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:10045716(200310008103中圖分類號:U455143文獻標識碼: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(中鐵隧道集團一處有限公司,河南新鄉(xiāng)453000摘要:介紹了盾構(gòu)進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)法隧道已廣泛應用于城市地鐵、過江隧道、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。我國的盾構(gòu)技術(shù)在20世紀90年代末期得到較大的發(fā)展,特別是土壓平衡盾構(gòu)機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,例如上海地鐵M7線、

2、M8線、廣州地鐵二號線、三號線、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),但與世界先進水平仍有一定的差距,特別是在盾構(gòu)進出洞施工過程中,時有事故發(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,它已成為盾構(gòu)法隧道成敗的關(guān)鍵,本文主要針對軟土地段盾構(gòu)進出洞端頭地層加固范圍和加固方法結(jié)合工程實踐做一簡單論述。1盾構(gòu)出洞(始發(fā)和進洞(到達端頭地層加固111盾構(gòu)進出洞端頭地層加固原則在軟土地段,盾構(gòu)出洞(始發(fā)與進洞(到達時,為了在拆除臨時墻時保持地層的穩(wěn)定和防止地下水流入,防止在盾構(gòu)機完全進入地層之前其周圍流入地下水和

3、泥砂,導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)境等因素對端頭進行相應處理。端頭加固的一般原則是:滿足拆除臨時墻能夠保證地層穩(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縱向加固長度的確定目前,對于盾構(gòu)出洞縱向加固長度爭議比較多,一種觀點認為:根據(jù)國內(nèi)部分軟土地段盾構(gòu)始發(fā)端頭地層加固經(jīng)驗,不論盾構(gòu)主機長度多少,其端頭地層縱向加固長度均應為6m;另一種偏頗的觀點認為,由于始發(fā)端洞門有簾布橡膠板存在,考慮它和盾構(gòu)的共同作用 ,可以將始發(fā)端地層縱向長度定為3.5m;還有一種觀點認為: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,端頭地層縱向加固長度應為盾構(gòu)主機長度+一定厚度的保護層(一般為1.52m。下面我們對軟土地段盾構(gòu)出洞端加固長度做一簡單分析,希望能對工程界同行有所幫助。(1加固土體長度小于盾構(gòu)機主機長度,如圖1所示。加固土體長度小于盾構(gòu)主機長度時,由于盾構(gòu)隧道一般均位于地下水位以下,故當盾尾尚未進入洞門圈時,盾構(gòu)刀盤已經(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入端頭井(始發(fā)井,造成地層損失和地表沉降,嚴重時,可能造成盾構(gòu)始發(fā)失敗,從而花費相當大的人力、物力和財力去彌補損失,對施工單位的社會效益也產(chǎn)生了很大的負面影響?，F(xiàn)正

5、在施工的南京地鐵某盾構(gòu)標段,曾發(fā)生多起因始發(fā)端頭地層加固不當而造成的事故,教訓極為深刻。(2加固土體長度大于盾構(gòu)機主機長度,如圖2所示。圖1加固土體長度小于盾構(gòu)主機長度盾構(gòu)穿越加固區(qū)長度大于盾構(gòu)主機長度時,盾尾進入洞圈并開始注漿后,盾構(gòu)機刀盤尚未脫離加固區(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,加固區(qū)長度一般大于盾構(gòu)主機長度1.5 2m較為安全(圖2中的安全止水距離。結(jié)論:當盾構(gòu)始發(fā)端頭位于地下水位以下的軟土地段時,該端頭地層縱向加固長度應為盾構(gòu)主機長度+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)長度大于盾構(gòu)主機長度1.2.2 橫向加固長度的確定軟土地段盾構(gòu)始發(fā)端頭橫向加固長度主要起止水和穩(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圍水土壓力,根據(jù)國內(nèi)盾構(gòu)軟土地層施工經(jīng)驗,橫向加固長度一般取 1.53m ,見圖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橫向加固長度示意圖113盾構(gòu)進洞加固范圍

7、11311縱向加固長度的確定盾構(gòu)到達端頭地層縱向加固長度和始發(fā)縱向加固長度一樣,多年來一直存在頗多爭議,一種觀點認為,到達端地層縱向加固長度定為3m 即可;另一種觀點認為,到達端地層加固長度需定為6m ;還有一種觀點認為,到達端頭地層加固縱向長度應為盾構(gòu)主機長度+11.5m ,孰是孰非,對于千變?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)驗談一點個人看法。(1對于粘性土等滲透系數(shù)相對較小的軟土地層,根據(jù)目前該地層成功的施工經(jīng)驗,加固長度一般取為3.5m ,其作用主要是為了防止拆除車站或到達井圍護結(jié)構(gòu)時防止地層失穩(wěn)。(2對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。因此對于該地層,其加固長度必須謹慎選取。若端頭加固長度小于盾構(gòu)主機長度,地下水土則可能沿著盾殼與圍巖空隙流入始發(fā)井(見圖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。對于該類地層,縱向加固長度若為盾構(gòu)主機長度+11.5m 止水層厚度(見圖5,則可以很好的解決水土流失的問題。圖4縱向土體加固長度小于盾構(gòu)主機長度11312橫向加固長度的確定橫向加固長度同盾構(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)條件和水文條件進行

9、選取,對于加固范圍內(nèi)地層主要為砂性地層的,一般采取旋噴樁或凍結(jié)法進行加固,對于粘性土及其他非砂性地層,一般采取攪拌樁進行加固。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,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地表及市政管線具有較大的影響,另外,在盾構(gòu)始發(fā)過程中,經(jīng)常發(fā)生機器被凍結(jié)而無法工作的現(xiàn)象,同時由于凍結(jié)的高昂費用的制約,加之激烈的市場競爭,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頭蓬勃發(fā)展,因此,軟土地段端頭地層加固應優(yōu)先考慮旋噴樁28西部探礦工程Oct.2003N

10、o.10 圖5縱向土體加固長度大于盾構(gòu)主機長度或攪拌樁形式。目前, 用于旋噴樁和攪拌樁施工的機械很多,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,選擇合理的施工機械對加固質(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,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行加固。212加固土體強度和整體穩(wěn)定性驗算21211強度驗算為確保加固土體的質(zhì)量,

11、確定加固長度的安全可靠性,可采用如下加固模式進行驗算(見圖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力,支座處的最大剪力,按照彈性力學原理求得,強度驗算公式為:圖6加固土體受力計算簡圖max =±×W ×r 2/t 2t /k 1=3/8×(3+max =3×W ×r/4/t c /k 2式中:r 工作井端墻開洞的半徑,r =D/2;t 加固土體的長度;t 加固土體的極限抗拉強度,一般可取其極限抗壓強度的10%,即t =q u /10;k 1、k 2安全系數(shù),一般取K =1.5;W

12、 作用于洞門中心處的側(cè)向水土壓力。對于砂性土,水壓力和土壓力分別計算;對于粘性土,水土壓力合算。土壓力按靜止土壓力考慮,土的計算參數(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度,取c =q u /6;p 地面荷載。21212整體穩(wěn)定性驗算加固土體穩(wěn)定性采取下列模式進行驗算:加固土體在地面荷載p 和上部土體作用下可能沿某滑動面向洞內(nèi)整體滑動,假定滑動面是以端墻開洞外頂點O 為圓心,開洞直徑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)語隨著我國地下空間大力開發(fā)利用,地下工