任躍勤

【摘 要】盾構(gòu)隧道開挖面不穩(wěn)將會引起地面塌陷，盡管采用諸如地表注漿加固能夠保證盾構(gòu)掘進，但施工工序煩瑣、材料浪費嚴(yán)重、掘進效率低下，為了穩(wěn)定盾構(gòu)隧道開挖面、提高掘進效率，研究了超前預(yù)加固對富水砂卵石地層盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：采用玻璃纖維注漿錨桿預(yù)加固開挖面前方圍巖，能明顯提高開挖面前方圍巖強度，增強盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性。研究成果具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

【Abstract】The instability of shield tunnel face will cause ground surface collapse. Despite the use of such as surface grouting reinforcement can ensure the shield tunnel face， it is not used widely because of the complicated construction process， material waste and low efficiency. In order to stabilize the shield tunnel face， the advance reinforcement is studied to use for shield tunnel face stability in water rich sand and gravel. The results show that the glass fiber reinforcement grouting anchor in front of the excavation face surrounding rock， can significantly improve the strength of surrounding rock excavation in front， increasing the face stability of shield tunnel. The research results have important theoretical significance and application value.

【關(guān)鍵詞】超前預(yù)加固；砂卵石地層；盾構(gòu)開挖面；穩(wěn)定性

【Keywords】advance reinforcement； sandy cobble stratum； shield excavation surface； stability

【中圖分類號】U455 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）12-0164-04

1 引言

近年來，我國城市地鐵建設(shè)快速發(fā)展，地鐵工程取得了長足進步，各個大中型城市，地鐵已經(jīng)成為最重要的交通工具。但是城市地鐵設(shè)計、施工質(zhì)量安全問題也日趨顯著，地鐵施工事故頻發(fā)，僅在2001-2016年期間，國內(nèi)隧道施工重大安全事故200多起，其中盾構(gòu)隧道開挖面塌方事故占49%以上，死亡300多人，經(jīng)濟損失超過10億元，嚴(yán)重的事故危害已經(jīng)引起了社會各界的高度重視。盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定已成為地下工程迫切需要解決的重要難題。

為保證我國城市地鐵盾構(gòu)隧道施工安全，保證開挖面穩(wěn)定，盾構(gòu)機掘進前多采用地表注漿法，這些方法最典型特點是工序煩瑣、材料浪費嚴(yán)重、掘進效率低，無法提高隧道施工的機械化水平，更無法實現(xiàn)隧道的安全、經(jīng)濟、快速高效施工。為了克服盾構(gòu)隧道施工過程中存在的上述不足， Pietro Lunardi等究了1000多例軟巖隧道，認(rèn)為隧道開挖面穩(wěn)定是保證隧道穩(wěn)定性的控制性因素之一。由此基于新奧法施工和壓力拱理論提出了巖土控制變形分析法（ADECO-RS），該方法認(rèn)為，開挖面前方待挖核心土的剛度和強度同隧道開挖面擠出變形、徑向收斂變形、徑向預(yù)收斂變形之間關(guān)系密切。增強開挖面前方待挖核心土剛度是控制隧道失穩(wěn)的關(guān)鍵。通過對開挖面前方待挖核心土進行超前預(yù)加固可以有效控制開挖面開挖后的圍巖變形，從而有效提高開挖面的穩(wěn)定性。在地質(zhì)條件復(fù)雜、自穩(wěn)能力差的軟弱圍巖中實現(xiàn)隧道安全、穩(wěn)定、高效的全斷面掘進。

以下以成都地鐵18號線火車南站—孵化園站盾構(gòu)隧道區(qū)間起訖里程ZCK10+535.703～ZCK13+021.999為例，研究開挖面在有無采用預(yù)加固措施條件下盾構(gòu)隧道開挖面的變形作用機制，以此來突出巖土控制變形分析法（ADECO-RS）在軟巖大斷面隧道施工中的安全、穩(wěn)定、高效特點，研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

2 工程概況

成都軌道交通18號線工程土建1標(biāo)位于成都市高新區(qū)，本標(biāo)段承建火車南站及火車南站—孵化園站、孵化園站—錦城廣場站共一站兩區(qū)間，隧道起于火車南站南端，止于錦城廣場站北端，全長6085.030單線延米?；疖嚹险尽趸瘓@站區(qū)間起訖里程ZCK10+535.703～ZCK13+021.999，左線長2459.296m（中間風(fēng)井長27m），右線長2485.897m，隧道中心線間距15.89～32.3m，隧道頂埋深8.3～22.9m，最大坡度15‰，最小曲線半徑R=450m。孵化園站—錦城廣場站區(qū)間起訖里程ZCK13+323.294～ZCK13+892.728，左線長569.434m，右線長570.403m，隧道中心線間距18.37～38.25m，隧道頂埋深18～25m，最大坡度 15‰，最小曲線半徑550m。

