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摘要：為了對軟土地基加固厚度影響隧道的上浮量進行研究，以新加坡某個隧道工程為例，軟土本構模型采取小應變硬化模型，采取PLAXIS3D建立盾構隧道有限元模型，計算并對比不同加固厚度下的隧道周圍土體受擾動范圍，河底土體位移以及隧道上浮量。通過結果看出，數據模擬土體位移在沒有對軟土進行加固時，其和理論推導結果的符合度較高，而對軟土地層進行加固處理之后，能夠讓隧道與加固土體整體抗浮，對于局部隧道的變形能夠有效地進行抑制。在加固厚度為0.10D時，相比沒有加固隧道與河底上浮量分別減少了35.3%與31.7%，而且隨著對加固厚度進行增加，受擾區和上浮量會減小。隧道環向在0.20D以上的加固厚度時，管片上浮量≤30mm，河底土體上浮量≤20mm，根據管片接頭錯臺和隧道上浮量之間的關系，接頭的偏差≤5mm，能夠滿足要求。
關鍵詞：軟土地層；大直徑盾構隧道；土體位移；管片上?。患庸毯穸?/p>
最近幾年，新加坡對越江盾構進隧道以及地鐵的需求越來越多，在實際的工程建設當中大直徑盾構應用較為廣泛。但是加大直徑，會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，會因為漿液以及地層的作用而加大浮力，讓盾構隧道結構出現上浮的情況。有相關數據說明，在軟土地層中對越江隧道進行施工，更容易出現管片脫落上浮、盾構上移的情況。最主要的是在安裝48h內有70%發生管片上浮，因此，對軟弱地層大直徑盾構隧道抗浮以及相應解決措施的研究非常有必要。
1盾構隧道工程概況
本項目為新加坡跨島線某標段，是單洞雙線鐵路隧道，起止里程59+472～62+511，全長3039m。其中盾構段2769m（579m+2190m）。盾構從空軍基地東側始發井始發（標段終點），隧道下穿空軍基地、敏感建筑物、出租車道、河床、淡濱尼路、高速公路、高架橋、石龍崗運河、LTA馬路后從CR111標段接收井處接收（標段起點）。隧道采用土壓平衡盾構機施工，579m盾構段隧道上部處于加冷組地質區域，下部處于“老沖基層（Oldalluvium）”的地質區域；2190m盾構段全斷面處于“老沖基層”的地質區域。本標段盾構隧道工程計劃采用1臺土壓平衡盾構機進行施工。盾構從空軍基地東側始發井始發，掘進2190m后于空軍基地西側明挖段工作井接收，整機拖拽118m后二次始發，掘進579m后從CR111標段接收井處接收。盾構隧道采用土壓平衡盾構機開挖，開挖出的渣土通過連續皮帶機運輸至渣土處理場。盾構掘進過程中，管片與地層之間的環形間隙采用雙液同步注漿回填。掘進完2m（1環）后在盾尾內拼裝管片。盾構隧道采用管片錯縫拼裝，采用斜螺栓連接。管片接縫采用彈性密封墊防水。盾構機在工作井進行始發，試掘進50環后，進入正常掘進階段。盾構施工全過程堅持監控量測跟蹤，實施信息化施工，以控制地層變形和確保安全。場地為軟土地層，南岸與北岸的地基是淤泥層，非常軟弱的淤泥層達到了50m的深度，這對支護設計與結構設計帶來了很大的難度。為了使管片不出現錯臺的情況，需要加固軟土。盾構拱頂以上3m為加固的范圍，兩側2.8m，底部不能低于1m，摻加的水泥量為20%。本文主要對軟弱淤泥密集的水域區進行研究，選覆土厚度最小的斷面模擬。該盾構結構主要在全風化砂巖、碎石質粉質黏土、粉質黏土、黏土以及淤泥中進行掘進，土層主要特性如表1所示。
2盾構施工配套方案
2.1本工程地質和水文地質條件的方案分析
盾構隧道579m盾構段隧道上部處于加冷組地質區域，下部處于“老沖基層”的地質區域；2190m盾構段全斷面處于“老沖基層”的地質區域。地質較為堅硬，場地廣泛分布，工程性質較差。新加坡地處熱帶，長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影響，天氣不穩定，通常在下午會有雷陣雨，平均低溫在24~25℃左右。
2.2盾構選型依據及選型原則
