楊柏超，張 超

(1.深圳市鵬城水務(wù)技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000；2.深圳市水務(wù)工程檢測(cè)有限公司，廣東 深圳 518000)

0 前 言

EPB盾構(gòu)施工方法在隧洞施工中廣泛采用，且施工效果良好，正逐步取代其它諸如泥水平衡盾構(gòu)施工方法而在施工中占據(jù)主導(dǎo)地位。郭彩霞等通過(guò)提出對(duì)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了EPB在無(wú)水全斷面卵漂石地層中的順利施工掘進(jìn)，為該類地層中進(jìn)行隧洞施工時(shí)對(duì)土壓平衡盾構(gòu)的選型和改造提供了借鑒[1-2]。彭磊等針對(duì)礫砂地層中EPB盾構(gòu)機(jī)遇到的刀盤(pán)及其它旋轉(zhuǎn)部件的磨損嚴(yán)重問(wèn)題以及掌子面易出現(xiàn)冒頂塌方的想象，提出采用改良泡沫劑配合掘進(jìn)施工的方法加以解決，并成功開(kāi)發(fā)出了一種改良泡沫劑，在北京地鐵16號(hào)線的施工中應(yīng)用，證明了其提出的方法和開(kāi)發(fā)的泡沫劑能夠有效解決上述問(wèn)題，為該類地層中的EPB盾構(gòu)機(jī)的高效率掘進(jìn)施工提供了極大幫助[3-4]。王英學(xué)等認(rèn)識(shí)到刀盤(pán)形式一定程度上會(huì)影響施工掘進(jìn)時(shí)的地表沉降，因此開(kāi)展了圓弧和直角刀盤(pán)兩種盾構(gòu)機(jī)形式掘進(jìn)施工的FLAC3D數(shù)值模擬，分析了兩種刀盤(pán)形式下盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的地層沉降差異，并提出了兩種刀盤(pán)形式對(duì)地表沉降的影響系數(shù)，數(shù)值結(jié)果與其提出的影響系數(shù)一致[5-6]。蔡兵華等針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)在紅黏土掘進(jìn)時(shí)遇到的各種特殊問(wèn)題，研制了一種由兩種表面活性劑和添加劑配置成的改良添加劑用于一工程實(shí)例中，有效的解決了土壓平衡盾構(gòu)在紅黏土中掘進(jìn)時(shí)所遇到的復(fù)雜問(wèn)題[7-9]。江玉生等為加強(qiáng)EPB掘進(jìn)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)管控，設(shè)計(jì)并研發(fā)出一套風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工掘進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)變化時(shí)的超限報(bào)警，為盾構(gòu)施工中的掘進(jìn)參數(shù)的精細(xì)控制提供了實(shí)現(xiàn)方法[10-11]。

文章通過(guò)隧洞施工中將勘測(cè)資料中獲得的土層各個(gè)參數(shù)在Plaxis3D中進(jìn)行建模賦值，并通過(guò)設(shè)計(jì)盾構(gòu)開(kāi)挖步驟模擬，研究盾構(gòu)機(jī)不同注漿壓力下，掘進(jìn)過(guò)程中的地表沉降狀況，為大直徑盾構(gòu)隧道在類似地層中的掘進(jìn)施工盾尾同步注漿壓力的設(shè)置提供了參考。

1 工程地質(zhì)

某水利工程引水隧洞全長(zhǎng)24.488km，如圖1所示，據(jù)勘測(cè)資料揭示，主要穿越地層上層為砂土，中間層為黏土，最下層為堅(jiān)硬砂土，各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。設(shè)計(jì)埋深13.5m，掘進(jìn)過(guò)程中，擬采用兩種同步注漿壓力，但是兩種同步注漿壓力對(duì)預(yù)防地表沉降的效果尚不清楚，文章對(duì)兩種注漿壓力條件下的地表沉降進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

圖1 盾構(gòu)掘進(jìn)土層

表1 各土層相關(guān)試驗(yàn)計(jì)算參數(shù)

