盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭地層加固方法選擇與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

朱世友，林志斌，桂常林

(1.中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221008)

0 引言

盾構(gòu)法因其具有安全性好、施工速度快、機(jī)械化程度高等特點(diǎn)，這些年在國(guó)內(nèi)逐漸普及，應(yīng)用廣泛。但是作為一種隧道施工方法來(lái)說(shuō)，其安全性雖好，但也存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，因此，多年來(lái)，與盾構(gòu)法相關(guān)的工程事故也屢屢發(fā)生，其中盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)施工就是盾構(gòu)法中一個(gè)主要的風(fēng)險(xiǎn)集中點(diǎn)。

目前，關(guān)于盾構(gòu)隧道土體穩(wěn)定性的研究大多是針對(duì)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面處的土體，其穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法主要有極限平衡法［1］、模型試驗(yàn)法［2］、強(qiáng)度折減法［3］;而針對(duì)始發(fā)到達(dá)端頭地層的則很少，文獻(xiàn)［4］雖有涉及，但也只是針對(duì)幾種典型的地層做出宏觀穩(wěn)定性判斷，與實(shí)際工程相差較大。在盾構(gòu)始發(fā)到達(dá)地層加固方法方面，由于現(xiàn)今盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)地層加固方法種類(lèi)繁多(如降水法加固、旋噴樁加固、攪拌樁加固、凍結(jié)法加固等)，工程上一般根據(jù)具體工程條件和每種加固方法的適用經(jīng)濟(jì)性，采用排除法來(lái)選擇最合適的端頭加固方法。如文獻(xiàn)［5］根據(jù)地面旋噴注漿或攪拌樁等加固方法難以穿過(guò)填石層而采用深孔注漿加固;文獻(xiàn)［6］根據(jù)始發(fā)井深度超過(guò)40 m時(shí)采用傳統(tǒng)加固法容易形成加固盲區(qū)或滲漏通道而采用水平凍結(jié)法加固。以上文獻(xiàn)選擇的加固方法只是針對(duì)特定的工程，具有很大的局限性。本文根據(jù)已有的工程實(shí)例資料和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)先構(gòu)建一個(gè)盾構(gòu)始發(fā)到達(dá)加固方案庫(kù)，然后借鑒文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［7］的穩(wěn)定性分析方法對(duì)盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)地層進(jìn)行綜合穩(wěn)定評(píng)價(jià);再根據(jù)端頭地層綜合穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果決定是否對(duì)盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭地層進(jìn)行加固;最后根據(jù)具體工程的地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，從盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)加固方案庫(kù)中選擇出適用于相應(yīng)工程的端頭加固方法。以期降低盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)施工風(fēng)險(xiǎn)，保證工程經(jīng)濟(jì)和質(zhì)量效益。

1 盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)加固方案庫(kù)構(gòu)建

目前端頭土體加固方法主要有:攪拌樁或旋噴樁加固［8］、注漿加固［9］、SMW 法［10］、凍結(jié)加固［11］以及組合加固法［11］等。由于盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)加固方案庫(kù)是這些加固方法及其適用條件的集合，因此要構(gòu)建盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)加固方案庫(kù)，首先需要對(duì)已有的工程資料進(jìn)行整理分析，然后根據(jù)工程所處地層的土質(zhì)、水文、環(huán)境條件和環(huán)境保護(hù)要求等級(jí)制定出每種方法的適用條件。鑒于此，本文通過(guò)整理以往工程資料，查閱相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建了盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)加固方案庫(kù)推理機(jī)，用戶(hù)只需輸入具體工程的設(shè)計(jì)條件、地質(zhì)條件、環(huán)境條件等，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)完成選擇加固方案的任務(wù)，如表1所示。

所謂的推理機(jī)即是利用計(jì)算機(jī)能夠接受并進(jìn)行處理的符號(hào)和方式來(lái)表示外界中所獲得的知識(shí)，它是研究模擬信息在人類(lèi)大腦中以何種方式的基礎(chǔ)上來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)信息處理中的知識(shí)進(jìn)行表示的。推理機(jī)的構(gòu)建規(guī)定要有一種無(wú)歧義的語(yǔ)言或具有規(guī)范定號(hào)的表示方法，產(chǎn)生式規(guī)則表示法是眾多表示法中最為常用的方法之一，產(chǎn)生式規(guī)則之間相互獨(dú)立，規(guī)則的結(jié)構(gòu)化較好，簡(jiǎn)潔和易于實(shí)現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)專(zhuān)家系統(tǒng)及人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域。產(chǎn)生式通常用于表示具有因果關(guān)系的知識(shí)，其基本形式是:

式中:P是產(chǎn)生式的前提，用于指出該產(chǎn)生式是否可用的條件;Q是一組結(jié)論或操作，用于指出當(dāng)前提P所指示的條件被滿(mǎn)足時(shí)，應(yīng)該得出的結(jié)論或該執(zhí)行的操作，如:

IF穿越地層含水量低THEN不宜采用凍結(jié)法。

2 盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)地層穩(wěn)定性分析

2.1 端頭地層綜合穩(wěn)定性宏觀判斷

2.1.1 各類(lèi)單層土層宏觀穩(wěn)定性判斷

一般來(lái)說(shuō)，地層穩(wěn)定性的主要土質(zhì)特性指標(biāo)是土體抗剪強(qiáng)度、開(kāi)挖面土體穩(wěn)定系數(shù)以及開(kāi)挖面土體自立時(shí)間。其中，土體抗剪強(qiáng)度是根本性的因素。各類(lèi)土體抗剪強(qiáng)度的大小和在各種情況下的變化規(guī)律有很大差別。大多數(shù)黏性土受擾動(dòng)后，因重塑作用而失去部分抗剪強(qiáng)度和剛度，而砂性土易在一定動(dòng)水壓力作用下發(fā)生液化而完全失去抗剪強(qiáng)度。由于測(cè)定抗剪強(qiáng)度及其變化規(guī)律的方法至今尚未很好解決，因此按各類(lèi)土的特性，從宏觀上判斷各類(lèi)土抗剪強(qiáng)度的高低及其變化特征以估計(jì)土體的穩(wěn)定性，在目前仍然具有重要的實(shí)用意義［4］。

通常情況下，盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭地層自上至下包含著多種土層，而這些土層的性質(zhì)往往存在著較大的差異，因此，本文先沿用文獻(xiàn)［4］的宏觀判別方法對(duì)端頭地層包含的各類(lèi)土分別做出宏觀穩(wěn)定性判斷，最后再綜合各類(lèi)土層穩(wěn)定性判斷結(jié)果和所處位置判斷出整個(gè)地層的綜合穩(wěn)定性。

1)砂土類(lèi)。砂土類(lèi)包括礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂和粉砂等。礫砂類(lèi)指粒徑大于2 mm的顆粒占全重的25%～50%;粗砂指粒徑大于0.5 mm的顆粒占全重的50%;中砂指粒徑大于0.25 mm的顆粒占全重的50%;細(xì)砂指粒徑大于0.075 mm的顆粒占全重的85%;粉砂指粒徑大于0.075 mm的顆粒占全重的50%。

在無(wú)水條件下，密實(shí)砂土類(lèi)(標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N＞30)是抗剪強(qiáng)度較高的穩(wěn)定地層，而稍密、中密、松散的砂土類(lèi)(標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N≤30)是抗剪強(qiáng)度較低的不穩(wěn)定地層;在有水條件下，砂土類(lèi)容易發(fā)生液化而失去抗剪強(qiáng)度或具有涌水、涌砂的風(fēng)險(xiǎn)，是不穩(wěn)定的地層。

2)粉土類(lèi)。粉土類(lèi)可根據(jù)粒組含量或塑性指數(shù)Ip分為黏質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土2大類(lèi)(如表2所示)。

在無(wú)水情況下，粉土類(lèi)含有適度水分，處于潮濕狀態(tài)，具有一定強(qiáng)度，屬于中等穩(wěn)定地層;在有水情況下，其抗剪強(qiáng)度消失，土體流動(dòng)乃至涌土崩塌，是不穩(wěn)定的地層。

3)黏性土類(lèi)。按塑性指數(shù)Ip劃分，Ip＞10的土通稱(chēng)為黏性土。其中當(dāng)Ip＞17時(shí)，稱(chēng)為黏土;10≤Ip≤17時(shí)，稱(chēng)為粉質(zhì)黏土。按液性指數(shù)IL劃分，IL≤0為堅(jiān)硬黏性土;0＜IL≤0.25為硬塑黏性土;0.25＜IL≤0.75為可塑黏性土;0.75＜IL≤1為軟塑黏性土;IL＞1為流塑黏性土。

