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【摘要】文章以广州地铁18号线沙溪站盾构始发工程为背景，建立三维有限差分模型，对富水砂卵石地层盾构始发加固工法进行比选，研究不同工法下盾构始发引起的地表沉降和衬砌结构应力的变化规律，选取最合适的盾构始发端頭土体加固工法。结果表明：采用深层搅拌桩法加固的工况下，盾构始发对地表沉降的影响更小，衬砌结构的应力分布状态也更良好，说明深层搅拌桩法更适用于类似的富水砂卵石地层盾构始发端头加固。
【关键词】盾构始发; 土体加固; 工法比选; 深层搅拌桩法
【中国分类号】U455.43【文献标志码】A
盾构法是目前城市地铁建设的主流工法，具有良好的施工适用性，但盾构法施工存在着一定的不足，尤其是盾构始发过程中出现的端头土体失稳、塌方及渗水等工程安全问题，已经成为盾构施工事故的主要原因[1-2]。盾构始发是盾构施工过程中最关键的环节之一，据统计，在采用盾构法施工的地铁建设中，有70 %以上的事故发生在盾构始发过程中。更严重的是，对于富水砂卵石地层，盾构始发掘进后地表沉降存在明显的“滞后”沉降的特点[3-4]，导致盾构始发安全问题更加突出，必须要做好完善的方案设计才能保证工程顺利进行。
围绕盾构始发端头土体加固已有一定的研究成果[5-8]，但目前有关端头土体加固的研究大都针对特定的工程，对于临近江河的富水砂卵石地层盾构始发工程不具有普适性。在前人的研究基础上，本文建立三维有限差分数值模型，对富水砂卵石地层盾构始发土体加固工法进行初步比选和二次比选，最后确定合适的加固工法。
1 工程概况
广州地铁18号线六分部工程南起南村万博站，北至石榴岗站，中间经过沙溪站，线路全长约8.4 km。本标段盾构始发位置位于沙溪村，正线由沙溪站大里程端直线段始发。
盾构始发处场地地貌属于珠江三角洲冲积平原（滨海沉积区），地形较平坦，相对高差较小，地面高程一般为4.0～7.0 m。始发处地层从上至下分别为<1>杂填土、<2>淤泥质粉细砂、<3>粉细砂、<7>强风化泥质粉砂岩、<8>中风化泥质粉砂岩。
盾构始发处地表水较为发育，地下水主要有第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水。场地地下水动态变化具季节性，主要受降雨季节支配，年变化幅度约为1.0～1.5 m。
2 端头加固方法初步比选
盾构始发与到达时需要凿除洞门，这时会由于土压释放引起地基松动和崩塌，此时必须采用必要的辅助工法对自稳性较差的土体进行加固处理，防止地层失稳和地下水流入，给周围的路面和地下埋设物造成影响。
目前作为盾构始发与到达的辅助工法，主要有深层搅拌法、注浆法、冻结法、降水法以及一些不太常用的如双重钢板桩法、开挖回填法等其他工法。在实际施工中，这些工法可单独使用，也可组合使用。如高压旋喷桩+水泥土深层搅拌桩适用于软土地区;降水+地层加固适用于砂性土层;分层注浆适用于全断面岩石地层等。目前主要的土体加固工法及其特点如表1所示。
结合当地的工程水文地质以及表1的分析，对各种工法进行初步比选：
（1）冻结法加固在施工过程中冻土的融沉性和冻胀性会对地面沉降产生较大影响，且施工工期较长，施工造价高，不适用于本工程。
（2）注浆法加固风险较高，施工质量无法得到有效保证，但注浆法工期短，造价低，如果能保证其施工质量，减小盾构始发对地层的影响，可以用于本工程施工。
（3）本始发工程离珠江过近，在潮汐作用的影响下水头变化较频繁，采用降水法无法达到预期的降水效果，在施工过程中可行性较低，因此降水法不适用于本工程。
