi)型、功能要求、主要技術(shù)參數(shù)、輔助設(shè)備的配置等進(jìn)行研究。盾構(gòu)機(jī)選型原則主要從安全性、可靠性、適用性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，所選擇的機(jī)型要能盡量減少輔助施工法，并能確保開(kāi)挖面穩(wěn)定和適應(yīng)本標(biāo)段工程的地質(zhì)條件。

2.3 盾構(gòu)機(jī)類(lèi)型

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在穩(wěn)定開(kāi)挖面、適應(yīng)地質(zhì)條件、抵抗水壓、壓力波動(dòng)敏感程度、控制地表沉降、渣土處理、施工場(chǎng)地、工程成本等方面都有較大差異，各有其獨(dú)特的適應(yīng)性。

3 建立模型

本文采取PLAXIS 3D建立有限元模型。該模型長(zhǎng)和高分別為6D與3.4D（D為管片外徑），垂直隧道截面的厚度為1m，截面上覆土厚為10m，地下水位埋深0m，底部設(shè)置的有固定約束，四周有法向位移約束。假設(shè)加固范圍是1個(gè)環(huán)形，把加固土層當(dāng)做襯砌，主要的作用是為了減少因上浮造成的局部變形，從而減少擾動(dòng)周邊的土體程度，開(kāi)挖區(qū)是盾尾間隙注漿液外徑以?xún)?nèi)的區(qū)域。

隧道上浮在模擬的過(guò)程當(dāng)中，涉及管片結(jié)構(gòu)作用，土體與漿液的復(fù)雜作用，對(duì)該模型進(jìn)行假設(shè)，把管片上浮作為平面，管片為均值圓環(huán)，滲流耦合的影響不進(jìn)行考慮，漿液等效為等代層。

數(shù)值模擬如下，建立的淤泥地層模型要與實(shí)際工程相符，軟基預(yù)加固處理，在開(kāi)挖面之外生成加固土，對(duì)隧道進(jìn)行開(kāi)挖，在內(nèi)部對(duì)漿液與管片進(jìn)行布置，以此來(lái)釋放開(kāi)挖面土體應(yīng)力，模擬開(kāi)挖引起周?chē)馏w回彈，在管片外表面漿液上浮力均勻地分布，模擬管片脫離被漿液包圍，上覆土體受到管片整體上浮的擠壓。

數(shù)值模擬的關(guān)鍵是要采取合適的計(jì)算參數(shù)與本構(gòu)模型，采用線(xiàn)彈性模型作為混凝土襯砌管片結(jié)構(gòu)，采用摩爾—庫(kù)倫模型作為漿液與加固土，參數(shù)如下表2所示。

表2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

對(duì)軟土層采取小應(yīng)變模型來(lái)模擬，該模型能夠反映對(duì)軟土層壓縮和剪切模量在小應(yīng)變范圍的變化。本文對(duì)周?chē)恋丶庸毯穸确謩e取值為0D～0.30D。

4 分析模擬結(jié)果

4.1 加固厚度對(duì)抗浮的發(fā)展規(guī)律分析

土體因上浮力作用下的位移計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 土體上浮力作用下的位移模型

該模型主要考慮隧道超挖引起周?chē)馏w的卸載回彈力q1和漿液浮力對(duì)周?chē)馏w的擠壓q2，兩部分作用，引起的土體豎向位移v1與v2分別為：

在上述公式中，F(xiàn)表示漿液上浮力，γ表示土體浮重度，W表示管片自重，α表示管片任意位置dA和隧道圓心連線(xiàn)水平方向的夾角，θ表示管片環(huán)向壓力和豎向軸線(xiàn)的夾角，μ表示土體剪切模量，R表示隧道外半徑，h表示地面與隧道中心的豎直距離，y表示垂直與地面的距離，x表示與隧道軸線(xiàn)水平的距離。

隧道兩側(cè)的土體會(huì)隨著加大隧道距離而減少豎向位移，與隧道豎向軸線(xiàn)相距2D處的豎向位移為0，根據(jù)公式（1）與公式（2）對(duì)河底土體上浮量進(jìn)行計(jì)算，最大為33.2m。模擬結(jié)果與解析只有2.8mm的相差量，曲線(xiàn)形狀較為一致，由此對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

土體豎向位移經(jīng)過(guò)加固處理之后往隧道方向進(jìn)行收縮，這說(shuō)明隨著增加加固的厚度，會(huì)減少隧道周?chē)馏w豎向擾動(dòng)范圍。另外，隧道兩側(cè)豎向擾動(dòng)范圍除了加固厚度為0.30D之前，都要大于沒(méi)有加固的情況。這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)加固之后，改良后的土密度要比天然的土體大，最終會(huì)增大隧道兩側(cè)土體的豎向變形量，但也會(huì)對(duì)局部的隧道變形風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行消除。

4.2 合理加固厚度

通過(guò)隧道上浮量和等效土層加固厚度t之間能夠看出，隧道上方的土體比下方的土體上浮要嚴(yán)重。增加加固的厚度，會(huì)減小隧道的上浮量，隧道上浮量在0.30D厚度時(shí)只有17.7mm。

通過(guò)對(duì)管片接頭錯(cuò)臺(tái)量和隧道上浮量進(jìn)行研究得出，管片接頭偏差≤5mm時(shí)，隧道上浮量≥30mm，偏差符合要求。當(dāng)為0.20D的加固厚度時(shí)，上浮量在30mm以?xún)?nèi)，可以避免出現(xiàn)管片接頭錯(cuò)臺(tái)。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)模擬土體位移在沒(méi)有對(duì)軟土層進(jìn)行加固時(shí)，其和理論推導(dǎo)相符，上浮量?jī)烧咧g最大只有2.8mm的偏差。加固改良軟土層之后，能夠讓隧道整體抗浮，在0.10D加固厚度時(shí)，相比沒(méi)有加固隧道與河底上浮量分別減少了35.3%與31.7%，而且隨著對(duì)加固厚度進(jìn)行增加，地層受擾動(dòng)區(qū)域和上浮量會(huì)逐漸減小。隧道環(huán)向在0.20D以上的加固厚度時(shí)，管片計(jì)算得到的上浮量≤30mm，河底土體上浮量≤20mm，根據(jù)管片接頭錯(cuò)臺(tái)和隧道上浮量之間的關(guān)系，接頭的偏差≤5mm，能夠滿(mǎn)足要求。