富水砂卵石地層盾構(gòu)端頭井加固技術(shù)研究

龔振宇，程盼盼，徐前衛(wèi)（.中鐵五局電務(wù)城通公司，湖南　長(zhǎng)沙4005；.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海0804）

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富水砂卵石地層盾構(gòu)端頭井加固技術(shù)研究

龔振宇1，程盼盼2，徐前衛(wèi)2
（1.中鐵五局電務(wù)城通公司，湖南長(zhǎng)沙410205；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

摘要：北京地鐵8號(hào)線天橋—永定門外區(qū)間盾構(gòu)接收端頭處隧道埋深較大，且含有富水砂卵石地層，盾構(gòu)到達(dá)時(shí)發(fā)生涌砂涌水的風(fēng)險(xiǎn)較大，因此對(duì)此端頭井進(jìn)行了加固方案設(shè)計(jì)。首先通過比選確定了加固方法；然后按照理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)類比確定了加固范圍；最后通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬對(duì)降水方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，可為今后同類工程的設(shè)計(jì)和施工起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：砂卵石地層；端頭加固；旋噴樁；加固范圍；降水方案

隨著城市軌道交通建設(shè)的日益發(fā)展，盾構(gòu)法作為地鐵施工的一種工法也在不斷的走向成熟。我國的盾構(gòu)技術(shù)在20世紀(jì)90年代末期得到較大的發(fā)展，雖然已積累了不少盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，但是在盾構(gòu)進(jìn)出洞施工過程中，時(shí)有事故發(fā)生，其中許多是規(guī)模較大的事故[1-3]。盾構(gòu)始發(fā)（到達(dá)）前需人工破除洞門位置的圍護(hù)結(jié)構(gòu)而使開挖面處于暴露狀態(tài)且會(huì)保持一定時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)兩種較大的風(fēng)險(xiǎn)：一是較為嚴(yán)重的洞周土體失穩(wěn)，二是洞門開挖面局部的漏水、涌砂[4]。如果盾構(gòu)端頭地層自穩(wěn)能力較差、滲透系數(shù)較高，將會(huì)增加盾構(gòu)始發(fā)的危險(xiǎn)性。因此，有必要對(duì)端頭井區(qū)域一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固改良，防止盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)時(shí)發(fā)生土體塌方、涌水涌砂事故，確保盾構(gòu)安全進(jìn)出洞。

常用的端頭土體加固方法主要有水泥系加固方法（如攪拌樁法、SWM法、旋噴樁法、灌注樁、注漿法等）、凍結(jié)法以及一些輔助性施工措施（如降水法、鋼套筒法、明洞法等）[5-6]。端頭加固可以單獨(dú)采用一種工法或多種工法相結(jié)合，這主要取決于地質(zhì)情況、地下水、覆土厚度、盾構(gòu)機(jī)直徑、盾構(gòu)機(jī)型、施工環(huán)境等因素，同時(shí)也要考慮施工安全性、經(jīng)濟(jì)性、便利性以及施工工期等。

砂卵石地層是一種典型的不穩(wěn)定地層，卵石塊在地層中起骨架作用，其間充填各種砂層，結(jié)構(gòu)松散，無粘聚力，若同時(shí)地層含水量大，在洞門鑿除時(shí)，極易發(fā)生噴涌現(xiàn)象，從而使洞周土體失穩(wěn)而坍塌。北京地鐵8號(hào)線天橋—永定門外區(qū)間永定門外站接收井處于富水砂卵石地層中，因此有必要對(duì)其進(jìn)行加固方案設(shè)計(jì)。

1 工程概況

天橋—永定門外區(qū)間，全長(zhǎng)1 637.371 m，線路自天橋站南行，下穿永定門街心公園，側(cè)穿先農(nóng)壇體育場(chǎng)，從永定門及永定門橋西側(cè)繞避通過，下穿南護(hù)城河、京津城際框架橋、14號(hào)線永定門外站后止于永定門外大街的永定門外站。該段隧道所處地層以砂卵石為主，且同時(shí)具有無水、富水、淺埋、深埋等不同地層賦藏特征。

本工程先后采用兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，其掘進(jìn)順序?yàn)椋?號(hào)盾構(gòu)機(jī)從中間風(fēng)井始發(fā)，到達(dá)天橋站轉(zhuǎn)場(chǎng)后二次始發(fā)，然后經(jīng)過中間風(fēng)井，最終到達(dá)永定門外站；2號(hào)盾構(gòu)機(jī)從中間風(fēng)井向永定門外站掘進(jìn)。本文僅對(duì)永定門外站盾構(gòu)接收井的土體加固方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