（4）深层搅拌桩法适用于不同的工程地质，可以用于饱和软黏土和各种正常固结的素填土、淤泥质土、黏性土等土层，并且对周围地层的扰动较小，施工简单，造价较低。但是在富水地层，深层搅拌桩加固技术需要与其他工法联合使用。
基于上述分析，可以发现：降水法和冻结法不适用于本工程，注浆法和深层搅拌桩加固法适用于本工程，需要对这两种工法的适用性和可行性进一步判断和比较。
3 数值模型
3.1 模型的建立
为了对注浆法和深层搅拌桩法两种加固工法进行进一步比选，本文采用有限差分软件FLAC3d建立考虑实际地层分布的三维有限元模型，模型整体尺寸为高60 m×宽76.2 m×长72.85 m，模型底部约束三个方向的位移，左右两侧约束X方向位移。隧道外径8.5 m，衬砌厚度0.4 m。根据施工参数，在盾构掘进前方（即掌子面处）施加0.3 MPa的压力来模拟盾构顶进力。
两种工法的加固范围分别为：
（1）深层搅拌桩法：中间加固体的范围是横向12.9 m，纵向11.2 m，竖向27.5 m，并在加固体外侧施做0.8 m厚的地下连续墙以及0.85 m厚的深层搅拌桩。
（2）注浆法：注浆加固体的范围是横向16.5 m，纵向11.2 m，竖向16.5 m。
两种加固工法对应的计算模型及网格划分见图1。
3.2 参数的选取
根据工程地勘报告，地层由地表至基岩的各主要土层分别为<1>、<2>、<3>、<7>、<8>，地层力学行为符合Mohr-Coulomb准则，管片和各加固体采用弹性本构。各土层的力学参数如表2所示，隧道衬砌和各加固体的力学参数如表3所示。
3.3 监测点的布置
为了更加直观地分析盾构始发对周围土体的影响，选取与始发处距离较近的DK48-148和DK48-158为监测断面，并且在两监测断面处布置6个地表沉降监测点，监测点布设情况如图2所示。
4 计算结果分析 4.1 地表沉降分析
盾构始发土体加固对施工期始发处的地表沉降控制有较
严格的要求。两种工况下的地表沉降云图如图3所示。
由图3可知：采用深层搅拌桩法加固的工况中，受盾构掘进影响而产生沉降的地层主要是隧道正上方及正下方的部分区域;采用注浆法加固的工况中，受盾构掘进影响的地层范围更大。
为了进一步比较两种工法中的地表沉降数值，提取图2所示的各监测点处沉降数值，并与实测值进行比较，其结果如图4所示。
由图4可知：（1）对于1号、2号、3号监测点，采用深层搅拌桩法的地表沉降数值为4.78 mm、5.95 mm和6.33 mm，远小于注浆法的6.20 mm、8.717 mm和9.334 mm，对于4号、5号、6号监测点，采用深层搅拌桩法的地表沉降为7.521 mm、10.412 mm和11.517 mm，略大于注浆法的7.201 mm、9.845 mm和10.472 mm，综合来看深层搅拌桩法
加固后地表产生的沉降更小，具有更好的加固效果。
（2）深层搅拌桩加固工况下，各监测点处的沉降计算值均与现场实测值更为接近，说明数值模拟效果较好，能反映施工现场的实际情况。
4.2 衬砌应力分析
衬砌的应力分布是判断土体加固效果的另一个指标，受拉应力状态对衬砌有不利影响，因此提取两种工况下衬砌的最大主应力云图如图5所示。
由图5可知：（1）兩种工况下衬砌结构均有部分位置处于受拉状态（最大主应力为正），且受拉位置均出现在拱底内侧区域。
（2）采用深层搅拌桩法工况的衬砌最大主应力最值为0.013 MPa，而注浆法工况的衬砌最大主应力最值0.088 MPa，两种工况下的拉应力数值均较小，不会对结构产生明显的不利影响，但是相较而言前者的拉应力数值更小，说明深层搅拌桩法有更好的土体加固效果，更加适用于本工程的施工。