盾構機的選型是盾構法施工的關鍵環節，直接影響盾構隧道的施工方法、工藝及施工成本，為了保證工程的順利完成，對盾構機的選型工作應非常慎重。盾構選型主要依據工程招標文件、工程勘察報告、隧道設計、相關標準和規范，針對工程特點及難點、隧道設計參數、盾構施工工藝、進度要求等因素進行分析，對盾構類型、功能要求、主要技術參數、輔助設備的配置等進行研究。盾構機選型原則主要從安全性、可靠性、適用性、先進性、經濟性等方面綜合考慮，所選擇的機型要能盡量減少輔助施工法，并能確保開挖面穩定和適應本標段工程的地質條件。
2.3盾構機類型
土壓平衡盾構機和泥水平衡盾構機在穩定開挖面、適應地質條件、抵抗水壓、壓力波動敏感程度、控制地表沉降、渣土處理、施工場地、工程成本等方面都有較大差異，各有其獨特的適應性。
3建立模型
本文采取PLAXIS3D建立有限元模型。該模型長和高分別為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，底部設置的有固定約束，四周有法向位移約束。假設加固范圍是1個環形，把加固土層當做襯砌，主要的作用是為了減少因上浮造成的局部變形，從而減少擾動周邊的土體程度，開挖區是盾尾間隙注漿液外徑以內的區域。隧道上浮在模擬的過程當中，涉及管片結構作用，土體與漿液的復雜作用，對該模型進行假設，把管片上浮作為平面，管片為均值圓環，滲流耦合的影響不進行考慮，漿液等效為等代層。數值模擬如下，建立的淤泥地層模型要與實際工程相符，軟基預加固處理，在開挖面之外生成加固土，對隧道進行開挖，在內部對漿液與管片進行布置，以此來釋放開挖面土體應力，模擬開挖引起周圍土體回彈，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。數值模擬的關鍵是要采取合適的計算參數與本構模型，采用線彈性模型作為混凝土襯砌管片結構，采用摩爾—庫倫模型作為漿液與加固土，參數如下表2所示。對軟土層采取小應變模型來模擬，該模型能夠反映對軟土層壓縮和剪切模量在小應變范圍的變化。本文對周圍土地加固厚度分別取值為0D~0.30D。
4分析模擬結果
4.1加固厚度對抗浮的發展規律分析
土體因上浮力作用下的位移計算模型如圖1所示。該模型主要考慮隧道超挖引起周圍土體的卸載回彈力q1和漿液浮力對周圍土體的擠壓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和隧道圓心連線水平方向的夾角，θ表示管片環向壓力和豎向軸線的夾角，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表示與隧道軸線水平的距離。隧道兩側的土體會隨著加大隧道距離而減少豎向位移，與隧道豎向軸線相距2D處的豎向位移為0，根據公式（1）與公式（2）對河底土體上浮量進行計算，最大為33.2m。模擬結果與解析只有2.8mm的相差量，曲線形狀較為一致，由此對計算結果的準確性進行了驗證。土體豎向位移經過加固處理之后往隧道方向進行收縮，這說明隨著增加加固的厚度，會減少隧道周圍土體豎向擾動范圍。另外，隧道兩側豎向擾動范圍除了加固厚度為0.30D之前，都要大于沒有加固的情況。這是因為經過加固之后，改良后的土密度要比天然的土體大，最終會增大隧道兩側土體的豎向變形量，但也會對局部的隧道變形風險進行消除。
4.2合理加固厚度
通過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重。增加加固的厚度，會減小隧道的上浮量，隧道上浮量在0.30D厚度時只有17.7mm。通過對管片接頭錯臺量和隧道上浮量進行研究得出，管片接頭偏差≤5mm時，隧道上浮量≥30mm，偏差符合要求。當為0.20D的加固厚度時，上浮量在30mm以內，可以避免出現管片接頭錯臺。
5結語
數據模擬土體位移在沒有對軟土層進行加固時，其和理論推導相符，上浮量兩者之間最大只有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，相比沒有加固隧道與河底上浮量分別減少了35.3%與31.7%，而且隨著對加固厚度進行增加，地層受擾動區域和上浮量會逐漸減小。隧道環向在0.20D以上的加固厚度時，管片計算得到的上浮量≤30mm，河底土體上浮量≤20mm，根據管片接頭錯臺和隧道上浮量之間的關系，接頭的偏差≤5mm，能夠滿足要求。
作者：趙銳 單位：中鐵十四局集團有限公司