表1 盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)加固方案庫(kù)Table 1 Databases of end soil reinforcement methods in shield launching and arrival

表2 粉土的分類(lèi)Table 2 Classification of silt

其中，堅(jiān)硬黏性土和硬塑黏性土具有相當(dāng)高的抗剪強(qiáng)度，一般可達(dá)到10 kPa以上，而且在地下水變化或開(kāi)挖擾動(dòng)的情況下，其抗剪強(qiáng)度的降低值較小，因此，它們?cè)跓o(wú)水條件下是抗剪強(qiáng)度高的穩(wěn)定地層，在有水條件下由于存在涌水的風(fēng)險(xiǎn)而屬于中等穩(wěn)定的地層;可塑黏性土、軟塑黏性土、流塑黏性土由于其抗剪強(qiáng)度低，因此無(wú)論在有水還是無(wú)水情況下，都屬于不穩(wěn)定的地層。

4)巖石類(lèi)。巖石類(lèi)地層可根據(jù)其遇水穩(wěn)定性狀況，分為遇水不穩(wěn)定地層和遇水穩(wěn)定地層。

遇水不穩(wěn)定巖層包括鹽巖、石膏、各種泥巖、軟頁(yè)巖、有裂隙的硬頁(yè)巖等。在有水情況下，其為不穩(wěn)定地層;在無(wú)水情況下，未風(fēng)化、微風(fēng)化、中風(fēng)化狀態(tài)時(shí)為中等穩(wěn)定地層，強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化狀態(tài)則為不穩(wěn)定地層。

遇水穩(wěn)定地層，在有水情況下，若為未風(fēng)化、微風(fēng)化狀態(tài)，其涌水量通常很小，是穩(wěn)定地層，為中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化或全風(fēng)化狀態(tài)時(shí)，其節(jié)理、裂隙通常較多，具有涌水的風(fēng)險(xiǎn)，屬于不穩(wěn)定地層;在無(wú)水情況下，未風(fēng)化、微風(fēng)化、中風(fēng)化狀態(tài)時(shí)為穩(wěn)定地層，強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化狀態(tài)則為不穩(wěn)定地層。

綜上，可根據(jù)各類(lèi)土特性以及水文條件，從宏觀上判斷單層土體穩(wěn)定性，如表3所示。

表3 單層土層穩(wěn)定性宏觀判斷表Table 3 Judgment on stability of single-layer soil

2.1.2 端頭地層綜合穩(wěn)定性判斷

總結(jié)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)各類(lèi)地層穩(wěn)定性對(duì)盾構(gòu)進(jìn)出洞施工的影響大小將端頭地層分為3個(gè)范圍:盾構(gòu)隧道上下1 m范圍內(nèi)地層(對(duì)施工影響最大)，盾構(gòu)隧道上下1 m范圍外至盾構(gòu)隧道上下3 m范圍內(nèi)地層，盾構(gòu)隧道3 m范圍外地層(對(duì)施工影響最小)。當(dāng)盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)端頭各單一地層穩(wěn)定性判斷完畢后，將各地層重新劃分成以上3個(gè)范圍，這3個(gè)范圍的穩(wěn)定性程度為其所包含所有土類(lèi)的穩(wěn)定性最低值，如盾構(gòu)隧道1 m范圍內(nèi)地層包含3種土，各種土的穩(wěn)定性狀況分別為穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定，則盾構(gòu)隧道1 m范圍內(nèi)地層的穩(wěn)定性程度為不穩(wěn)定。確定完3個(gè)范圍的地層穩(wěn)定性程度后，就可以進(jìn)行端頭地層的綜合穩(wěn)定性判斷，其判斷依據(jù)如表4所示。

2.2 端頭地層綜合穩(wěn)定性計(jì)算判斷

2.1 節(jié)內(nèi)容提出的盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭地層宏觀穩(wěn)定性判斷方法屬于定性分析，為能定量地對(duì)端頭地層進(jìn)行穩(wěn)定性判斷，則需要對(duì)端頭地層進(jìn)行強(qiáng)度(抗拉、抗剪)和整體穩(wěn)定性計(jì)算分析。