永定門外站處隧道埋深26.05 m，盾構(gòu)接收井場(chǎng)地內(nèi)土層由上而下為雜填土①層、粉土③2層、粉砂～細(xì)砂③3層、粉質(zhì)粘土③層、粉砂～細(xì)砂③3層、粉質(zhì)粘土④層、粉土④2層、粉質(zhì)粘土④層、細(xì)砂～中砂⑤2層、卵石⑤層、粉質(zhì)粘土⑥層、細(xì)砂～中砂⑦2層、卵石⑦層。各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。隧道洞身上部為卵石層、下部為粉質(zhì)粘土層，上覆粉細(xì)砂和粉質(zhì)粘土，下臥中細(xì)砂和卵石層。

表1 地層的物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soils

根據(jù)水位勘察結(jié)果，地下水位線平均高程為17 m，該區(qū)段隧道處于全斷面有水狀態(tài)，水位線距離隧道頂部約3.52 m。

2 加固方法選取

永定門外站接收井處隧道埋深較大，隧道上半斷面為滲透系數(shù)較大的砂卵石地層，且全斷面有水，盾構(gòu)到達(dá)時(shí)存在涌砂涌水的風(fēng)險(xiǎn)，若大量土體和地下水向工作井內(nèi)塌陷，會(huì)導(dǎo)致洞周大面積地表下沉，危及地下管線和臨近建筑物，其后果極其嚴(yán)重，所以要采取多重措施對(duì)永定門外站盾構(gòu)接收井進(jìn)行加固，增加盾構(gòu)到達(dá)接收的安全性，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

端頭土體加固常用水泥系加固法和凍結(jié)法，但是凍結(jié)法具有凍脹融沉效應(yīng)及高昂的施工費(fèi)用，而隨著施工技術(shù)的發(fā)展，旋噴樁與攪拌樁在多數(shù)土層中都可以達(dá)到比較好的加固效果，所以水泥系加固方法更具優(yōu)勢(shì)。考慮到線路位于北京南軸線附近，地面交通繁忙，場(chǎng)地條件及周邊環(huán)境條件受到限制，所以應(yīng)優(yōu)先選用設(shè)備輕便、施工所需空間較小的高壓旋噴樁。高壓旋噴樁選用成樁質(zhì)量最高的三重管旋噴，成樁直徑850 mm。

盾構(gòu)進(jìn)出洞的滲漏風(fēng)險(xiǎn)主要存在于加固區(qū)與端頭井圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的夾心層、加固體的整體抗?jié)B性能不滿足要求以及盾殼與加固區(qū)之間的間隙。雖然加固區(qū)和圍護(hù)墻之間采用旋噴樁加固，但由于工程擾動(dòng)和施工質(zhì)量的影響，很容易在地下墻和加固體之間形成滲流通道；由于加固區(qū)施工質(zhì)量的問題，在加固區(qū)域內(nèi)也有可能形成透水通道；另外，砂卵石地層盾構(gòu)在進(jìn)出洞過程中容易超挖，使得盾構(gòu)和加固體之間形成空隙，也會(huì)形成地下水的滲流通道，造成加固體后方的水土涌入端頭井，導(dǎo)致地層大范圍下降，因此，需對(duì)端頭井一定范圍內(nèi)進(jìn)行降水。

此外，盾構(gòu)機(jī)在接收過程中需加強(qiáng)二次雙液注漿，確保將管片與加固土體之間的空隙完全填充密實(shí)并形成一定強(qiáng)度。若出現(xiàn)地下水滲漏情況，則立即通過預(yù)埋管向洞門周圍注聚氨酯，同時(shí)隧道內(nèi)進(jìn)行雙液注漿封堵。采用多重措施確保盾構(gòu)安全接收。

3 加固方案設(shè)計(jì)

3.1 縱向加固長(zhǎng)度

3.1.1 加固土體強(qiáng)度計(jì)算

1）根據(jù)日本JET GROUT協(xié)會(huì)（JJGA）規(guī)范的計(jì)算公式，加固厚度為[7]：

式中：k0為安全系數(shù)，取1.5；β為計(jì)算系數(shù)，取1.2；P為洞門中心處側(cè)向水土壓力，據(jù)表1中參數(shù)計(jì)算為172.55 kPa；D為封門直徑，為6.5 m；σt為加固土體的極限抗拉強(qiáng)度，取為150 kPa。