5 结论
本文依托广州地铁18号线沙溪站盾构始发工程，采用三维数值模拟的方法，对不同土体加固工法条件下的地表沉降和衬砌应力进行对比分析，得到以下结论：
（1）当前主流的土体加固工法中，降水法和冻结法明显不适用于本工程，注浆法和深层搅拌桩加固法可用于本工程。
（2）对比地表沉降结果可知，深层搅拌桩法工况的计算值与实测值更接近，且该工况下1号、2号、3号监测点处的沉降值明显更小，4号、5号、6号监测点处的沉降值与注浆法工况差异不大。
（3）对比衬砌应力结果可知，两种工况下衬砌均在拱底内侧位置出现受拉，深层搅拌桩加固工况下衬砌最大拉应力为0.013 MPa，远小于注浆加固法的最大值0.088 MPa。
（4）综合本文分析结果，对于类似的富水砂卵石地层盾构始发工程，深层搅拌桩法加固后地表沉降更小，衬砌应力分布状态更合理，说明深层搅拌桩法加固效果更好，在施工设计的过程中可以优先考虑。
参考文献
[1] 李大勇，王晖，王腾.盾构机始发与到达端头土体加固分析[J].铁道工程学报，2006（1）：87-90.
[2] 刘恒伏，胡森，王有旗，等.流塑状淤泥质地层盾构小半径始发加固范围研究[J].四川建筑，2020，40（2）：125-127+130.
[3] 白永学. 富水砂卵石地层盾构施工诱发地层塌陷机理及对策研究[D].成都：西南交通大学，2012.
[4] 滕丽，张桓.盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征细宏观分析[J].岩土力学，2012，33（4）：1141-1150+1160.
[5] 王天明，戴志仁.盾构法隧道端头井地层加固方法及其应用研究[J].铁道工程学报，2014，31（8）：90-95+100.
[6] 胡俊. 高水压砂性土层地铁大直径盾构始发端头加固方式研究[D].南京：南京林业大学，2012.
[7] 赵智辉. 高富水砂性土冻胀融沉特征及盾构始发冻结加固研究[D].太原：太原理工大学，2019.
[8] 胡新朋，孙谋，王俊兰.软土地区地铁盾构施工端头土体加固要求探讨[J].隧道建设，2006（5）：11-13.
【关键词】盾构始发; 土体加固; 工法比选; 深层搅拌桩法
【中国分类号】U455.43【文献标志码】A
盾构法是目前城市地铁建设的主流工法，具有良好的施工适用性，但盾构法施工存在着一定的不足，尤其是盾构始发过程中出现的端头土体失稳、塌方及渗水等工程安全问题，已经成为盾构施工事故的主要原因[1-2]。盾构始发是盾构施工过程中最关键的环节之一，据统计，在采用盾构法施工的地铁建设中，有70 %以上的事故发生在盾构始发过程中。更严重的是，对于富水砂卵石地层，盾构始发掘进后地表沉降存在明显的“滞后”沉降的特点[3-4]，导致盾构始发安全问题更加突出，必须要做好完善的方案设计才能保证工程顺利进行。
围绕盾构始发端头土体加固已有一定的研究成果[5-8]，但目前有关端头土体加固的研究大都针对特定的工程，对于临近江河的富水砂卵石地层盾构始发工程不具有普适性。在前人的研究基础上，本文建立三维有限差分数值模型，对富水砂卵石地层盾构始发土体加固工法进行初步比选和二次比选，最后确定合适的加固工法。
1 工程概况
广州地铁18号线六分部工程南起南村万博站，北至石榴岗站，中间经过沙溪站，线路全长约8.4 km。本标段盾构始发位置位于沙溪村，正线由沙溪站大里程端直线段始发。
盾构始发处场地地貌属于珠江三角洲冲积平原（滨海沉积区），地形较平坦，相对高差较小，地面高程一般为4.0～7.0 m。始发处地层从上至下分别为<1>杂填土、<2>淤泥质粉细砂、<3>粉细砂、<7>强风化泥质粉砂岩、<8>中风化泥质粉砂岩。
