行业要闻

 

【摘　要】端头软土地层加固是盾构施工的关键一步,结合具体工程实例,探讨了盾构法洞门端头土体加固方案的选取原则,并介绍了端头土体加固的设计与施工要点,对类似工程有借鉴作用。

【关键词】盾构法,端头加固,设计与施工

 

1、前言

      洞门端头加固是盾构始发、到达技术的一个重要组成部分,在盾构施工过程中,洞门塌方时有发生,洞门加固的成败直接影响到盾构机能否安全始发和到达。因此,必须十分重视端头软土地层加固方案的合理性和加固质量的控制,合理选择洞门加固的施工工法。本文结合北京地铁四号线新街口站~灵镜胡同站段工程实践,阐述盾构洞门端头加固的设计与施工要点。

2、工程概况与地质条件

      北京地铁四号线新街口站~灵镜胡同站段盾构区间土建工程共6个端头加固区,各盾构洞门端头地层的地质情况见表1。

3、端头地层加固设计

3.1　加固方法选择

      在软土地层中,加固方案主要考虑地层的工程地质、水文地质条件来选取,洞门加固的设计应达到以下效果:

      (1)提高洞门外土体强度,控制地表沉降,防止端头坍塌;(2)控制施工过程中地下水的流失;(3)提高重型机械作用时端头土体的承载力;(4)利于盾构机始发和到达的姿态控制。

      根据现场实际地质情况及国内其他地区盾构洞门土体加固的成功经验,盾构始发/接收洞门土体采用Φ800 C10混凝土素桩与Φ800双重管旋喷桩联合加固方式。

3.2　加固范围及要求

      洞门采用Φ800 C10素桩23根,旋喷桩5排。素桩间距1 m,旋喷桩沿盾构隧道方向间距605mm,垂直盾构隧道方向间距700 mm,即桩间咬合100 mm。素桩、旋喷桩加固深度为隧道拱顶以上3000 mm,隧道底板以下3000 mm,盾构隧道两侧各3000 mm,并且能隔断透水层。洞门土体加固长度均为6300 mm。为防止车站(盾构井)端头两侧透水,沿基坑围护桩向车站中心方向4050 mm范围内设置一排旋喷桩。加固范围见图1、图2。

      为保证开挖面的稳定,加固体的强度需达到如下标准:抗压强度R_c=0.3 MPa~0.5 MPa;渗透系数≤1.0×10^-8cm/s。

3.3　设计验算

      (1)强度验算

      采用如下加固模式进行(见图3):将加固土体视为厚度为t的周边自由支撑的弹性圆板,在外侧水土压力作用下板中心处的最大弯曲应力、支座处的最大剪力,可按照弹性力学原理求得^[2],强度验算公式为:

    （1）

      式中:r为工作井端墙开洞的半径,r=D/2;t为加固土体的厚度;σt为加固土体的极限抗拉强度,一般可取其极限抗压强度的10%,即R_t=q_u/10;K₁为安全系数,一般取K₁=1.5;W为作用于洞门中心处的侧向水土压力;μ为加固后土体的泊松比,一般取0.2;τ_c为加固后土体的极限抗剪强度,取τ_c=q_u/6;K₂为抗剪安全系数,一般取K₂=1.5。

      (2)整体稳定性验算

      采取下列模式进行:加固土体在地面荷载P和上部土体作用下可能沿某滑动面向洞内整体滑动,假定滑动面是以D为半径的圆弧面,引起的下滑力矩为:

      M = M₁+M₂+M₃  (2)

      式中:M₁为地面荷载P引起的下滑力矩,M₁=PD²/2;M₂为上覆土体自重引起的下滑力矩,M₂=Q_上D/2;M₃为滑移圆弧线内土体的下滑力矩,M₃=γ_tD³/3,γ_t为加固后土体的重度。

      抵抗下滑力矩为:

      M′= M₁′+M₂′(3)

      式中:M₁′为滑移圆弧线AB段(未加固区)的抗滑力矩,M₁′=C_uHD;M₂′为滑移圆弧线BC段(加固区)的抗滑力矩,M₂′=C_utD²(π/2);C_u为加固前土体的粘结力;C_ut为加固后土体的粘结力;H为上覆土体的高度;P为地面荷载;抗滑移安全系数K₃=M₁′/M≥1.5。

4、施工工艺流程

      (1)素桩施工流程

      定位^→埋设护筒^→钻机就位^→泥浆制备^→钻孔^→清孔^→灌注混凝土^→孔的上部三七灰土回填。

      (2)地面垂直双重管旋喷桩施工流程

旋喷桩施工流程见图4。

5、加固体强度及抗渗性检测

5.1　地面检测方法

      在喷射注浆完成4周后进行加固效果检查,分别在两个桩上,离桩芯分别为15 cm、30 cm和45cm的地方,进行全取芯钻孔,图5为取芯示意图。

5.2　洞内检测方法

      在加固完成约两周左右后进行加固效果检查。

      (1)洞门加固效果检查

      洞门加固效果检查内容:①加固体强度;②加固体整体性、均匀性;③加固体中地下水含量情况。

      (2)检查方法

      在洞门范围内钻9个水平孔,孔径8 cm,钻深为1 m,检查孔平面布置见图6。

      ①将深度位于隧道埋深处的两块岩芯送试验室进行压力测试,最后用水泥砂浆回填钻孔,试验室的抗压强度R_c需达到2 MPa~3 MPa。

      ②观察岩芯,检查土体处理的连续性。

      在加固体的强度达到要求以后,需对加固体的渗漏性进行检查,在竖井的每一个洞眼的范围内水平钻9孔,长度深入到加固体内0.5 m,孔径50 cm。

      ③测定9孔流水量的总和(测定之前,将9孔的水流分别用导管导入容器,以便于测量),要求9个孔的总出水量<30 L/h。如果出水量超过限值,就要重新进行地面补浆加固。

6、结束语

      盾构法洞门端头土体加固设计和施工必须认真研究地质条件和经济性等因素,寻求切实可行的加固方法,保证盾构始发/接收的安全。本工程后续实践证明,6个端头所采取的端头土体加固效果良好,端头井和车站围护结构拆除后,没有出现涌水、涌泥及坍塌现象,盾构机的始发(出洞)及到达(进洞)过程也没有出现地下水及泥砂涌入的情况,加固达到了预期目标。

[1]　竺维彬,鞠世健等.复合地层中的盾构施工技术[M].北京:中国科学技术出版社,2006

[2]　施仲衡,张弥,王新杰等.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科学技术出版社,1997

[3]　江正荣.地基与基础施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997