按照上述方法計(jì)算得到土體加固長(zhǎng)度t≥4.677 m。

2）國內(nèi)已有端頭土體強(qiáng)度計(jì)算模型假設(shè)加固土體為洞門周邊自由支撐的彈性圓形薄板，將加固土體側(cè)向水土合力的梯形荷載簡(jiǎn)化為均布荷載[8～9]。

在均布荷載的作用下，加固土體中心處的彎曲應(yīng)力最大，由彈性力學(xué)理論求得抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算公式：

式中：安全系數(shù)k1，取1.5；μ為加固后土體的泊松比，取μ=0.2。

根據(jù)（2）式，按抗彎強(qiáng)度計(jì)算得t≥4.677 m。

周邊自由支撐的圓形薄板支座處的剪應(yīng)力最大，由彈性力學(xué)理論，可得抗剪強(qiáng)度的驗(yàn)算公式為：

式中：抗剪安全系數(shù)k2取1.5，τc為加固后土體的極限抗剪強(qiáng)度，取250 kPa。

根據(jù)式（3），按抗剪強(qiáng)度計(jì)算得t≥1.68 m。

3.1.2 加固土體整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

整體穩(wěn)定性驗(yàn)算假設(shè)洞外加固土體在上部土體和地面堆載等作用下，沿以端墻開洞外頂點(diǎn)O為圓心，開洞直徑D為半徑的圓弧面滑動(dòng)[8～9],如圖1所示。經(jīng)過以上強(qiáng)度計(jì)算，取t=4.7 m進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算可知，抗滑移安全系數(shù)K=0.858＜1.5，所以縱向加固長(zhǎng)度取t=4.7 m不滿足要求。經(jīng)驗(yàn)算，當(dāng)t=6.5 m時(shí)，抗滑移安全系數(shù)K=1.515＞1.5。

圖1 整體穩(wěn)定性計(jì)算模型Fig.1 Calculation model of overall stability

所以端頭土體為滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，其縱向加固長(zhǎng)度應(yīng)滿足：t≥6.5 m。

3.2 橫向加固范圍

張慶賀[10]于1994年提出，根據(jù)理論分析和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),采用水泥系加固方法時(shí)，最小土體改良厚、寬、高等尺寸可參考表1選取，其中為洞門兩側(cè)的加固寬度，為洞門以上的加固高度，為洞門以下的加固高度。

關(guān)于多個(gè)大股東中第二大股東治理機(jī)制的研究，在以往的研究中對(duì)第二大股東的治理機(jī)制（特別是檢查和支出機(jī)制）的研究很少，但第二大股東卻直接對(duì)企業(yè)價(jià)值和投資決策造成影響。在目前的研究中，大多數(shù)控股股東傾向于參與第二大股東或其他股東（如成為個(gè)人或公司）以謀取個(gè)人利益。當(dāng)?shù)诙蠊蓶|不想與控股股東合作時(shí)，就會(huì)受到現(xiàn)金流量權(quán)益、股權(quán)性質(zhì)、持股比例、投資者法律保護(hù)等因素的影響。第二大股東可以通過內(nèi)部和外部機(jī)制為控股股東帶來控制和制約。在內(nèi)部機(jī)制方面，除了依靠其他股東的支持（簽署協(xié)同行動(dòng)協(xié)議）之外，也可以通過增強(qiáng)對(duì)董事會(huì)的影響來實(shí)現(xiàn)對(duì)控股股東的監(jiān)督制衡［4］。

當(dāng)隧道直徑D滿足5 m＜D=6 m＜8 m時(shí)，最小加固尺寸為：洞門以上H1≥2.5 m，以下H2≥1.0 m，左右B≥2.0 m。

表2 土體橫向加固最小尺寸Tab.2 Minimum size of soil horizontal reinforcement

而由北京已有的盾構(gòu)端頭加固案例可知，北京地鐵一般采取1.5～3.0 m不等的橫向加固厚度[11]。

根據(jù)以上分析，同時(shí)考慮到永定門外站盾構(gòu)埋深大，且全斷面處于富水砂卵石層，進(jìn)洞風(fēng)險(xiǎn)大，故永定門外站端頭橫向加固尺寸可采用：隧道頂以上3.0 m，隧道底以下3.0 m，左右各3.0 m。

3.3 輔助降水措施

3.3.1 降水要求

①為降低盾構(gòu)到達(dá)時(shí)大量地下水涌入洞內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)，需將水位降至盾構(gòu)以下，也即至少需將水位降低9.52 m。