盾构始发处地表水较为发育，地下水主要有第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水。场地地下水动态变化具季节性，主要受降雨季节支配，年变化幅度约为1.0～1.5 m。
2 端头加固方法初步比选
盾构始发与到达时需要凿除洞门，这时会由于土压释放引起地基松动和崩塌，此时必须采用必要的辅助工法对自稳性较差的土体进行加固处理，防止地层失稳和地下水流入，给周围的路面和地下埋设物造成影响。
目前作为盾构始发与到达的辅助工法，主要有深层搅拌法、注浆法、冻结法、降水法以及一些不太常用的如双重钢板桩法、开挖回填法等其他工法。在实际施工中，这些工法可单独使用，也可组合使用。如高压旋喷桩+水泥土深层搅拌桩适用于软土地区;降水+地层加固适用于砂性土层;分层注浆适用于全断面岩石地层等。目前主要的土体加固工法及其特点如表1所示。
结合当地的工程水文地质以及表1的分析，对各种工法进行初步比选：
（1）冻结法加固在施工过程中冻土的融沉性和冻胀性会对地面沉降产生较大影响，且施工工期较长，施工造价高，不适用于本工程。
（2）注浆法加固风险较高，施工质量无法得到有效保证，但注浆法工期短，造价低，如果能保证其施工质量，减小盾构始发对地层的影响，可以用于本工程施工。
（3）本始发工程离珠江过近，在潮汐作用的影响下水头变化较频繁，采用降水法无法达到预期的降水效果，在施工过程中可行性较低，因此降水法不适用于本工程。
（4）深层搅拌桩法适用于不同的工程地质，可以用于饱和软黏土和各种正常固结的素填土、淤泥质土、黏性土等土层，并且对周围地层的扰动较小，施工简单，造价较低。但是在富水地层，深层搅拌桩加固技术需要与其他工法联合使用。
基于上述分析，可以发现：降水法和冻结法不适用于本工程，注浆法和深层搅拌桩加固法适用于本工程，需要对这两种工法的适用性和可行性进一步判断和比较。
3 数值模型
3.1 模型的建立
为了对注浆法和深层搅拌桩法两种加固工法进行进一步比选，本文采用有限差分软件FLAC3d建立考虑实际地层分布的三维有限元模型，模型整体尺寸为高60 m×宽76.2 m×长72.85 m，模型底部约束三个方向的位移，左右两侧约束X方向位移。隧道外径8.5 m，衬砌厚度0.4 m。根据施工参数，在盾构掘进前方（即掌子面处）施加0.3 MPa的压力来模拟盾构顶进力。
两种工法的加固范围分别为：
（1）深层搅拌桩法：中间加固体的范围是横向12.9 m，纵向11.2 m，竖向27.5 m，并在加固体外侧施做0.8 m厚的地下连续墙以及0.85 m厚的深层搅拌桩。
（2）注浆法：注浆加固体的范围是横向16.5 m，纵向11.2 m，竖向16.5 m。
两种加固工法对应的计算模型及网格划分见图1。
3.2 参数的选取
根据工程地勘报告，地层由地表至基岩的各主要土层分别为<1>、<2>、<3>、<7>、<8>，地层力学行为符合Mohr-Coulomb准则，管片和各加固体采用弹性本构。各土层的力学参数如表2所示，隧道衬砌和各加固体的力学参数如表3所示。
3.3 监测点的布置
为了更加直观地分析盾构始发对周围土体的影响，选取与始发处距离较近的DK48-148和DK48-158为监测断面，并且在两监测断面处布置6个地表沉降监测点，监测点布设情况如图2所示。
4 计算结果分析 4.1 地表沉降分析
盾构始发土体加固对施工期始发处的地表沉降控制有较
严格的要求。两种工况下的地表沉降云图如图3所示。
