古小輝，李樂晨，李子陽

（1.河南省水利第二工程局，河南 鄭州450016；2.哥倫比亞大學(xué) 工程力學(xué)系，紐約州 紐約市 NY10027；3.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京210098）

由于盾構(gòu)隧道施工中事故多發(fā)段大多在盾構(gòu)隧道端頭［1］，端頭加固關(guān)系到盾構(gòu)機能否安全始發(fā)和抵達，因此選擇合理的盾構(gòu)隧道端頭土體加固形式是保障盾構(gòu)施工順利進行的十分重要的環(huán)節(jié)［2］。常用的盾構(gòu)隧道端頭土體加固方法有高壓噴射注漿法、SMW工法、三軸深層攪拌法、人工凍結(jié)法、注漿法、素混凝土灌注樁法等［3-5］。針對高埋富水砂性土層，不同的盾構(gòu)端頭土體加固措施具有其局限性，如高壓旋噴樁法加固施工便捷、施工工期短、加固土體強度高，但止水效果差、抗?jié)B性差，常會出現(xiàn)工程滲漏等問題；SMW法施工對土體擾動較小、止水性好、造價低，但水泥土后期強度增加較大，盾構(gòu)機在加固區(qū)掘進時切削困難，對刀盤磨損嚴重；人工凍結(jié)法［6］較適用于富水砂性土層，且加固范圍較大、止水性能好，但施工周期長、造價高。另外，深埋富水砂性土層中的盾構(gòu)端頭土體加固還存在加固范圍選取困難的問題［7］，需要依據(jù)地層條件并滿足強度、穩(wěn)定性要求，現(xiàn)階段基本上都是憑借工程經(jīng)驗確定，其合理性難以保證。為克服單一工法的局限性，實際工程中的盾構(gòu)隧道端頭土體加固多采取兩種或多種工法相結(jié)合的措施［8-10］。

針對現(xiàn)有人工凍結(jié)法在深埋富水砂性土層下端頭加固時產(chǎn)生凍脹融沉等問題［11］，筆者結(jié)合注漿法的技術(shù)特點，提出一種采用凍結(jié)水泥土樁法對端頭進行加固的方法，并根據(jù)凍結(jié)水泥土力學(xué)試驗所得參數(shù)，分析了洞門鑿除后4種不同凍結(jié)溫度下的地層位移情況和土體的塑性變化。在掘進模擬中分別對地層位移、土體的塑性區(qū)變化等進行了計算分析，并與傳統(tǒng)水泥土加固法進行對比，驗證了凍結(jié)水泥土樁端頭加固法的可行性和有效性。

1 模型及參數(shù)

凍結(jié)水泥土樁法結(jié)合注漿法和凍結(jié)法的技術(shù)特點，首先采用三軸深層攪拌樁注漿法使加固區(qū)形成水泥土樁，在每個攪拌樁中心插入凍結(jié)管，待土體達到一定強度后開始凍結(jié)，從而達到需要的止水效果和加固強度，如圖1所示。該方法與原來的凍結(jié)法相比，造價大幅降低。

圖1 凍結(jié)水泥土樁加固法示意

河南省鄭州市某引水隧道中心高程67.0 m、埋深39.0 m、直徑18.0 m，其盾構(gòu)施工的端頭加固即采用凍結(jié)水泥土樁法，對其端頭加固及盾構(gòu)始發(fā)掘進進行數(shù)值模擬分析。土體建模基于FLAC 3D采用實體單元建模，管片襯砌采用殼形結(jié)構(gòu)單元，模型范圍上至地面，下至隧道底部3d處（d為隧道直徑），橫向取至距隧道豎直軸線左右各3d處，隧道中心為原點，隧道縱向取2d。在隧道端頭處還有一長14.0 m、寬10.0 m、高45.5 m的豎井，豎井的地下連續(xù)墻厚度為2.0 m，豎井底部加固厚度為2.5 m。由此確定模型尺寸為：54.0 m（x方向，洞徑方向）×40.0 m（y方向，水平垂直洞徑方向）×78.0 m（z方向，豎直方向）。模型側(cè)面為位移邊界，限制水平移動；底部為固定邊界，限制水平移動和垂直移動，模型上表面為地表，設(shè)為自由邊界。模型剖面如圖2所示。

圖2 模型剖面

模型中用結(jié)構(gòu)單元中的殼形結(jié)構(gòu)單元模擬作為隧道支護結(jié)構(gòu)的襯砌管片，并視其為彈性材料，管片寬1.0 m、厚 0.4 m、采用 C50 混凝土，彈性模量為 32 GPa、泊松比為 0.2，密度為 2 500 kg／m3。 土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，參數(shù)見表1。

表1 土體參數(shù)

在工程中采用凍結(jié)水泥土樁加固法加固土體，不同凍結(jié)溫度下的水泥土材料參數(shù)具有差異性，選取水泥摻入比為22%的試樣，養(yǎng)護齡期28 d后，通過室內(nèi)試驗得到凍結(jié)水泥土的力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 不同凍結(jié)溫度下的凍結(jié)水泥土力學(xué)參數(shù)

