| 标题 | 超前预加固对富水砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性的影响 |
| 范文 | 任跃勤 【摘 要】盾构隧道开挖面不稳将会引起地面塌陷，尽管采用诸如地表注浆加固能够保证盾构掘进，但施工工序烦琐、材料浪费严重、掘进效率低下，为了稳定盾构隧道开挖面、提高掘进效率，研究了超前预加固对富水砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性的影响。结果表明：采用玻璃纤维注浆锚杆预加固开挖面前方围岩，能明显提高开挖面前方围岩强度，增强盾构隧道开挖面稳定性。研究成果具有重要的理论意义和应用价值。 【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. 【关键词】超前预加固；砂卵石地层；盾构开挖面；稳定性 【Keywords】advance reinforcement； sandy cobble stratum； shield excavation surface； stability 【中图分类号】U455 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0164-04 1 引言 近年来，我国城市地铁建设快速发展，地铁工程取得了长足进步，各个大中型城市，地铁已经成为最重要的交通工具。但是城市地铁设计、施工质量安全问题也日趋显著，地铁施工事故频发，仅在2001-2016年期间，国内隧道施工重大安全事故200多起，其中盾构隧道开挖面塌方事故占49%以上，死亡300多人，经济损失超过10亿元，严重的事故危害已经引起了社会各界的高度重視。盾构隧道开挖面稳定已成为地下工程迫切需要解决的重要难题。 为保证我国城市地铁盾构隧道施工安全，保证开挖面稳定，盾构机掘进前多采用地表注浆法，这些方法最典型特点是工序烦琐、材料浪费严重、掘进效率低，无法提高隧道施工的机械化水平，更无法实现隧道的安全、经济、快速高效施工。为了克服盾构隧道施工过程中存在的上述不足， Pietro Lunardi等究了1000多例软岩隧道，认为隧道开挖面稳定是保证隧道稳定性的控制性因素之一。由此基于新奥法施工和压力拱理论提出了岩土控制变形分析法（ADECO-RS），该方法认为，开挖面前方待挖核心土的刚度和强度同隧道开挖面挤出变形、径向收敛变形、径向预收敛变形之间关系密切。增强开挖面前方待挖核心土刚度是控制隧道失稳的关键。通过对开挖面前方待挖核心土进行超前预加固可以有效控制开挖面开挖后的围岩变形，从而有效提高开挖面的稳定性。在地质条件复杂、自稳能力差的软弱围岩中实现隧道安全、稳定、高效的全断面掘进。 以下以成都地铁18号线火车南站—孵化园站盾构隧道区间起讫里程ZCK10+535.703～ZCK13+021.999为例，研究开挖面在有无采用预加固措施条件下盾构隧道开挖面的变形作用机制，以此来突出岩土控制变形分析法（ADECO-RS）在软岩大断面隧道施工中的安全、稳定、高效特点，研究具有重要的理论意义和应用价值。 2 工程概况 成都轨道交通18号线工程土建1标位于成都市高新区，本标段承建火车南站及火车南站—孵化园站、孵化园站—锦城广场站共一站两区间，隧道起于火车南站南端，止于锦城广场站北端，全长6085.030单线延米。火车南站—孵化园站区间起讫里程ZCK10+535.703～ZCK13+021.999，左线长2459.296m（中间风井长27m），右线长2485.897m，隧道中心线间距15.89～32.3m，隧道顶埋深8.3～22.9m，最大坡度15‰，最小曲线半径R=450m。