城市地鐵盾構(gòu)法隧道軟土地段端頭地層加固技術(shù)

1、文章編號(hào):10045716(200310008103中圖分類號(hào):U455143文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 城市地鐵盾構(gòu)法隧道軟土地段端頭地層加固技術(shù)孫振川(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司,河南新鄉(xiāng)453000摘要:介紹了盾構(gòu)進(jìn)出洞端頭地層加固原則,加固范圍及加固方案。關(guān)鍵詞:盾構(gòu)法;軟土;端頭;加固采用盾構(gòu)進(jìn)行隧道施工迄今已有170多年的歷史,盾構(gòu)法隧道已廣泛應(yīng)用于城市地鐵、過(guò)江隧道、排水管道等市政工程。其中著名的如英法海峽隧道、日本東京灣隧道和丹麥斯多貝爾特海峽隧道。我國(guó)的盾構(gòu)技術(shù)在20世紀(jì)90年代末期得到較大的發(fā)展,特別是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)更是在城市地鐵施工中發(fā)揮了其安全、快速、環(huán)保型特點(diǎn),例如上海地鐵M7線、

2、M8線、廣州地鐵二號(hào)線、三號(hào)線、南京地鐵南北線一期工程、深圳地鐵、北京地鐵等,雖然積累了不少軟巖(土地段盾構(gòu)施工技術(shù),但與世界先進(jìn)水平仍有一定的差距,特別是在盾構(gòu)進(jìn)出洞施工過(guò)程中,時(shí)有事故發(fā)生,并且多是規(guī)模較大的事故,其原因大部分是圍巖不穩(wěn)定(主要為軟土地層所致,一定程度上說(shuō),它已成為盾構(gòu)法隧道成敗的關(guān)鍵,本文主要針對(duì)軟土地段盾構(gòu)進(jìn)出洞端頭地層加固范圍和加固方法結(jié)合工程實(shí)踐做一簡(jiǎn)單論述。1盾構(gòu)出洞(始發(fā)和進(jìn)洞(到達(dá)端頭地層加固111盾構(gòu)進(jìn)出洞端頭地層加固原則在軟土地段,盾構(gòu)出洞(始發(fā)與進(jìn)洞(到達(dá)時(shí),為了在拆除臨時(shí)墻時(shí)保持地層的穩(wěn)定和防止地下水流入,防止在盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入地層之前其周?chē)魅氲叵滤?/p>

3、泥砂,導(dǎo)致洞周大面積地表下沉,危及地下管線和附近建筑物,因此,必須考慮地層條件、隧道埋深及周邊環(huán)境等因素對(duì)端頭進(jìn)行相應(yīng)處理。端頭加固的一般原則是:滿足拆除臨時(shí)墻能夠保證地層穩(wěn)定、防止地下水流入以及作業(yè)面壓力不足所引起的掌子面坍塌(特別是泥水盾構(gòu)。112盾構(gòu)出洞加固范圍11211縱向加固長(zhǎng)度的確定目前,對(duì)于盾構(gòu)出洞縱向加固長(zhǎng)度爭(zhēng)議比較多,一種觀點(diǎn)認(rèn)為:根據(jù)國(guó)內(nèi)部分軟土地段盾構(gòu)始發(fā)端頭地層加固經(jīng)驗(yàn),不論盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度多少,其端頭地層縱向加固長(zhǎng)度均應(yīng)為6m;另一種偏頗的觀點(diǎn)認(rèn)為,由于始發(fā)端洞門(mén)有簾布橡膠板存在,考慮它和盾構(gòu)的共同作用 ,可以將始發(fā)端地層縱向長(zhǎng)度定為3.5m;還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為:在軟土地段

4、,特別是在盾構(gòu)隧道位于地下水位線以下時(shí),端頭地層縱向加固長(zhǎng)度應(yīng)為盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度+一定厚度的保護(hù)層(一般為1.52m。下面我們對(duì)軟土地段盾構(gòu)出洞端加固長(zhǎng)度做一簡(jiǎn)單分析,希望能對(duì)工程界同行有所幫助。(1加固土體長(zhǎng)度小于盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長(zhǎng)度,如圖1所示。加固土體長(zhǎng)度小于盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度時(shí),由于盾構(gòu)隧道一般均位于地下水位以下,故當(dāng)盾尾尚未進(jìn)入洞門(mén)圈時(shí),盾構(gòu)刀盤(pán)已經(jīng)脫離加固區(qū),加固區(qū)前方隧道洞周的水土(特別是砂性或粉土地層可能沿著盾殼與巖土之間的空隙而進(jìn)入端頭井(始發(fā)井,造成地層損失和地表沉降,嚴(yán)重時(shí),可能造成盾構(gòu)始發(fā)失敗,從而花費(fèi)相當(dāng)大的人力、物力和財(cái)力去彌補(bǔ)損失,對(duì)施工單位的社會(huì)效益也產(chǎn)生了很大的負(fù)面影響?，F(xiàn)正