隧道盾構(gòu)施工過程中盾構(gòu)機是漸進向前的，四周土體是相對靜止的?？紤]FLAC 3D很難做到完全模擬盾構(gòu)的連續(xù)推進過程，在模擬計算時做如下假定：①地表和各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布；②開挖時在盾構(gòu)作業(yè)開挖面處施加一定的表面力，以模擬刀盤的推進力；③盾構(gòu)推進一步長度為1.0 m；④在距地表8.0 m處設(shè)置靜止水壓力；⑤假定盾構(gòu)隧道開挖初期，管片襯砌支護形成“毛洞”狀態(tài)時，周圍土體荷載釋放率為20%，管片安裝后，周圍土體完成余下的80%釋放率。

2 洞門鑿除后加固土體變形分析

盾構(gòu)始發(fā)時，先要把始發(fā)位置的地下連續(xù)墻鑿除。洞門鑿除分兩次，第一次鑿除一部分將外部鋼筋切割，第二次鑿除的同時盾構(gòu)機也要做好掘進準備。為簡化模擬和分析，模型計算前將各地層位移變化清零，并一次把洞門鑿除完全。分布選取-5、-10、-15、-20℃等4種凍結(jié)溫度進行計算，并對比分析不同凍結(jié)溫度下的水泥土樁加固土體位移和塑性區(qū)變化。

2.1 位移變化

不同凍結(jié)溫度下洞門鑿除后掌子面的縱向位移變化如圖3所示。取各凍結(jié)溫度下洞門鑿除后的掌子面的縱向最大位移繪制曲線，如圖4所示。

圖3 不同凍結(jié)溫度下洞門鑿除后掌子面土體縱向位移（單位：m）

圖4 不同凍結(jié)溫度下洞門鑿除后掌子面土體縱向最大位移

洞門鑿除后，加固土體暴露在空氣中。根據(jù)土體位移云圖可知，土體出現(xiàn)大變形的位置主要集中在洞口及其周圍。不同凍結(jié)溫度下水泥土樁加固后的位移云圖對比后發(fā)現(xiàn)，-5℃時的洞門縱向最大位移為2.52 cm，方向沿隧道軸線向外，說明洞門鑿除后所暴露的土體基本穩(wěn)定；-10℃時的洞門縱向最大位移大幅減小，為0.19 cm，方向沿隧道軸線向外，說明洞門鑿除后所暴露的土體已十分穩(wěn)定；-15℃和-20℃時的洞門縱向最大位移更小，分別為0.15 cm 和0.12 cm，方向沿隧道軸線向外，說明洞門鑿除后所暴露的土體也十分穩(wěn)定。根據(jù)不同凍結(jié)溫度下的土體最大位移變化可以看出，當凍結(jié)溫度在-5℃時，洞門鑿除后雖然土體也相對穩(wěn)定但位移相對較大；當凍結(jié)溫度達到-10℃及以下時，土體加固效果好，且溫度越低洞門鑿除后的土體位移越小。

2.2 塑性區(qū)變化

加固后的盾構(gòu)隧道應(yīng)具有足夠的彈性，以保證有能力減輕不利環(huán)境造成的破壞，并迅速恢復(fù)到可接受的性能水平［12］。為進一步分析隧道的彈性性能喪失狀況，繪制4種不同凍結(jié)溫度下鑿除洞門后隧道塑性區(qū)的變化，如圖5所示?？梢钥闯觯?5℃時，洞門鑿除后隧道及隧道周圍土體均發(fā)生塑性變形，主要破壞形式為剪切破壞和張拉破壞；-10℃時，洞門鑿除后只在隧道中心的一小部分發(fā)生塑性變形，主要破壞形式為剪切破壞；-15℃和-20℃時，洞門鑿除后只在隧道外上部的一小部分發(fā)生塑性變形，主要破壞形式為張拉破壞。對比塑性區(qū)范圍，-5℃時塑性區(qū)面積最大且超過了整個掌子面的面積，分析其原因為凍結(jié)溫度低，加固土體的初始屈服強度低，產(chǎn)生塑性變形的土體大。當凍結(jié)溫度達到-10℃及以下時，塑性區(qū)范圍很小，且出現(xiàn)于掌子面上部。由圖5可得出結(jié)論，塑性區(qū)范圍變化的轉(zhuǎn)折點在-5～-10℃之間，隨著凍結(jié)溫度的降低，加固土體的初始屈服強度增大，洞門鑿除后的土體塑性區(qū)范圍變小。

