軟弱地層盾構(gòu)隧道端頭井土體加固技術(shù)

王 松

(常州市軌道交通發(fā)展有限公司，江蘇常州 213000)

伴隨著城市化進(jìn)程，日益擁擠的交通使地下鐵道等其它一些交通隧道的建設(shè)成為城市發(fā)展的必然，現(xiàn)代城市對(duì)地下交通隧道建設(shè)在數(shù)量和質(zhì)量上都有了更高的要求。

近兩三年以來(lái)，我國(guó)盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)施工過(guò)程中時(shí)有事故發(fā)生。盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)是整個(gè)盾構(gòu)施工中關(guān)鍵的2個(gè)環(huán)節(jié)，也是盾構(gòu)施工中最容易發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故的2道工序。盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)施工過(guò)程中所發(fā)生的事故一般是源自土體不穩(wěn)和滲漏、涌水、涌砂所致，盾構(gòu)端頭加固是確保盾構(gòu)順利始發(fā)和安全到達(dá)的必要措施。

1 端頭加固理論

在盾構(gòu)端頭加固研究中，可以將加固土體簡(jiǎn)化為彈性薄板，視作小撓度問(wèn)題進(jìn)行研究。且這樣的研究計(jì)算結(jié)果對(duì)于實(shí)際是厚板的端頭加固土體而言，是偏于安全的，不會(huì)出現(xiàn)工程問(wèn)題或事故。

盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭加固土體受力機(jī)理的分析與研究，往往將加固土體簡(jiǎn)化為圓形薄板。盾構(gòu)始發(fā)與盾構(gòu)到達(dá)端頭加固土體受力類似，端頭加固土體均受到側(cè)向的水土合力的作用。簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型如圖1。

圖1 薄板理論計(jì)算模型

已有的理論模型將端頭加固土體受到的水土側(cè)壓力簡(jiǎn)化為均布荷載，雖然可近似求得盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭土體加固強(qiáng)度與縱向加固范圍之間的相互關(guān)系，但是均布荷載模型無(wú)法反映端頭加固土體的實(shí)際受力情況。為了反映端頭加固土體的真實(shí)受力狀況、加固土體的強(qiáng)度特征和破壞模式，總結(jié)了傳統(tǒng)荷載簡(jiǎn)化模型的優(yōu)缺點(diǎn)后，在彈性允許范圍內(nèi)，建立了端頭加固土體的等效力模型，見(jiàn)圖2。

圖2 端頭加固土體的等效力模型

由于采用旋噴樁、攪拌樁可以獲得均質(zhì)、高強(qiáng)度的加固體，因此，可以通過(guò)土質(zhì)和結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，確定加固土體厚度。改良斷面研究見(jiàn)圖3。

式中:c為加固體黏聚力;R為到塑性范圍外的距離;H為隧道中心深度;γ為土重度。

圖3 改良斷面

將加固體看作是作用豎井擋土墻支撐的圓板來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，確定加固體厚度t。

水平土壓力考慮為靜態(tài)土壓力或主動(dòng)壓力，水壓以調(diào)查結(jié)果為主，砂土中進(jìn)行水土分算，透水性差的黏土進(jìn)行水土合算。

式中:r為工作井端墻開(kāi)洞的半徑，r=D/2;t為加固土體的厚度;σt為加固土體的極限抗拉強(qiáng)度，一般可取其極限抗壓強(qiáng)度的10%，即σt=qu/10;k1，k2為安全系數(shù)，一般取1.5;w為作用于洞門(mén)中心處的側(cè)向水土壓力;μ為加固后土體的泊松比;τc為加固后土體的極限抗剪強(qiáng)度。

加固土體在地面荷載p和上部土體作用下可能沿某滑動(dòng)面向洞內(nèi)整體滑動(dòng)，假定滑動(dòng)面是以端墻開(kāi)洞外頂點(diǎn)O為圓心、開(kāi)洞直徑D為半徑的圓弧面。假定拆除臨時(shí)擋土墻時(shí)形成圓弧滑動(dòng)面來(lái)檢驗(yàn)加固體整體穩(wěn)定性。計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

圖4 穩(wěn)定性計(jì)算模型

滑動(dòng)力矩公式見(jiàn)公式4。

式中:M1為地面荷載P引起的下滑力矩，M1=PD2/2;M2為上覆土體自重引起的下滑力矩，M2=Q上D/2;M3為滑移圓環(huán)線內(nèi)土體的下滑力矩，M3=γD3/3，γ為加固后土體的重度，一般可取γ=20 kN/m3。抵抗下滑力矩為