端頭地層的強(qiáng)度與整體穩(wěn)定性計(jì)算方法可采用文獻(xiàn)［7］總結(jié)的求盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭地層最小加固范圍的方法。先將端頭地層分為黏土地層和砂土地層2大類(lèi)，然后根據(jù)最大剪應(yīng)力、最大切向拉應(yīng)力、最大環(huán)向拉應(yīng)力、整體穩(wěn)定性等公式分別求出端頭地層的最小加固范圍。但有一點(diǎn)不同的是，本文引用文獻(xiàn)［7］的公式對(duì)端頭地層進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析時(shí)，使用的端頭地層物理性質(zhì)參數(shù)是端頭地層加固前的參數(shù)，而不是加固后的參數(shù)。

表4 端頭地層綜合穩(wěn)定性判斷Table 4 Judgment on comprehensive stability of end soil

一般說(shuō)來(lái)，工程上盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭地層的縱向加固長(zhǎng)度都小于(l+2)m(l為盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度)，因此可以取(l+2)m作為判斷端頭地層是否穩(wěn)定的一個(gè)指標(biāo)。當(dāng)求出滿(mǎn)足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求的最小縱向加固范圍后，如其大于(l+2)m，則認(rèn)為端頭地層是不穩(wěn)定的，若小于(l+2)m，則認(rèn)為是相對(duì)穩(wěn)定的，其值越大，則端頭地層的穩(wěn)定性越差，反之越好。

如盾構(gòu)始發(fā)到達(dá)工程的端頭地層綜合穩(wěn)定性為“穩(wěn)定”、定量計(jì)算結(jié)果也顯示“相對(duì)穩(wěn)定”時(shí)，盾構(gòu)隧道能夠滿(mǎn)足自穩(wěn)要求，可不對(duì)端頭地層進(jìn)行加固(但一般考慮滲流穩(wěn)定性，需注漿止水來(lái)確保安全);當(dāng)端頭地層綜合穩(wěn)定性為“中等穩(wěn)定”、定量計(jì)算結(jié)果同樣顯示“相對(duì)穩(wěn)定”時(shí)，盾構(gòu)隧道端頭地層只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的加固處理(注漿或降水就能滿(mǎn)足要求)。除以上2種情況外，則需要從盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)地層加固方案庫(kù)選擇出一種最科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的加固方案對(duì)盾構(gòu)隧道端頭地層進(jìn)行加固。

3 工程案例分析

3.1 隧道概況及端頭地質(zhì)狀況

天津地鐵營(yíng)口道站—和平路站盾構(gòu)始發(fā)工程位于天津赤峰道下，設(shè)計(jì)從營(yíng)口道站始發(fā)，其中營(yíng)口道站圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚為800 mm連續(xù)墻;隧道直徑為6.39 m，隧道埋深8.3 m。端頭地層分布如圖1所示，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)參數(shù)如表5和表6所示。

圖1 端頭地層分布圖Fig.1 Distribution of end soils

3.2 端頭地層綜合穩(wěn)定性宏觀判斷

3.2.1 單種土層穩(wěn)定分析

第1層土(①1雜填土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩(wěn)定地層;

第2層土(①2素填土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩(wěn)定地層;

第3層土(③1粉質(zhì)黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩(wěn)定地層;

第4層土(③2粉土)屬于粉土類(lèi)，且該層受水壓力影響，抗剪強(qiáng)度消失，土體容易發(fā)生流動(dòng)乃至涌土崩塌，是不穩(wěn)定的地層;

第5層土(③3黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩(wěn)定地層;

第6層土(④1粉質(zhì)黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩(wěn)定地層;

第7層土(④2粉土)屬于粉土類(lèi)，且該層受水壓力影響，抗剪強(qiáng)度消失，土體容易發(fā)生流動(dòng)乃至涌土崩塌，是不穩(wěn)定的地層;

第8層土(④5淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩(wěn)定地層;

第9層土(⑤1粉質(zhì)黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩(wěn)定地層;

第10層土(⑥1粉質(zhì)黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩(wěn)定地層;

第11層土(⑥2粉土)屬于粉土類(lèi)，且該層受水壓力影響，抗剪強(qiáng)度消失，土體容易發(fā)生流動(dòng)乃至涌土崩塌，是不穩(wěn)定的地層;

第12層土(⑥3黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩(wěn)定地層;

表5 工程地質(zhì)參數(shù)表Table 5 Engineering geological parameters

表6 水文地質(zhì)參數(shù)表Table 6 Hydrogeological parameters

第13層土(⑥4粉砂)屬于砂類(lèi)土，且該層受水壓力影響，容易發(fā)生液化而失去抗剪強(qiáng)度或具有涌水、涌砂的風(fēng)險(xiǎn)，是不穩(wěn)定的地層;

