克泥效不同设计参数对盾构掘进时土体稳定性的影响研究

党济国

中铁上海工程局集团有限公司城市轨道交通工程分公司 上海 201906

1 工程概况

福州地铁6号线2标5工区盾构工程时间紧、任务重、难度大，区间左右线共需穿越Ⅰ级风险源16次，其中左线盾构始发后第27环至63环穿越Ⅰ级风险源，穿越时隧道范围内对应地层为淤泥质土、强风化凝灰岩等软弱地层。其中，还需要穿越的1座2～9层混凝土结构酒店为风险建筑。该酒店为沉管灌注桩基础，桩长23 m，与隧道结构最小水平距离3.78 m，房屋基础底部位于隧道结构底部以下，隧道埋深10.6～11.6 m，酒店无损伤鉴定结果为Du级。

2 HS模型建立

2.1 HS模型及参数意义

HS模型是Plaxis有限元计算软件中的一种土体本构模型，加载模量和卸载模量可分别定义，主要用于不同类型土体（如软土、硬土等）的模拟分析。计算中引入盖帽型屈服面，如图1所示，即当在主应力的空间中，屈服面是变化的，是随着塑性应变而膨胀的，主应力空间中的HS模型屈服面如图2所示。

图1 HS模型关于三轴试验的应力-应变关系

图 2 主应力空间中HS模型屈服面

该模型能够同时验证土体的剪切和压缩硬化这2个因素，且采用摩尔-库仑破坏准则，是较全面的本构模型。HS模型的应力应变双曲线关系，由标准三轴排水通过计算验证得出。偏应力q与竖向应变ε1的关系如式（1）所示。

式中：Rf——三轴排水试验土体的破坏比； E50——三轴固结排水试验割线模量；

qa——土体可以最大承受的抗剪强度值；

qf——在实验中所承受的最大偏应力。

为保证HS模型得到准确结果，在模拟过程中必须要依靠参数的精确性，经过大量实践和相关试验，得到了HS模型参数如表1所示。

表1 土体HS模型参数和意义

2.2 HS模型的建立

为研究克泥效与水玻璃混合液对混凝土管片与土体空隙填充的特性[1-3]，利用Plaxis有限元分析软件建立数值模型：管片周围土体为淤泥地层，在进行模拟建立HS模型的过程中要考虑的因素有：土体的硬度变化、应力的偏转路径等，而且模拟结果得到的精确数值还要和实际工程土体的检测数值进行对比，这样才能够将实际变形情况全面地表现出来，具体几何模型及网格划分如图3所示。

3 计算分析

3.1 Plaxis计算模型的建立

采用有限元计算软件Plaxis建立盾构施工计算模型，以此进行盾构穿越的风险模拟，研究不同克泥效与水玻璃混合液的参数对地层变形控制的影响。在建立的模型中，隧道开挖方向用x方向来表示，y方向为地层埋深方向，取x方向计算尺寸为30 m，y方向计算尺寸为25 m，6号线管片外径6.20 m，开挖断面直径6.48 m，盾构机外壳与土层间的间隙按0.14 m计算，该间隙用克泥效与水玻璃混合液填充，隧道净距11.4 m。模型边界条件为：上边界自由，左右及下边界固定。模型规定，以6号线两隧道中心为原点，以盾构推进方向为正向，计算模型及计算点位置如图3所示。

3.2 特定参数下不同计算断面变形分析

克泥效与水玻璃混合液主要是由克泥效浆液和水玻璃浆液根据不同配合比组合，且混合液的主要物理性能由克泥效决定，因此本文仅对克泥效的不同参数对土体变形的影响进行分析。

数值模拟计算时，克泥效弹性模量取10 000 kPa，泊松比取0.25，黏聚力取10 kPa。根据计算结果，盾构隧道累计沉降最大值为4.5 mm（图4）。

图3 HS模型网格

图4 最大位移云图

3.3 克泥效不同设计参数对土体变形的影响

3.3.1 克泥效不同弹性模量对变形的影响

地层和穿越风险源变形控制会根据克泥效的填充程度发生改变，填充越及时则填充程度越饱满，地层和穿越风险源变形控制的越好，反之则越差。克泥效弹性模量取500 kPa模拟无填充状态、取20 000 kPa模拟半密实状态、取40 000 kPa模拟完全密实状态，以此进行数值模拟分析。通过分析可将地层和穿越风险变形控制受克泥效填充密度的变化程度表现出来。模拟结果显示：在无填充状态下，土体最大位移为11.3 mm；在半密实状态下，土体最大位移为4.1 mm；在完全密实状态下，土体最大位移为3.5 mm。

对模拟结果进行分析可得出如下结论：如果在进行盾构挖掘的过程中，没有及时用克泥效与水玻璃混合液填充地层，那么地层穿越风险源沉降和变形就会变大，当盾构机与土层的间隙超过10 mm，就会使得穿越风险源的变形超过5 mm的要求；如果及时用克泥效与水玻璃混合液填充盾构机与土层间的间隙，那么弹性模量几乎不会发生改变，也就近似于原状地层，所以地层和穿越风险源变形的变化程度就小，甚至可以忽略不计。由此可知，地层和穿越风险源变形控制是受克泥效影响的，当克泥效的弹性模量数值越大，地层和穿越风险源的变形就会越小。