加固范圍主要根據(jù)加固方法和地層情況、始發(fā)或到達(dá)端頭決定。

在采用攪拌樁等常用加固方法的情況下，始發(fā)加固厚度t一般不小于6 m，到達(dá)加固長(zhǎng)度一般不小于3 m。但在特殊地層始發(fā)時(shí)，考慮到抗?jié)B等因素，加固厚度須增加，如在粉細(xì)砂層中始發(fā)增加為10 m，到達(dá)增加為9 m。加固深度一般是洞門(mén)上部3 m和下部2 m范圍，砂層中底部深度還應(yīng)增加，防止出現(xiàn)管涌。

采用旋噴或攪拌樁的最小加固厚度，見(jiàn)圖5。

圖5 最小加固厚度

設(shè)計(jì)強(qiáng)度根據(jù)土質(zhì)情況、膠凝材料、施工方法進(jìn)行取值。一般旋噴樁加固土體的強(qiáng)度可以在1 MPa以上甚至＞10 MPa，而攪拌樁加固土體強(qiáng)度 ＞0.5 MPa。安全系數(shù)根據(jù)改良目的、改良效果的期望值、施工環(huán)境等進(jìn)行綜合判斷，一般安全系數(shù)選取為1.5。

2 南京地鐵十號(hào)線珠江東站始發(fā)段土體加固設(shè)計(jì)

珠江東站始發(fā)端地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 珠江東站始發(fā)段地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)珠江東站始發(fā)端工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，為確保盾構(gòu)始發(fā)安全，需對(duì)洞門(mén)土體進(jìn)行加固處理，加固措施采用旋噴樁配合攪拌樁加降水井。攪拌樁采用三軸 φ850 mm@600 mm，排間距550 mm深層水泥攪拌樁，攪拌樁距車(chē)站端頭圍護(hù)結(jié)構(gòu)留出400 mm距離用于旋噴樁封堵、攪拌樁套孔施工，梅花形布置。旋噴樁采用單排φ800 mm@400 mm三重管旋噴?？紤]到盾構(gòu)機(jī)盾體長(zhǎng)度為9 m，加固范圍為長(zhǎng)度方向盾構(gòu)隧道開(kāi)挖輪廓線外的地層。攪拌樁實(shí)樁水泥摻量初步定為25%，空樁8%，旋噴樁水灰比初步定為1∶1，攪拌樁水灰比初步定為0.5∶1。珠江東站盾構(gòu)始發(fā)端頭采用降水措施，共布置6口降水井。在洞門(mén)打開(kāi)前進(jìn)行降水，盾構(gòu)第一環(huán)管片同步注漿飽滿后停止降水，施工時(shí)先進(jìn)行攪拌樁施工。待珠江東站主體結(jié)構(gòu)端墻完成再進(jìn)行端頭連續(xù)墻和攪拌樁之間的旋噴樁施工，經(jīng)加固的土體90 d后應(yīng)有很好的均質(zhì)性、自立性，其中試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1 MPa，滲透系數(shù)＜10－8cm/s。加固范圍詳見(jiàn)圖6。

圖6 珠江東站盾構(gòu)始發(fā)端土體加固示意(單位:cm)

通過(guò)計(jì)算，端頭加固土體強(qiáng)度與穩(wěn)定性滿足盾構(gòu)始發(fā)要求，設(shè)置6口降水井滿足排水要求。

考慮加固體可能存在局部失效情況，且該地段含有砂層，砂層地帶穩(wěn)定性較差，實(shí)際施工為了切實(shí)保證質(zhì)量、杜絕施工風(fēng)險(xiǎn)，縱向加固長(zhǎng)度增加至9 m。

3 結(jié)語(yǔ)

端頭加固是盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，端頭加固的成功與失敗直接影響到盾構(gòu)能否安全始發(fā)和到達(dá)。而盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)最容易發(fā)生事故，端頭加固的失敗又是造成事故多發(fā)的最主要原因。因此，合理選擇端頭加固施工工法，是保證盾構(gòu)順利施工的非常重要的環(huán)節(jié)。

為保證加固效果，端頭加固方案設(shè)計(jì)與施工中需重點(diǎn)解決:

1)端頭加固設(shè)計(jì)與施工要認(rèn)真調(diào)查周?chē)h(huán)境，根據(jù)地層特點(diǎn)，有針對(duì)性地選用加固方式，并進(jìn)行驗(yàn)算。

2)富水地層需要進(jìn)行降水設(shè)計(jì)與施工。降水井施工造價(jià)低、工藝簡(jiǎn)單，可以優(yōu)先考慮。

3)端頭加固設(shè)計(jì)與施工為一動(dòng)態(tài)過(guò)程，實(shí)際工作中需要根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，及時(shí)糾偏、防止事故隱患。

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