超大直徑盾構出洞地基加固設計與施工.doc

超大直徑盾構出洞地基加固設計與施工摘 要 盾構出洞地基加固是盾構隧道掘進施工中的1個重要環(huán)節(jié)，盾構出洞過程具有較大的風險。文章根據耀華支路越江隧道工程盾構始發(fā)井的地質條件，設計了f14.88 m泥水氣平衡盾構機出洞的地基加固方案，并進行計算校核，通過精心施工，確保了盾構順利出洞，從而說明加固方案是合理的，可供今后類似工程參考。關鍵詞 泥水氣平衡盾構 盾構出洞 加固體設計 施工方案1 工程概況耀華支路越江隧道工程是目前上海單線一次穿越黃浦江距離最長（2 178 m）的隧道，采用f14.88 m超大直徑泥水氣平衡盾構機掘進施工。浦西側盾構始發(fā)井平面尺寸為24.2 m26 m，采用1 m厚、48 m深的地下連續(xù)墻圍護，開挖深度為27.467 m，盾構出洞中心埋深為16.833 m，覆土厚9.393 m。由于盾構始發(fā)井位于鬧市區(qū)，周邊環(huán)境復雜（見圖1），為保證盾構安全出洞，在鑿除預留洞門內的地下連續(xù)墻前，需對洞門外側土體進行加固。受施工場地狹小、地下管線以及工期等因素的影響，為滿足加固施工需要，加固區(qū)擬定采取深層攪拌樁法施工。圖1 工程周邊環(huán)境圖2 工程地質條件盾構出洞處各土層物理力學性指標見表1。表1 土層物理力學性質參數表層序土層名稱濕重度/kgm-3含水量/%空隙比壓縮系數/MPa-1內聚力/kPa摩擦角/()靜止側壓力系數無側限抗壓強度/kPa1褐黃色黏土18.531.60.9110.412313.50.5481灰色淤泥質粉質黏土17.540.01.1430.751412.50.5240灰色淤泥質黏土17.047.21.3361.05149.50.55432-1灰色砂質粉土夾粉質黏土18.331.30.9050.21825.50.382-2灰色黏質粉土夾粉質黏土18.032.70.9760.401219.50.48盾構出洞切削的主要土層為、2-1、2-2（見圖2）。圖2 盾構出洞切削的主要土層剖面示意圖由巖土勘察報告可知，盾構出洞處土層由上而下分別為1人工填土、1褐黃色黏土、灰色淤泥質粉質黏土、灰色淤泥質黏土、2-1灰色砂質粉土夾粉質黏土、2-2灰色黏質粉土夾粉質黏土。資料顯示，2層含微承壓水，其水頭埋深為1.752.55 m。3盾構出洞地基加固3.1 加固體尺寸的確定根據工程地質條件、隧道直徑、隧道上方覆土厚度以及耀華支路越江隧道盾構出洞處的施工環(huán)境條件，并參考以往黃浦江隧道施工經驗，采用經驗公式進行了計算，盾構前方21 m范圍需進行土體加固，其中靠近洞口14 m區(qū)域為主加固區(qū)，其強度要求大于1.0 MPa，起到滿足洞門內地下連續(xù)墻鑿除后土體自穩(wěn)無大量滲水以及洞門封堵時安全作用；前端7 m區(qū)域為弱加固區(qū)，其強度要求大于0.6 MPa，起到滿足盾構安全覆土厚度要求和土體強度由強變弱過渡作用。加固體的基本尺寸為：長21 m（其中7 m為過渡區(qū)）、寬21 m、高約24.6 m。根據施工場地、地下管線走向以及加固體的作用，對弱加固區(qū)平面尺寸進行調整，最終設計方案如圖3所示。圖3 加固體范圍示意圖3.2 加固體尺寸的校核計算3.2.1 加固體長度驗算 土體未加固前的抗滑動力矩Mr2為： （1） 式中，C土體內聚力，14 kPa； D洞口直徑，15.3 m；則：Mr=5 148 kNm。 假定土體滑移以O點為圓心、加固土體開挖內徑為半徑的圓弧線，則上部覆土自重引起的下滑力矩Md2為： （2） 式中， 土體重度， 取值為17.6 kN/m3； H自地表算起的出洞口頂部的深度，為9.4 m； D洞口直徑，為15.3 m；則：Md=40 375.84 kNm。 