Π形地下连续墙盾构进出洞施工技术研究

材料代替（如玻璃纤维筋GFRP、竹筋），其它类似材料代替钢筋后，应该既满足盾构井围护结构的功能要求，又满足盾构机直接切削洞门的要求。

本工法适用于在岩层或复合地层中的盾构进出洞施工，其原因是玻璃纤维筋地连墙能够被配置滚刀为主的土压平衡盾构机切削，配置刮刀为主的盾构机难以破除玻璃纤维筋混凝土，泥水平衡盾构机需小心控制玻璃纤维筋混凝土的大杂块堵塞管路。

本工法用玻璃纤维筋或竹筋代替了钢筋，极大地降低了工程成本，主要应用在地质条件较好的盾构进出洞工程中，易挖除性、临时性与经济性是该方法优于其它加固方式的主要特点，使之适用于TBM、盾构等机械化施工而不会损坏刀具，能够广泛应用在盾构始发与到达施工中。

1.3 施工工艺

本工法施工工艺流程为：测量放线→导墙制作→泥浆制备及调整→地连墙成槽和清底置换→ GFRP 筋笼和竹筋笼的制作和吊放→水下混凝土灌注→接头施工→接头管的顶拔→全段施工完成，如图2所示。

2 三维有限元数值模型的建立

2.1 计算模型和参数选取

本数值模型几何尺寸为：纵向长度（Z轴）40 m，垂直深度（Y轴）50 m，横向长度（X轴）50 m。盾构隧道中心埋深为地表以下21 m，开挖直径取为7 m；地连墙厚度取为1 m；②、③号地连墙纵向轴线间距9 m，长度取最短长度6 m。模型几何尺寸如图3所示。

边界条件为：纵向（Z轴）前后边界面盾构掘进方向位移被约束，横向（X轴）左右边界面垂直于盾构掘进方向位移被约束，深度方向（Y轴）上边界为自由面，下边界为固定边界。不考虑地面超载情况，只考虑土体自重。土体材料选取沿海地区常见的海相粘土，采用修正剑桥本构模型，参数见表1。Π形地下连续墙采用线弹性模型，参数取值为弹性模量2.0×104MPa、泊松比0.20、密度2.5 g/cm3[10-15]。

2.2 模拟方法

根据盾构始发时的实际过程，本次数值模拟分为4个工况进行计算。工况1：初始地应力场模拟；工况2：盾构直接切削地连墙洞门，地连墙后暴露土体表面施加200 kPa应力模拟盾构掌子面推力；工况3：盾构向土体中掘进2 m，此时暴露出来的土体表面施加200 kPa应力模拟盾构机的支承作用；工况4：盾构再向土体中掘进4 m，暴露出来的土体表面同样施加200 kPa应力[16-20]。

3 数值计算结果与分析

3.1 工况1

在该模型参数取值和自重作用下产生的应力场为初始应力场，该工况下深度方向（Y轴）应力云图如图4所示，可知初始应力场最大压应力为1.132MPa。

3.2 工况2

3.2.1 Π形地下连续墙

工况2下Π形地下连续墙基本不发生位移，图5为工况2下Π形地连墙最大主应力和最小主应力云图，最大主应力云图可以看出Π形地连墙工况2下所受最大压应力为1.157 MPa，压应力随着深度的加深越来越大；最小主应力云图可以看出Π形地连墙工况2下所受最大拉应力为0.331 MPa，最大拉应力集中在开挖洞门左右两侧，此时②、③号地连墙受力特点相当于悬臂板受力。最大拉、压应力值均在设计强度范围之内，且有较多富余。

3.2.2 墙后土体

图6为工况2下洞门处暴露土体的纵向（Z轴）位移图，可以看出暴露掌子面最大位移为64.5 mm，位于暴露掌子面的中心附近。

图7为地表路径1和路径2的沉降曲线，地表路径1位于洞门正上方，从地连墙后一直到墙后39 m，地表路径2为②、③号地连墙末端间距连线，距①号地连墙6 m。可以看出：工况2下地表路径1最大沉降量约为1.37 mm，在距离①号地连墙约12 m处；地表路径2最大沉降量约为1 mm，位于②、③号地连墙中间。

3.3 工况3

图8为工况3下Π形地连墙最大主应力和最小主应力云图，可以看出：工况3下所受最大压应力值为1.545 MPa，较大压应力主要集中在②、③号地连墙靠近洞门内侧（如图8（a）圈出部分所示）；工况3下所受最大拉应力值为0.722 MPa，较大拉应力集中在②、③号地连墙靠近洞门外侧（如图8（b）圈出部分所示）。同样，最大拉、压应力值均在设计强度范围之内，且有较多富余。

由图7可知：工况3下地表路径1最大沉降量约为2.56 mm，在距离①号地连墙约13 m处；地表路径2最大沉降量约为1.83 mm，位于②、③号地连墙中间。

3.4 工况4

图9为工况4下Π形地连墙最大主应力和最小主应力云图。由图9可知：工况4下最大压应力值为2.803 MPa，主要集中在②、③号地连墙靠近洞门内侧（如图9（a）圈出部分），且较工况3范围扩大；工况4下最大拉应力值为1.853 MPa，集中在②、③号地连墙靠近洞门外侧（如图9（b）圈出部分），较工况3范围也在扩大。同样，最大拉、压应力值均在设计强度范围之内，且有较多富余。

由图7可知：工况4下地表路径1最大沉降量约为6.51 mm，在距离①号地连墙约13 m处；地表路径2最大沉降量约为4.94 mm，位于②、③号地连墙中间。

4 结束语

本文对Π形地下连续墙盾构进出洞施工方法作一简单介绍，运用有限元软件建立数值模型对不同工况下盾构始发进行数值分析，主要得出：

（1）Π形地下连续墙盾构进出洞施工方法的优点：无需人工凿除洞门，节省大量工期；围护结构外侧土体无需进行加固，降低工程造价；围护结构直接在盾构机进出洞阶段发挥挡土、止水作用，进出洞安全得到很大保证。

（2）工况2、3和4下Π形地连墙的最大压应力值分别为1.157、1.545、2.803 MPa，最大拉应力值分别为0.331、0.722、1.853 MPa；较大压应力主要集中在②、③号地连墙靠近洞门内侧，较大拉应力主要集中在②、③号地连墙靠近洞门外侧，随着盾构开挖推进其范围在扩大；总体上最大拉、压应力值均在设计强度范围之内，且有较多富余。

（3）Π形地下连续墙在整个开挖过程中基本不发生位移；工况2、3和4下地表路径1最大沉降量分别约为1.37、2.56、6.51 mm，都位于距离①号地连墙约12～13 m处；地表路径2最大沉降量分别约为1.00、1.83、4.94 mm，位于②、③号地连墙中间。

从数值模拟情况可以看出，在盾构始发掘进过程中，地连墙受力在设计强度范围之内，地表位移也很小，Π形地下连续墙盾构进出洞施工方法是可行的。

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