2 Plaxis3D軟件

PLAXIS3D是基于有限元法的得到了國(guó)際上學(xué)術(shù)界和工程界長(zhǎng)期的驗(yàn)證和考核的三維數(shù)值軟件，PLAXIS3D中由于復(fù)雜的土體和結(jié)構(gòu)可以定義為兩種不同的模式，分別是土體模型和結(jié)構(gòu)模型，施工順序模式可以對(duì)施工過(guò)程和開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行真實(shí)模擬，應(yīng)用于地鐵盾構(gòu)施工的相關(guān)模擬具有可靠?jī)?yōu)勢(shì)。

3 構(gòu)建岸坡模型

依據(jù)實(shí)際地層特征，進(jìn)行建模分析，所構(gòu)建模型如圖2所示，按照表1中所示各個(gè)土層參數(shù)對(duì)Plaxis3D中的各土層材料進(jìn)行賦值，并增加結(jié)構(gòu)材料混凝土，其物理力學(xué)參數(shù)有彈性模量1e6kPa，泊松比為0.1，重度29kN·(m3)-1，設(shè)置其為彈性模型。

圖2 引水隧洞盾構(gòu)施工模型

4 模擬結(jié)果

下面主要通過(guò)對(duì)兩種注漿壓力下的地表沉降位移的分析比較，獲得地表沉降與注漿壓力之間的關(guān)系。

4.1 注漿壓力為100bar時(shí)

圖3所示是設(shè)置盾尾注漿壓力為100bar時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的上方土體Z方向位移變化云圖，由圖中可知，上方土體最大沉降位移為3.8cm左右，小于該地層掘進(jìn)的地表位移控制值5cm，滿足施工要求，且最大位移值主要分布于隧道頂部，由頂部位置向上層地層延伸逐漸變小，在地表的沉降值約為2.3cm，同樣滿足規(guī)范規(guī)定的地表沉降位移控制要求。

圖3 注漿壓力為100bar時(shí)的地表沉降

圖4 注漿壓力為100bar時(shí)的總位移

圖4所示是設(shè)置盾尾注漿壓力為100bar時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的上方土體總的位移變化云圖，由圖中可知，上方土體最大的總位移為3.6cm左右，小于該地層掘進(jìn)的總位移控制值5cm，滿足施工要求，且最大的總位移值主要分布于隧道頂部，由頂部位置向上層地層延伸逐漸變小，在地表的總的位移值約為2.0cm，同樣滿足規(guī)范規(guī)定的地表沉降位移控制要求。

4.2 注漿壓力為50bar時(shí)

圖5所示是設(shè)置盾尾注漿壓力為50bar時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的上方土體Z方向位移變化云圖，由圖中可知，上方土體最大沉降位移為7.2cm左右，大于該地層掘進(jìn)的地表位移控制值5cm，不滿足施工要求，且最大位移值主要分布于隧道頂部，由頂部位置向上層地層延伸逐漸變小，在地表的沉降值約為5.2cm，同樣大于規(guī)范規(guī)定的地表沉降位移控制要求，不滿足施工控制要求。

圖5 注漿壓力為50bar時(shí)的地表沉降

圖6 注漿壓力為50bar時(shí)的總位移

圖6所示是設(shè)置盾尾注漿壓力為50bar時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的上方土體總的位移變化云圖，由圖中可知，上方土體最大的總位移為7.2cm左右，大于該地層掘進(jìn)的總位移控制值5cm，不滿足施工要求，且最大的總位移值主要分布于隧道頂部，由頂部位置向上層地層延伸逐漸變小，在地表的總的位移值約為5.2cm，同樣不滿足規(guī)范規(guī)定的地表沉降位移控制要求，不滿足施工控制要求。

5 結(jié) 論

1)地表總沉降位移隨著盾尾注漿壓力的增大而相應(yīng)減小，地表Z方向沉降位移隨著盾尾注漿壓力的較小而相應(yīng)增大。

2)盾尾注漿壓力為50bar時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的上方土體Z方向沉降位移和總的位移超過(guò)規(guī)范規(guī)定的地表沉降位移，不滿足施工控制要求。

3)盾尾注漿壓力為100bar時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的上方土體總的位移和Z方向沉降位移在規(guī)范規(guī)定的地表沉降位移之內(nèi)，建議在該地層中進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)采用100bar的注漿壓力。