5、在施工的南京地鐵某盾構(gòu)標(biāo)段,曾發(fā)生多起因始發(fā)端頭地層加固不當(dāng)而造成的事故,教訓(xùn)極為深刻。(2加固土體長(zhǎng)度大于盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長(zhǎng)度,如圖2所示。圖1加固土體長(zhǎng)度小于盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度盾構(gòu)穿越加固區(qū)長(zhǎng)度大于盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度時(shí),盾尾進(jìn)入洞圈并開(kāi)始注漿后,盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)尚未脫離加固區(qū)土體,這樣,加固區(qū)前方地層的水土完全被加固土體及隧道背襯注漿所隔斷,不至于產(chǎn)生水土流失而引起地層損失造成地表沉降。根據(jù)我單位在廣州及南京地鐵施工經(jīng)驗(yàn),加固區(qū)長(zhǎng)度一般大于盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度1.5 2m較為安全(圖2中的安全止水距離。結(jié)論:當(dāng)盾構(gòu)始發(fā)端頭位于地下水位以下的軟土地段時(shí),該端頭地層縱向加固長(zhǎng)度應(yīng)為盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度+1.52.0m止水厚度?？偟?

6、9期2003年第10期西部探礦工程WEST-CHINA EXPLORA TION EN GIN EERIN Gseries No.89Oct.2003 圖2盾構(gòu)穿越加固區(qū)長(zhǎng)度大于盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度1.2.2 橫向加固長(zhǎng)度的確定軟土地段盾構(gòu)始發(fā)端頭橫向加固長(zhǎng)度主要起止水和穩(wěn)定地層的作用,考慮橫向加固區(qū)可以和盾殼共同作用抵抗周?chē)翂毫?根據(jù)國(guó)內(nèi)盾構(gòu)軟土地層施工經(jīng)驗(yàn),橫向加固長(zhǎng)度一般取 1.53m ,見(jiàn)圖3。目前,上海地鐵(主要為淤泥質(zhì)粘土、南京地鐵(主要為淤泥質(zhì)粘土、粉土、粉砂地層及深圳地鐵均采用3m 的參數(shù)。而北京地鐵則采取1.53m 不等的橫向加固厚度。圖3橫向加固長(zhǎng)度示意圖113盾構(gòu)進(jìn)洞加固范圍

7、11311縱向加固長(zhǎng)度的確定盾構(gòu)到達(dá)端頭地層縱向加固長(zhǎng)度和始發(fā)縱向加固長(zhǎng)度一樣,多年來(lái)一直存在頗多爭(zhēng)議,一種觀點(diǎn)認(rèn)為,到達(dá)端地層縱向加固長(zhǎng)度定為3m 即可;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為,到達(dá)端地層加固長(zhǎng)度需定為6m ;還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為,到達(dá)端頭地層加固縱向長(zhǎng)度應(yīng)為盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度+11.5m ,孰是孰非,對(duì)于千變?nèi)f化的地下工程地質(zhì)和水文地質(zhì)很難定論,下面就軟土地段施工經(jīng)驗(yàn)談一點(diǎn)個(gè)人看法。(1對(duì)于粘性土等滲透系數(shù)相對(duì)較小的軟土地層,根據(jù)目前該地層成功的施工經(jīng)驗(yàn),加固長(zhǎng)度一般取為3.5m ,其作用主要是為了防止拆除車(chē)站或到達(dá)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)防止地層失穩(wěn)。(2對(duì)于砂性地層等滲透系數(shù)較大的地層,從目前已采用盾構(gòu)施工地鐵的城

8、市看,隧道大部分位于地下水位下方。因此對(duì)于該地層,其加固長(zhǎng)度必須謹(jǐn)慎選取。若端頭加固長(zhǎng)度小于盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度,地下水土則可能沿著盾殼與圍巖空隙流入始發(fā)井(見(jiàn)圖4,造成地層沉降和構(gòu)筑物的損壞,施工中必須引起高度重視。對(duì)于該類地層,縱向加固長(zhǎng)度若為盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度+11.5m 止水層厚度(見(jiàn)圖5,則可以很好的解決水土流失的問(wèn)題。圖4縱向土體加固長(zhǎng)度小于盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度11312橫向加固長(zhǎng)度的確定橫向加固長(zhǎng)度同盾構(gòu)始發(fā)。2軟土地層端頭加固方案211加固方案的選取用于盾構(gòu)進(jìn)出洞端頭地層加固的方法很多,目前主要采用的有注漿法、凍結(jié)法、高壓旋噴以及攪拌法等。在軟土地層,加固方案主要考慮地層的工程地質(zhì)條件和水文條件進(jìn)行