3.3.2 克泥效不同泊松比对土体变形的影响

在克泥效的弹性模量值不变的条件下，对克泥效的泊松比对地层变形及穿越风险源沉降的影响进行研究。选定克泥效完全密实的状态（即弹性模量为40 000 kPa时），分别取泊松比为0.20、0.25、0.30进行数值模拟。模拟结果显示：当泊松比为0.20时，土体的最大位移为5.2 mm；当泊松比为0.25时，土体的最大位移为4.5 mm；当泊松比为0.30时，土体的最大位移为4.2 mm。

对模拟结果进行分析可得出如下结论：在克泥效的弹性模量不变的情况下，地层变形及穿越风险源沉降会因为泊松比产生一定的变化，当泊松比的取值越大，地层变形及穿越风险源沉降越小。

3.3.3 克泥效不同黏聚力对变形的影响

在克泥效弹性模量及泊松比不变的条件下，对克泥效的黏聚力对地层变形及穿越风险源沉降的影响进行研究。选定克泥效半密实的状态（即弹性模量为10 000 kPa时）、泊松比为0.25时，分别取黏聚力为5、10、20 kPa进行数值模拟。模拟结果显示：黏聚力的不同，对地层和穿越风险源沉降影响的程度不明显。在黏聚力为5、10、20 kPa这3种情况下，反映出的最大的沉降值为4.5 mm（见图4）。

4 理论分析验证

4.1 整体思路

针对本工程下穿风险源建（构）筑物较多的情况，为了达到减小盾构穿越建（构）筑物期间地面沉降的目的，在不包裹盾体的情况下，利用克泥效与水玻璃的混合液高黏度胶化体、不易受水稀释的特点，盾构在淤泥地层中穿越风险建（构）筑物时，从盾构机中盾径向孔处向土体与盾体的间隙处注入克泥效与水玻璃混合液，起到减小地面沉降的作用。那么，如何选用材料、确定混合液配比、确定注入量及速度等问题将尤为重要。

4.2 材料选用

克泥效主要由合成钙基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂等混合而成，现无明确技术指标，现场使用时选用黏性较强的克泥效；水玻璃的黏聚力强、耐热性和耐水性都很好，而且还具有耐碱和耐酸性，是一种矿黏合剂。所以在施工过程中选用40 Bé的高效能水玻璃。

4.3 配比选定

在克泥效施工前，对克泥效与水玻璃混合液配比进行试验对比，考虑区间地下水较为丰富，在室外环境下凝结时间需较快，按凝结时间4.5 s，黏度30～50 Pa·s进行试验、配比，经过多次试验确定克泥效∶水玻璃=20∶1，即每立方米克泥效与水玻璃混合液中的克泥效用量为400 kg，混合液凝结时间与黏度满足施工要求。

4.4 注入孔确定

因本工程Ⅰ级风险源（即2～9层混凝土结构酒店）在区间隧道左线左侧，同时为了更及时地填充盾壳与围岩之间的空隙，故选定中盾靠前的左上部径向孔注入克泥效与水玻璃的混合液。

4.5 每环注入量及注入速度

盾构机刀盘直径为6 480 mm，管片外径6 200 mm，管片长度为1.2 m，根据计算每环应注入0.48 m3克泥效与水玻璃的混合液，按照130%的理论填充系数（淤泥等软土层），每环掘进克泥效注入量为0.62 m3，泵送压力控制在0.4～0.6 MPa。

克泥效注入时间同同步注浆，遵循“掘进必须注浆”的原则，注入速度如表2所示。

表2 克泥效与水玻璃混合液注入速度

5 实施效果对比

使用前：在福州地铁6号线2标段5工区区间隧道右线穿越Ⅰ级风险源时，未使用克泥效，在水平间距更大的情况下最大沉降达到－17.5 mm，地面监测沉降数据偏大。

使用后：左线穿越Ⅰ级风险源时，使用了克泥效，成功地安全穿越，人工监测录得的最大累计沉降值为－5.0 mm，自动化监测录得的最大累计沉降为－5.6 mm。

使用克泥效与水玻璃混合液后，盾构施工过程中，地面沉降明显减小，实现了盾构安全、顺利地穿越，得到了业主的一致好评。同时达到了控制成本、减少后期施工，甚至替代地面建筑物预加固、减小地面施工占道影响交通及降低穿越风险的目的。

6 结语

通过进行HS模型数值模拟并对模拟结果进行分析后得出，地层在掘进过程中，克泥效与水玻璃混合液填充盾构间隙的施工方案能够减少对地层土体的破坏，防止沉降和变形，减少建筑物的损害，所以该方案在盾构穿越及盾构停机保压过程中可操作性强、安全系数高，减少损害，可以推广应用。

克泥效与水玻璃在盾构掘进淤泥地层中的应用是利用克泥效与水玻璃混合液为高黏度胶化体不易受水稀释的特点，盾构施工在淤泥地层中穿越高风险建构筑物时，通过盾体径向孔注入，从而迅速填充盾壳与周围土体间隙，且在不包裹盾体的情况下，减小了土体沉降，起到保障安全穿越的作用。