由图3可知：采用深层搅拌桩法加固的工况中，受盾构掘进影响而产生沉降的地层主要是隧道正上方及正下方的部分区域;采用注浆法加固的工况中，受盾构掘进影响的地层范围更大。
为了进一步比较两种工法中的地表沉降数值，提取图2所示的各监测点处沉降数值，并与实测值进行比较，其结果如图4所示。
由图4可知：（1）对于1号、2号、3号监测点，采用深层搅拌桩法的地表沉降数值为4.78 mm、5.95 mm和6.33 mm，远小于注浆法的6.20 mm、8.717 mm和9.334 mm，对于4号、5号、6号监测点，采用深层搅拌桩法的地表沉降为7.521 mm、10.412 mm和11.517 mm，略大于注浆法的7.201 mm、9.845 mm和10.472 mm，综合来看深层搅拌桩法
加固后地表产生的沉降更小，具有更好的加固效果。
（2）深层搅拌桩加固工况下，各监测点处的沉降计算值均与现场实测值更为接近，说明数值模拟效果较好，能反映施工现场的实际情况。
4.2 衬砌应力分析
衬砌的应力分布是判断土体加固效果的另一个指标，受拉应力状态对衬砌有不利影响，因此提取两种工况下衬砌的最大主应力云图如图5所示。
由图5可知：（1）兩种工况下衬砌结构均有部分位置处于受拉状态（最大主应力为正），且受拉位置均出现在拱底内侧区域。
（2）采用深层搅拌桩法工况的衬砌最大主应力最值为0.013 MPa，而注浆法工况的衬砌最大主应力最值0.088 MPa，两种工况下的拉应力数值均较小，不会对结构产生明显的不利影响，但是相较而言前者的拉应力数值更小，说明深层搅拌桩法有更好的土体加固效果，更加适用于本工程的施工。
5 结论
本文依托广州地铁18号线沙溪站盾构始发工程，采用三维数值模拟的方法，对不同土体加固工法条件下的地表沉降和衬砌应力进行对比分析，得到以下结论：
（1）当前主流的土体加固工法中，降水法和冻结法明显不适用于本工程，注浆法和深层搅拌桩加固法可用于本工程。
（2）对比地表沉降结果可知，深层搅拌桩法工况的计算值与实测值更接近，且该工况下1号、2号、3号监测点处的沉降值明显更小，4号、5号、6号监测点处的沉降值与注浆法工况差异不大。
（3）对比衬砌应力结果可知，两种工况下衬砌均在拱底内侧位置出现受拉，深层搅拌桩加固工况下衬砌最大拉应力为0.013 MPa，远小于注浆加固法的最大值0.088 MPa。
（4）综合本文分析结果，对于类似的富水砂卵石地层盾构始发工程，深层搅拌桩法加固后地表沉降更小，衬砌应力分布状态更合理，说明深层搅拌桩法加固效果更好，在施工设计的过程中可以优先考虑。
参考文献
[1] 李大勇，王晖，王腾.盾构机始发与到达端头土体加固分析[J].铁道工程学报，2006（1）：87-90.
[2] 刘恒伏，胡森，王有旗，等.流塑状淤泥质地层盾构小半径始发加固范围研究[J].四川建筑，2020，40（2）：125-127+130.
[3] 白永学. 富水砂卵石地层盾构施工诱发地层塌陷机理及对策研究[D].成都：西南交通大学，2012.
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[5] 王天明，戴志仁.盾构法隧道端头井地层加固方法及其应用研究[J].铁道工程学报，2014，31（8）：90-95+100.
[6] 胡俊. 高水压砂性土层地铁大直径盾构始发端头加固方式研究[D].南京：南京林业大学，2012.
[7] 赵智辉. 高富水砂性土冻胀融沉特征及盾构始发冻结加固研究[D].太原：太原理工大学，2019.
[8] 胡新朋，孙谋，王俊兰.软土地区地铁盾构施工端头土体加固要求探讨[J].隧道建设，2006（5）：11-13.