孵化园站—锦城广场站区间起讫里程ZCK13+323.294～ZCK13+892.728，左线长569.434m，右线长570.403m，隧道中心线间距18.37～38.25m，隧道顶埋深18～25m，最大坡度 15‰，最小曲线半径550m。 火车南站—孵化园站—锦城广场站区间范围为第四系（Q）地层覆盖，地表多为人工填土（Q4ml）覆盖，其下为全新统冲积（Q4al）黏土、粉质黏土、粉土，其上为更新统冰水沉积、冲积（Q3fgl+al）卵石土夹透镜状砂土，下伏基岩为白垩系上统灌口组（K2g）泥岩。其穿越自稳性差，极易扰动的砂卵石、泥岩、砂岩以及部分区域穿越砂卵石与泥岩互层等地层。 3 数值模拟 3.1 计算模型 根据成都地铁18号线火车南站—孵化园站盾构隧道区间起讫里程ZCK10+535.703～ZCK13+021.999段勘察报告，V围岩物理力学参数取值如表1所示。由于该段围岩等级为V级，管片材料为C50 弹性钢筋混凝土材料，厚度为0.35 m， 为了确保隧道顺利经过富水砂卵石地带，拟在隧道开挖轮廓线以内钻入玻璃纤维注浆锚杆，以强化开挖面前方待挖核心土来稳定隧道开挖面。具体计算参数如表2所示。 数值模拟软件采用FLAC3D，计算模型如图1所示，模型宽度100m，高度80m，纵向长度60m，即：宽×高×深=X×Z×Y=100m×80m×60m。隧道开挖宽度为12.36m，开挖高度为10.28m，开挖面积近127m2。 为简化计算，特做出如下假定：①不考虑二衬支护作用；②开挖过程中围岩应力100%释放；③围岩破坏遵循相关联的Mohr-Coulomb屈服准则。 3.2 模拟工况 参照成都地铁18号线盾构施工方法，为了弄清玻璃纤维注浆锚杆超前预加固开挖面前方待挖核心土能否保证开挖面稳定，如下三种模拟工况均采用全断面施工方法，参照如图1所示的结构设计，特做出了如下模拟工况：①开挖面前方待挖核心土不采用玻璃纤维注浆锚杆加固；②开挖面前方待挖核心土采用0.25根/ m2的加固密度；③开挖面前方待挖核心土采用0.69根/ m2的加固密度。玻璃纤维注浆锚杆超前预加固长度均取20m，具体模拟工况如表3所示。 3.3 计算结果分析 3.3.1 玻璃纤维锚杆轴力受力状况 根据表3的模拟计算工况所得出的玻璃纤维注浆锚杆轴向内力分布如图2所示。从中不难看出，玻璃纤维注浆锚杆的最大轴向内力均位于隧道开挖面前方2～3 m范围内。模拟计算工况2、3条件下玻璃纤维注浆锚杆所对应的最大轴向内力分别为13.8kN、11.5kN，对应的最大轴向应力分别为σmax=28.1 MPa、σmax=23.4 MPa，随着玻璃纤维锚杆加固密度的增大，其轴向内力有所减小，但其减小幅度和锚杆加固密度的变化幅度相比不十分明显，均小于玻璃纤维锚杆的屈服强度，能够保证开挖面的安全。 3.3.2 围岩位移变形状况 位移是地下工程施工过程中最为常用、直观、和方便的监控指标，隧道支护能否有效控制围岩位移变形，可以通过监测隧道开挖面水平位移、地表位移变化以及开挖面前后方拱顶沉降位移来反映隧道开挖面前方待挖核心土经玻璃纤维锚杆注浆预加固后的效果。 隧道开挖面开挖后的水平位移情况如图3所示，从中可以发现，在隧道开挖面掘进到前方20m时，随着开挖面玻璃纤维锚杆加固密度的增大，开挖面水平位移在急剧减小，模拟计算工况3条件下开挖面玻璃纤维锚杆加固密度达到0.69根/ m2时开挖面产生的水平位移比模拟计算工况1条件下开挖面无玻璃纤维锚杆加固密度时开挖面产生的水平位移减少了约50%。在六盘山隧道实际施工过程中K1861+697～K1861+706段开挖面，由于当时并未采用玻璃纤维锚杆加固，左拱拱腰处混凝土突然塌落，导致隧道由西向东车道上方的拱顶产生了一个长约10m、宽约1.2m，深浅不均的不规则空洞。