第14層土(⑦1粉質(zhì)黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩(wěn)定地層;

第15層土(⑦2粉土)屬于粉土類(lèi)，且該層受水壓力影響，抗剪強(qiáng)度消失，土體容易發(fā)生流動(dòng)乃至涌土崩塌，是不穩(wěn)定的地層;

第16層土(⑦3黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩(wěn)定地層;

第17層土(⑦4粉砂)屬于砂類(lèi)土，且該層受水壓力影響，容易發(fā)生液化而失去抗剪強(qiáng)度或具有涌水、涌砂的風(fēng)險(xiǎn)，是不穩(wěn)定的地層;

第18層土(⑦5粉質(zhì)黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩(wěn)定地層;

第19層土(⑧1粉質(zhì)黏土)屬于可塑性、軟塑性或流塑性黏土，是不穩(wěn)定地層。

3.2.2 地層綜合穩(wěn)定分析

根據(jù)本文2.1.2節(jié)所示的判別方法可知，本工程盾構(gòu)隧道上下3 m外的地層穩(wěn)定性程度為“不穩(wěn)定”，盾構(gòu)隧道上下1 m外至3 m內(nèi)的地層穩(wěn)定性程度為“不穩(wěn)定”，盾構(gòu)隧道上下1 m內(nèi)的地層穩(wěn)定性程度為“不穩(wěn)定”;因此，根據(jù)穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)表4可知，本工程的端頭地層穩(wěn)定性程度為“不穩(wěn)定”。

3.3 端頭地層綜合穩(wěn)定性計(jì)算判斷

3.3.1 水土壓力計(jì)算

本工程地層主要為黏土地層，因此，水土壓力采用合算法，靜止土壓力側(cè)壓系數(shù)K=0.7。

封門(mén)上部的朗肯土壓力為:qa=K0q上=110.54 kPa，q上為封門(mén)上部的自重應(yīng)力。

封門(mén)下部的朗肯土壓力為:qb=K0q下=196.31 kPa，q下為封門(mén)下部的自重應(yīng)力。

封門(mén)中心的朗肯土壓力為:p=(p1+p2)/2=153.428 kPa。

3.3.2 端頭加固土體強(qiáng)度計(jì)算

1)最大剪應(yīng)力理論。根據(jù)最大剪應(yīng)力理論可知，滿(mǎn)足最大剪應(yīng)力理論要求的縱向加固范圍為:

式中:τc為端頭土體的極限抗剪強(qiáng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取τc=qu/6=0.017 MPa(qu為端頭土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度);t1為端頭地層滿(mǎn)足抗剪最小加固長(zhǎng)度;k1為抗剪安全系數(shù)，通常取1.5;D為盾構(gòu)開(kāi)挖直徑;μ為加固土體的泊松比。

2)最大拉應(yīng)力理論。根據(jù)最大切向拉應(yīng)力理論，滿(mǎn)足最大切向拉應(yīng)力理論要求時(shí)的縱向加固范圍為:

式中:σt為土體的極限抗拉強(qiáng)度，通常取抗拉強(qiáng)度σt=(1/12～1/8)qu=0.01 MPa;t2為端頭地層滿(mǎn)足切向抗拉最小加固長(zhǎng)度;k2為抗拉安全系數(shù)，通常取1.5。

同理，根據(jù)最大環(huán)向拉應(yīng)力，滿(mǎn)足最大環(huán)向拉應(yīng)力理論要求時(shí)的縱向加固范圍為:

式中:t3為端頭地層滿(mǎn)足環(huán)抗拉最小加固長(zhǎng)度;k3為抗拉安全系數(shù)，通常取1.5。

根據(jù)最大徑向拉應(yīng)力和最大環(huán)向拉應(yīng)力的要求可知，滿(mǎn)足拉應(yīng)力要求的縱向加固范圍計(jì)算公式為:

3)黏土地層縱向加固范圍。在盾構(gòu)始發(fā)與達(dá)到的過(guò)程中，為了保證端頭加固土體在水土側(cè)壓力作用下不被破壞，端頭土體加固后應(yīng)該同時(shí)滿(mǎn)足拉應(yīng)力理論和剪應(yīng)力理論的要求，即端頭土體加固后要同時(shí)滿(mǎn)足抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的要求，求得黏土地層縱向加固范圍與加固強(qiáng)度之間的關(guān)系式為:

本工程盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度為7.56 m，因此端頭地層強(qiáng)度穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為“不穩(wěn)定”。

3.3.3 整體穩(wěn)定性計(jì)算

地面荷載Q引起的下滑力矩M1=D2Q/2=204.16 kN·m(Q為地面荷載大小)。

上覆土體自重引起的下滑力矩M2=D2W/2=3 224.1 kN·m(W為上覆土體自重大小)。

滑移圓環(huán)線內(nèi)土體的下滑力矩M3=D3γ/3=1 667.26 kN·m(γ為滑移圓環(huán)線內(nèi)土體的平均重度)。

則土體的下滑總力矩

M=M1+M2+M3=5 095.52 kN·m。

地層抵抗力矩

Mr=cπD2/2+HCD=1 611.49 kN·m。式中c為端頭地層的內(nèi)聚力。

Mr＜M，端頭地層整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為“不穩(wěn)定”。

因此，綜上所述，本工程需要對(duì)端頭地層進(jìn)行加固處理。

3.4 端頭加固分析

根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)加固方案庫(kù)，構(gòu)建了盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)加固方法的推理機(jī)，將上述的工程條件輸入推理機(jī)，并選擇一些輔助的判斷條件后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)推理出的結(jié)果如下:

1)由于端頭周邊存在建筑物，采用降水法對(duì)周邊環(huán)境影響大，因此不宜采用降水法。

2)本工程地層為軟土，采用軟土盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，不宜切割素墻，因此不宜采用攪拌樁+素混凝土墻，旋噴樁+素混凝土墻。

3)當(dāng)可供選擇的加固方法較多時(shí)，同等條件下應(yīng)優(yōu)先選用降水法，其次是化學(xué)加固方法，最后才選用凍結(jié)法。

綜上所述，本工程不宜采用的方法有:1)降水法;2)攪拌樁+素混凝土墻;3)旋噴樁+素混凝土墻。允許采用的方法有:1)攪拌樁+旋噴樁;2)攪拌樁+凍土壁;3)攪拌樁+地面注漿加固;4)旋噴樁;5)旋噴樁+素樁;6)旋噴樁+凍土壁;7)旋噴樁+混凝土灌注樁;8)袖閥管注漿;9)地面注漿;10)水平注漿;11)SMW;12)水平凍結(jié);13)局部垂直凍結(jié);14)凍結(jié)板塊+拱棚;15)水平凍結(jié)+垂直凍結(jié)。

本工程優(yōu)先選用的方法為旋噴樁、旋噴樁+素樁、袖閥管注漿、地面注漿、水平注漿、攪拌樁+旋噴樁、旋噴樁+混凝土灌注、攪拌樁+地面注漿加固、SMW;其次是旋噴樁+凍土壁、攪拌樁+凍土壁;最后是水平凍結(jié)、局部垂直凍結(jié)、凍結(jié)板塊+拱棚、水平凍結(jié)+垂直凍結(jié)。這些可選方法可根據(jù)其他相關(guān)條件做進(jìn)一步過(guò)濾以縮小范圍。

另外，還可根據(jù)當(dāng)?shù)仡?lèi)似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)先選用這些工程使用過(guò)的加固方法。

4 結(jié)論與討論

結(jié)合相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)以往盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)工程資料進(jìn)行總結(jié)分析，得到了以下研究成果。

1)制定了一個(gè)盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)加固方案庫(kù)，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)加固方案的推理機(jī)。

2)考慮有水和無(wú)水2種情況，根據(jù)各類(lèi)土的類(lèi)型特性和關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，對(duì)盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)工程中的各單一類(lèi)型土層分別進(jìn)行了穩(wěn)定性判斷，并根據(jù)各類(lèi)土的穩(wěn)定性判斷結(jié)果，提出了盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)地層的綜合穩(wěn)定性宏觀判斷方法。

3)通過(guò)程序編制，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)端頭地層穩(wěn)定性自動(dòng)分析判別與關(guān)鍵加固參數(shù)的計(jì)算。

隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)地層加固方法將越來(lái)越多，各方法適用性也將有所不同，可對(duì)盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)加固方案庫(kù)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充和完善。由于盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)工程地質(zhì)的復(fù)雜多變性以及工程條件(如隧道直徑、埋深)的不確定性，對(duì)端頭地層穩(wěn)定性判斷方法有待做進(jìn)一步的探討與研究。

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