土體加固后滑動土體增加的抗滑動力矩Mr為： （3）式中，C為注漿引起內聚力增加，參考相關技術資料，水泥土的內聚力為其無側限抗壓強度的20%，擬定水泥土的無側限抗壓強度為1.0 MPa，則取注漿攪拌后土體的內聚力為200 kPa，則C186 kPa。 土體平衡條件為： （4） 式中，K為抗滑安全系數，取1.2。 由式（3）、（4）可得：故加固體的長度（Dsinq）應大于12.8 m。 從加固體強度考慮，用彈性力學理論計算公式計算加固體長度。 式中，W側向水土壓力，為0.013H（H 為計算點深度），m；r圓形洞門半徑，7.65 m；t加固土體的彎曲抗拉強度，0.18 MPa（無側限抗壓強度的6%30%）；K安全系數，取1.2。計算出加固體長度應大于11.3 m。3.2.2 加固體高度驗算 盾構頂部加固體的高度為塑性區(qū)半徑與盾構機半徑之差，按公式校核加固體的高度。 式中，R塑性區(qū)半徑，自盾構中心起至改良土體的高度；g加固土體的重度，18 kN/m3；C加固土體的內聚力,200 kPa；r1盾構機半徑,7.44 m；H盾構中心至地面距離，16.833 m。求得：R10.34 m，考慮安全系數，盾構頂部加固體的高度為3.48 m；同樣可計算出洞口前方7 m盾構底部加固高度為6 m；其余底部加固體高度為3.2 m。3.2.3 加固體寬度的校核在求得改良體頂部高度后，可根據幾何關系，求得改良土體的寬度為20.16 m。從加固體的長、寬、高的校核結果表明，設計的實際尺寸均滿足要求。4 加固體施工4.1 樁的布置盾構出洞洞口土體加固主要采用三軸水泥土攪拌樁加固，樁徑為1 m，孔間距為0.75 m，排間距為0.7 m。根據地基加固要求和地形情況，分為3個區(qū)域，見圖4。圖4 加固體布樁施工圖 第一個區(qū)域為緊靠地下連續(xù)墻的21 m6.3 m平面范圍，在地面以下5.9 m深度范圍內，qu0.6 MPa；其下24.6 m深度范圍內，qu1.0MPa； 第二個區(qū)域為中間的21 m7 m平面范圍，在地面以下6.9 m深度范圍內，qu0.6 MPa；其下20.8 m深度范圍內，qu1.0 MPa； 第三個區(qū)域為不規(guī)則平面范圍，在地面以下6.9 m深度范圍內無加固要求，其下20.8 m深度范圍內，qu0.6 MPa。4.2 水泥土強度檢測對于qu1.0 MPa的土體，水泥摻量為20%；對于qu0.6 MPa的土體，水泥摻量為10%。為檢測施工質量，加固體滿足齡期要求后進行了現場取芯試驗，共取4個點，每個點鉆取10、15、20、25 m深度處的加固體，經觀察，加固體連續(xù)性較好；通過試驗，各點強度均超過1.0 MPa，最大達1.62 MPa，最小也有1.23 MPa，符合設計要求。 4.3 補充措施 工作井和三軸加固區(qū)之間預留0.7 m寬的狹長夾縫，待始發(fā)井結構穩(wěn)定后、盾構機出洞前，采用三重旋噴加固進行補樁，樁徑為1.2 m，樁間距為0.9 m。補樁與工作井的地下連續(xù)墻和已加固的區(qū)域有效搭接0.25 m。 由于三軸攪拌樁與三重旋噴樁在不同時期施工，兩者之間存在1條施工縫，且離洞門僅0.7 m，而2層含微承壓水的水量較豐富，在盾構出洞階段，一旦發(fā)生大量微承壓水攜帶泥砂通過施工縫侵入工作井，對工程危害極大，因此，在鑿除洞門內的地下連續(xù)墻前，通過在洞門內斜向周圈打孔進行壓密注漿，填補施工縫，阻隔外界水力聯(lián)系。5 結語根據耀華支路越江隧道盾構出洞處的地質條件和環(huán)境條件，設計、計算并校核了出洞加固體的范圍，通過科學部署、合理布樁、精心施工，經現場鉆孔取芯檢測，試驗結果表明加固體強度達到了設計要求。洞門鑿除后，暴露出的加固面干燥、自立性強、沒有土塊剝落、也沒有發(fā)生大量滲水情況，達到設計要求。f14.88 m泥水氣平衡盾構按計劃順利出洞，