圖5 不同凍結(jié)溫度下鑿除洞門后隧道的塑性區(qū)變化情況

2.3 與傳統(tǒng)常溫水泥土樁加固法對比

對采用傳統(tǒng)常溫水泥土樁加固后的始發(fā)洞門鑿除進行模擬計算，得出其掌子面的縱向位移，如圖6所示?？梢钥闯?，采用傳統(tǒng)的常溫水泥土樁加固，在鑿除洞門后掌子面土體縱向最大位移為6.05 cm，變形過大，存在坍塌的可能，對比-10℃下凍結(jié)水泥土樁加固法，在鑿除洞門后掌子面土體縱向最大位移僅為0.18 cm，減小了97%，相較于傳統(tǒng)常溫水泥土樁加固法土體位移大幅減小。

圖6 傳統(tǒng)常溫水泥土樁加固洞門鑿除后掌子面縱向位移（單位：m）

進一步分析傳統(tǒng)常溫水泥土樁加固的始發(fā)洞門鑿除后塑性區(qū)變化，如圖7所示，掌子面的土體發(fā)生剪切破壞和張拉破壞。采用-10℃下凍結(jié)水泥土樁加固法，鑿除洞門后掌子面僅有很小一部分發(fā)生張拉破壞，說明凍結(jié)水泥土樁法相比傳統(tǒng)常溫水泥土樁法的加固效果大大提高。

圖7 傳統(tǒng)常溫水泥土樁加固洞門鑿除后土體塑性區(qū)變化情況

3 盾構(gòu)掘進后土體變形分析

本工程采用的盾構(gòu)方式為泥水平衡盾構(gòu)，即在盾構(gòu)開挖面的密封隔倉內(nèi)注入泥水，經(jīng)過泥水加壓和其外部土體壓力平衡，從而保障開挖面土體的穩(wěn)定。為了解盾構(gòu)施工過程中加固區(qū)作業(yè)和穿過加固區(qū)作業(yè)時地層的變化，對盾構(gòu)掘進過程進行數(shù)值模擬。仍然選取-5、-10、-15、-20℃等4種凍結(jié)工況，研究凍結(jié)水泥土樁加固后，盾構(gòu)穿過加固區(qū)時地層位移變化，共模擬開挖20環(huán)，每環(huán)寬度為1.0 m。

開挖20環(huán)后，選取距始發(fā)洞門3.0 m處的橫斷面（加固區(qū)）作為分析斷面，其距拱頂不同距離處（0.0、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.5、6.5、9.5 m）土體的豎向位移如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn)，在凍結(jié)水泥土樁法加固區(qū)內(nèi)，隨著凍結(jié)溫度降低，隧道拱頂土體位移變小，這是因為凍結(jié)溫度越低，加固區(qū)土體的強度越大（見表2），開挖后加固區(qū)周圍的土體越不容易失穩(wěn)。距拱頂較遠處土體發(fā)生了部分隆起現(xiàn)象，分析認為是由于土體埋深較大、地下水位較高造成了一定的土體上浮。凍結(jié)溫度越低上浮現(xiàn)象越不明顯，-20℃凍結(jié)溫度時，土體加固強度最高，受水浮力影響最小。

圖8 加固區(qū)3.0 m處斷面土體豎向位移

4 結(jié) 論

針對高埋深富水砂性土層盾構(gòu)隧道施工單種工法的局限性，提出采用凍結(jié)水泥土樁法進行端頭加固的技術(shù)，基于FLAC 3D對加固過程中的洞口土體鑿除后以及盾構(gòu)掘進后的土體變形性態(tài)進行了-5、-10、-15、-20℃等4種凍結(jié)工況的模擬分析，并與采用傳統(tǒng)水泥土樁加固法的土體變化進行了對比，得到以下幾點結(jié)論。

（1）采用凍結(jié)水泥土樁加固法，洞門鑿除后暴露在空氣中的土體位移均較小，土體穩(wěn)定性較好。其中當凍結(jié)溫度為-5℃時，土體位移相對較大；當凍結(jié)溫度達到-10℃及以下時，位移隨溫度降低進一步減小，但差距不大。不同凍結(jié)工況下鑿除洞門后隧道的塑性區(qū)變化也具有類似規(guī)律，塑性區(qū)明顯減小的轉(zhuǎn)折點在-5～-10℃之間。

（2）采用傳統(tǒng)的常溫水泥土樁加固，洞門鑿除后掌子面土體縱向最大位移為6.05 cm，變形過大，存在坍塌可能，且掌子面土體塑性區(qū)明顯，存在剪切破壞和張拉破壞。對比-10℃工況下凍結(jié)水泥土樁加固法在鑿除洞門后掌子面土體縱向最大位移僅為0.18 cm，減少了97%，且僅有很小一部分發(fā)生張拉破壞，說明凍結(jié)水泥土樁法相比傳統(tǒng)方法加固效果大大提升。

（3）凍結(jié)水泥土樁加固后，隨著凍結(jié)溫度的降低，盾構(gòu)穿過加固區(qū)后的隧道拱頂向上的土體位移越小，表明凍結(jié)后加固區(qū)土體的強度變大，大大提高了盾構(gòu)開挖后周圍土體的穩(wěn)定性。