火車南站—孵化園站—錦城廣場站區(qū)間范圍為第四系（Q）地層覆蓋，地表多為人工填土（Q4ml）覆蓋，其下為全新統(tǒng)沖積（Q4al）黏土、粉質(zhì)黏土、粉土，其上為更新統(tǒng)冰水沉積、沖積（Q3fgl+al）卵石土夾透鏡狀砂土，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組（K2g）泥巖。其穿越自穩(wěn)性差，極易擾動的砂卵石、泥巖、砂巖以及部分區(qū)域穿越砂卵石與泥巖互層等地層。endprint

3 數(shù)值模擬

3.1 計算模型

根據(jù)成都地鐵18號線火車南站—孵化園站盾構(gòu)隧道區(qū)間起訖里程ZCK10+535.703～ZCK13+021.999段勘察報告，V圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。由于該段圍巖等級為V級，管片材料為C50 彈性鋼筋混凝土材料，厚度為0.35 m，

為了確保隧道順利經(jīng)過富水砂卵石地帶，擬在隧道開挖輪廓線以內(nèi)鉆入玻璃纖維注漿錨桿，以強化開挖面前方待挖核心土來穩(wěn)定隧道開挖面。具體計算參數(shù)如表2所示。

數(shù)值模擬軟件采用FLAC3D，計算模型如圖1所示，模型寬度100m，高度80m，縱向長度60m，即：寬×高×深=X×Z×Y=100m×80m×60m。隧道開挖寬度為12.36m，開挖高度為10.28m，開挖面積近127m2。

為簡化計算，特做出如下假定：①不考慮二襯支護作用；②開挖過程中圍巖應(yīng)力100%釋放；③圍巖破壞遵循相關(guān)聯(lián)的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。

3.2 模擬工況

參照成都地鐵18號線盾構(gòu)施工方法，為了弄清玻璃纖維注漿錨桿超前預(yù)加固開挖面前方待挖核心土能否保證開挖面穩(wěn)定，如下三種模擬工況均采用全斷面施工方法，參照如圖1所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計，特做出了如下模擬工況：①開挖面前方待挖核心土不采用玻璃纖維注漿錨桿加固；②開挖面前方待挖核心土采用0.25根/ m2的加固密度；③開挖面前方待挖核心土采用0.69根/ m2的加固密度。玻璃纖維注漿錨桿超前預(yù)加固長度均取20m，具體模擬工況如表3所示。

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 玻璃纖維錨桿軸力受力狀況

根據(jù)表3的模擬計算工況所得出的玻璃纖維注漿錨桿軸向內(nèi)力分布如圖2所示。從中不難看出，玻璃纖維注漿錨桿的最大軸向內(nèi)力均位于隧道開挖面前方2～3 m范圍內(nèi)。模擬計算工況2、3條件下玻璃纖維注漿錨桿所對應(yīng)的最大軸向內(nèi)力分別為13.8kN、11.5kN，對應(yīng)的最大軸向應(yīng)力分別為σmax=28.1 MPa、σmax=23.4 MPa，隨著玻璃纖維錨桿加固密度的增大，其軸向內(nèi)力有所減小，但其減小幅度和錨桿加固密度的變化幅度相比不十分明顯，均小于玻璃纖維錨桿的屈服強度，能夠保證開挖面的安全。

3.3.2 圍巖位移變形狀況

位移是地下工程施工過程中最為常用、直觀、和方便的監(jiān)控指標(biāo)，隧道支護能否有效控制圍巖位移變形，可以通過監(jiān)測隧道開挖面水平位移、地表位移變化以及開挖面前后方拱頂沉降位移來反映隧道開挖面前方待挖核心土經(jīng)玻璃纖維錨桿注漿預(yù)加固后的效果。

隧道開挖面開挖后的水平位移情況如圖3所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，在隧道開挖面掘進到前方20m時，隨著開挖面玻璃纖維錨桿加固密度的增大，開挖面水平位移在急劇減小，模擬計算工況3條件下開挖面玻璃纖維錨桿加固密度達到0.69根/ m2時開挖面產(chǎn)生的水平位移比模擬計算工況1條件下開挖面無玻璃纖維錨桿加固密度時開挖面產(chǎn)生的水平位移減少了約50%。在六盤山隧道實際施工過程中K1861+697～K1861+706段開挖面，由于當(dāng)時并未采用玻璃纖維錨桿加固，左拱拱腰處混凝土突然塌落，導(dǎo)致隧道由西向東車道上方的拱頂產(chǎn)生了一個長約10m、寬約1.2m，深淺不均的不規(guī)則空洞。這個實踐同時表明，采用玻璃纖維注漿錨桿對開挖面前方待挖核心圍巖進行預(yù)加固時，可以提高其強度和剛度，極大地抑制開挖面的水平位移變形，但是，這里的玻璃纖維注漿錨桿加固密度必須達到一定值才有明顯效果。