9、選取,對(duì)于加固范圍內(nèi)地層主要為砂性地層的,一般采取旋噴樁或凍結(jié)法進(jìn)行加固,對(duì)于粘性土及其他非砂性地層,一般采取攪拌樁進(jìn)行加固。以前,上海地鐵端頭地層為砂性地層采用凍結(jié)法加固的方法比較普遍,近年來(lái),隨著旋噴及攪拌技術(shù)的發(fā)展,以低廉的成本、穩(wěn)定的加固效果逐步取代了凍結(jié)法。眾所周知,凍結(jié)法加固的地層凍漲和融沉對(duì)地表及市政管線具有較大的影響,另外,在盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程中,經(jīng)常發(fā)生機(jī)器被凍結(jié)而無(wú)法工作的現(xiàn)象,同時(shí)由于凍結(jié)的高昂費(fèi)用的制約,加之激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),凍結(jié)法使用比例正在逐步降低,取而代之旋噴法和攪拌法正以方興未艾的勢(shì)頭蓬勃發(fā)展,因此,軟土地段端頭地層加固應(yīng)優(yōu)先考慮旋噴樁28西部探礦工程O(píng)ct.2003N

10、o.10 圖5縱向土體加固長(zhǎng)度大于盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度或攪拌樁形式。目前, 用于旋噴樁和攪拌樁施工的機(jī)械很多,旋噴樁有單管旋噴、雙管旋噴以及三重管旋噴等形式;攪拌樁也有單軸攪拌、雙軸攪拌以及三軸攪拌等形式,選擇合理的施工機(jī)械對(duì)加固質(zhì)量尤其關(guān)鍵,根據(jù)我單位在南京、深圳地鐵施工經(jīng)驗(yàn),采用三重管旋噴要好于單重管和雙重管旋噴、三軸攪拌要好于單軸和雙軸攪拌,其加固土體不論在穩(wěn)定性、勻質(zhì)性和止水性方面都有明顯的優(yōu)越性。結(jié)論:從方案可靠、成本節(jié)約的目的出發(fā),砂性地層端頭地層加固建議采用三重管旋噴法,粘性土等軟土地層建議采用三軸攪拌樁進(jìn)行加固。212加固土體強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算21211強(qiáng)度驗(yàn)算為確保加固土體的質(zhì)量,

11、確定加固長(zhǎng)度的安全可靠性,可采用如下加固模式進(jìn)行驗(yàn)算(見(jiàn)圖6:將加固土體視為厚度為t 的周邊自由支撐的彈性圓板,在外側(cè)水土壓力作用下,板中心處的最大彎曲應(yīng)力,支座處的最大剪力,按照彈性力學(xué)原理求得,強(qiáng)度驗(yàn)算公式為:圖6加固土體受力計(jì)算簡(jiǎn)圖max =±×W ×r 2/t 2t /k 1=3/8×(3+max =3×W ×r/4/t c /k 2式中:r 工作井端墻開(kāi)洞的半徑,r =D/2;t 加固土體的長(zhǎng)度;t 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t =q u /10;k 1、k 2安全系數(shù),一般取K =1.5;W

12、 作用于洞門(mén)中心處的側(cè)向水土壓力。對(duì)于砂性土,水壓力和土壓力分別計(jì)算;對(duì)于粘性土,水土壓力合算。土壓力按靜止土壓力考慮,土的計(jì)算參數(shù)按加固前選用;加固后土體的泊桑比,一般取=0.2;c 加固后土體的極限抗剪強(qiáng)度,取c =q u /6;p 地面荷載。21212整體穩(wěn)定性驗(yàn)算加固土體穩(wěn)定性采取下列模式進(jìn)行驗(yàn)算: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,引起的下滑力矩為:M =M 1+M 2+M 3式中:M 1地面荷載P 引起的下滑力矩,M 1=P ×D 2/2;M 2上覆土體自重引起的下滑力矩,M 2=Q 上×D/2;M 3滑移圓環(huán)線內(nèi)土體的下滑力矩,M 3=t ×D 3/3,t 為加固后土體的重度。抵抗下滑力矩為M =M 1+M 2M 1滑移圓弧線AB 段的抗滑力矩,M 1=Cu ×H ×D ;M 2滑移圓弧線BC 段的抗滑力矩,M 2=Cut ×D 2×/2式中:Cu 加固前土體的粘結(jié)力;Cut 加固后土體的粘結(jié)力;H 上覆土體的高度;P 地面荷載;抗滑移安全系數(shù)K 2K 2=M /M 1.53結(jié)語(yǔ)隨著我國(guó)地下空間大力開(kāi)發(fā)利用,地下工