这个实践同时表明，采用玻璃纤维注浆锚杆对开挖面前方待挖核心围岩进行预加固时，可以提高其强度和刚度，极大地抑制开挖面的水平位移变形，但是，这里的玻璃纤维注浆锚杆加固密度必须达到一定值才有明显效果。 隧道开挖面前方待挖核心土经玻璃纤维锚杆注浆预加固后的效果除了图3隧道开挖面水平位移之外，还表现在图4是3种工况下隧道横断面地表位移上，其变化规律与前面图4相似。当玻璃纤维注浆锚杆加固密度达到0.69根/ m2时隧道横断面最大地表沉降值约为4mm，相对于开挖面未采用玻璃纤维注浆锚杆加固时减少了约60%，足以进一步证明玻璃纤维锚杆注浆预加固隧道开挖面前方待挖核心土可以有效控制软岩隧道开挖面的稳定性。 另外一个反映玻璃纤维注浆锚杆预加固开挖面前方待挖核心土效果的位移指标是隧道开挖面前后方拱顶沉降位移变化值。由图5可以看出，采用玻璃纤维注浆锚杆预加固开挖面前方待挖核心土，不仅减小了开挖面前方围岩的竖向预收敛变形，而且还能大大减小开挖后隧道的最终沉降值。由此可见玻璃纤维注浆锚杆能提高开挖面前后方隧道围岩的稳定性。 3.3.3 超前核心土塑性区分布状况 图6反映了开挖面前方待挖核心土在无玻璃纤维注浆锚杆加固条件下和玻璃纤维注浆锚杆加固密度达到0.69根/ m2条件下隧道开挖面前方待挖核心土塑性区分布，从中可以发现，隧道开挖面前方待挖核心土的塑性区深度由加固前的6～7m，急剧减小到玻璃纤维注浆锚杆加固密度达到0.69根/ m2条件下的2～3m。除此之外，隧道开挖面前方待挖核心土的塑性分布特征也呈现明显不同，主要表现在隧道开挖面前方待挖核心土经玻璃纤维注浆锚杆预加固后，提高了开挖面前方待挖核心土体系的强度，增强了开挖面前方待挖核心土的抗变形能力。开挖面前方待挖核心土未采用玻璃纤维注浆锚杆加固条件下贯穿的剪切滑移面，经玻璃纤维注浆锚杆加固后变为了顶部和底部的局部破坏区，这就大大提高了开挖面的稳定性。 4 结论 针对我国近年来城市地铁隧道施工塌方事故不断的状况，采用诸如地表注浆加固后盾构掘进施工时施工工序烦琐、材料浪费严重、掘进效率低。为了稳定盾构隧道开挖面、提高掘进效率，采用玻璃纤维注浆锚杆对开挖面前方待挖核心土进行预加固，能明显改善围岩的工程特性，比如隧道开挖面玻璃纤维注浆锚杆加固密度达到0.69根/ m2时，开挖面水平位移、地表位移变化以及开挖面前后方拱顶沉降位移比未采用玻璃纤维注浆锚杆加固时数值急剧减小，开挖面前方待挖核心土未采用玻璃纤维注浆锚杆加固条件下贯穿的剪切滑移面，经玻璃纤维注浆锚杆加固后变为了顶部和底部的局部破坏区，隧道开挖面前方待挖核心土的塑性区深度，增强了开挖面的稳定性。 此外，岩土控制变形分析法（ADECO-RS）是在新奥理论基础上发展起来专门用于解决复杂地质隧道开挖面不稳定的一种施工方法，目的是保证隧道设计可靠、施工安全，它已成为国际上一种新型盾构隧道突破不良地质的快速施工方法。目前我国對于超前预加固的研究处于试验和探索阶段，也缺乏工程实践。随着地下工程建设规模的不断扩大，软岩隧道开挖面变形破坏机制及控制技术必将得到越来越多的研究和应用。 【参考文献】 【1】蒋华，刘军， 原海军，等.盾构始发中的玻璃纤维筋应用研究[J].市政技术，2014，32（6）：79-82. 【2】刘小东.洞内始发盾构区间工程玻璃纤维筋施工技术[J].铁道建筑技术，2015（7）：36-37. 【3】姚志刚，郭建宁，方勇，等.强透水砂卵石地层泥水盾构掌子面塌方处理措施研究[J].施工技术，2017，46（8）：119-122. |
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