隧道開挖面前方待挖核心土經(jīng)玻璃纖維錨桿注漿預(yù)加固后的效果除了圖3隧道開挖面水平位移之外，還表現(xiàn)在圖4是3種工況下隧道橫斷面地表位移上，其變化規(guī)律與前面圖4相似。當(dāng)玻璃纖維注漿錨桿加固密度達到0.69根/ m2時隧道橫斷面最大地表沉降值約為4mm，相對于開挖面未采用玻璃纖維注漿錨桿加固時減少了約60%，足以進一步證明玻璃纖維錨桿注漿預(yù)加固隧道開挖面前方待挖核心土可以有效控制軟巖隧道開挖面的穩(wěn)定性。

另外一個反映玻璃纖維注漿錨桿預(yù)加固開挖面前方待挖核心土效果的位移指標(biāo)是隧道開挖面前后方拱頂沉降位移變化值。由圖5可以看出，采用玻璃纖維注漿錨桿預(yù)加固開挖面前方待挖核心土，不僅減小了開挖面前方圍巖的豎向預(yù)收斂變形，而且還能大大減小開挖后隧道的最終沉降值。由此可見玻璃纖維注漿錨桿能提高開挖面前后方隧道圍巖的穩(wěn)定性。

3.3.3 超前核心土塑性區(qū)分布狀況

圖6反映了開挖面前方待挖核心土在無玻璃纖維注漿錨桿加固條件下和玻璃纖維注漿錨桿加固密度達到0.69根/ m2條件下隧道開挖面前方待挖核心土塑性區(qū)分布，從中可以發(fā)現(xiàn)，隧道開挖面前方待挖核心土的塑性區(qū)深度由加固前的6～7m，急劇減小到玻璃纖維注漿錨桿加固密度達到0.69根/ m2條件下的2～3m。除此之外，隧道開挖面前方待挖核心土的塑性分布特征也呈現(xiàn)明顯不同，主要表現(xiàn)在隧道開挖面前方待挖核心土經(jīng)玻璃纖維注漿錨桿預(yù)加固后，提高了開挖面前方待挖核心土體系的強度，增強了開挖面前方待挖核心土的抗變形能力。開挖面前方待挖核心土未采用玻璃纖維注漿錨桿加固條件下貫穿的剪切滑移面，經(jīng)玻璃纖維注漿錨桿加固后變?yōu)榱隧敳亢偷撞康木植科茐膮^(qū)，這就大大提高了開挖面的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

針對我國近年來城市地鐵隧道施工塌方事故不斷的狀況，采用諸如地表注漿加固后盾構(gòu)掘進施工時施工工序煩瑣、材料浪費嚴(yán)重、掘進效率低。為了穩(wěn)定盾構(gòu)隧道開挖面、提高掘進效率，采用玻璃纖維注漿錨桿對開挖面前方待挖核心土進行預(yù)加固，能明顯改善圍巖的工程特性，比如隧道開挖面玻璃纖維注漿錨桿加固密度達到0.69根/ m2時，開挖面水平位移、地表位移變化以及開挖面前后方拱頂沉降位移比未采用玻璃纖維注漿錨桿加固時數(shù)值急劇減小，開挖面前方待挖核心土未采用玻璃纖維注漿錨桿加固條件下貫穿的剪切滑移面，經(jīng)玻璃纖維注漿錨桿加固后變?yōu)榱隧敳亢偷撞康木植科茐膮^(qū)，隧道開挖面前方待挖核心土的塑性區(qū)深度，增強了開挖面的穩(wěn)定性。

此外，巖土控制變形分析法（ADECO-RS）是在新奧理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來專門用于解決復(fù)雜地質(zhì)隧道開挖面不穩(wěn)定的一種施工方法，目的是保證隧道設(shè)計可靠、施工安全，它已成為國際上一種新型盾構(gòu)隧道突破不良地質(zhì)的快速施工方法。目前我國對于超前預(yù)加固的研究處于試驗和探索階段，也缺乏工程實踐。隨著地下工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，軟巖隧道開挖面變形破壞機制及控制技術(shù)必將得到越來越多的研究和應(yīng)用。

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