②為確保周邊建（構(gòu)）筑物的安全，需盡量減小降水的影響范圍。

3.3.2 降水計(jì)算理論[12]

根據(jù)日本噴射注漿協(xié)會(huì)資料顯示，經(jīng)加固后土體的粘聚力可提高300～500 kPa[13]，所以在加固區(qū)打設(shè)降水井所需的用于克服土體抗剪強(qiáng)度的能耗將大大增加，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，降水井需布置在加固區(qū)外。由于加固區(qū)所在地層為含水層，地層滲透系數(shù)較大，最終要使水位降低至盾構(gòu)底部，則可將其等效成長(zhǎng)為12 m、寬為6.5 m的矩形潛水流向非完整井，計(jì)算模型見圖2。

圖2 降水計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of precipitation

由于水流絕大部分從基坑模型的側(cè)壁進(jìn)水，故其涌水量：

式中：H為潛水含水層水頭，m；hm為平均動(dòng)水位，hm=（H+h）/2，h為降水時(shí)的最低水頭，m；l為降水井過濾長(zhǎng)度，m；R為降水影響半徑，m，，Sw=H-h，m；K為滲透系數(shù)，m·d-1；r0為基坑的折算半徑，m。降水穩(wěn)定后，任意位置處的流量均相等，據(jù)此可推導(dǎo)出滲降漏斗曲線方程為：

式中：s為加固區(qū)外任一位置水位下降高度；r為水位下降點(diǎn)距圍護(hù)結(jié)構(gòu)的距離。

降水將引起土體自重有效應(yīng)力的增加以及由于地下水滲流而產(chǎn)生的滲透有效應(yīng)力的增加，進(jìn)而引起地表的沉降，其計(jì)算式為：

式中：L為地表沉降；Es為土層壓縮模量；γ為土層天然重度；γ′為土層有效重度；γw為水的重度。

3.3.3 降水計(jì)算

1）降水基本參數(shù)計(jì)算

加固區(qū)等效半徑為r0=0.29×（12＋6.5）=5.365 m。據(jù)表1計(jì)算得：地層的加權(quán)滲透系數(shù)K=100.95 m·d-1；土層的加權(quán)平均天然重度γ=20.18 kN·m-3；土層的加權(quán)有效重度γ′＝9.96 kN·m-3；土層的加權(quán)壓縮模量Es=42.61 MPa。潛水含水層水頭H=15.11 m；降水后最低水頭h=5.59 m。

2）降水影響半徑及涌水量

將上述K，H，r0及Sw。代入公式（4）中計(jì)算可得：降水的影響半徑R＝743.6 m，涌水量Q＝743.6 m3·d－1。

3）降水引起的滲降漏斗曲線

將上述R、H、r0及Sw代入公式（5）中，求得降水引起的滲降漏斗曲線如圖形3所示。

4）降水引起的地表沉降

將上述Es，γ，γ′及H代入式（6），并聯(lián)立式（5）可求得降水引起的地表沉降曲線，如圖4所示。

圖3 降水引起的滲降漏斗曲線Fig.3 Drawdown curve caused by dewatering

圖4 降水引起的地表沉降曲線Fig.4 Ground settlement curve caused by dewatering

5）降水井布設(shè)

由上述降水計(jì)算可知：若將水位降到盾構(gòu)底部以下，降水的影響半徑約743.6 m，敏感影響半徑約100 m；加固區(qū)附近地表最大沉降約23 mm，沉降較均勻；降水總的涌水量約為7376.3 m3·d-1，若采用單級(jí)單吸離心泵（平均流量200 m3·h-1），則兩口降水井即可滿足需求，所以降水井的布置數(shù)量及位置如圖5所示，降水井的直徑約為1 m，共布設(shè)三口井，保證每個(gè)加固區(qū)有兩個(gè)降水井來降水。

3.3.4 降水效果數(shù)值模擬

1）模型建立

對(duì)永定門外站端頭井降水方案進(jìn)行數(shù)值模擬，模型尺寸取100 m×50 m×50 m，地層采用摩爾庫侖準(zhǔn)則，各層物理力學(xué)參數(shù)見表1，豎向邊界約束水平位移，水平底部邊界約束豎向位移，頂部是自由面，模型的網(wǎng)格劃分如圖6所示。建模時(shí)僅在左洞加固區(qū)左側(cè)和兩洞之間各布設(shè)1個(gè)降水井，只分析左洞的降水效果，由對(duì)稱性即可得到右洞處的降水效果。

圖5 降水井布置示意圖Fig.5 Layout of dewatering well

圖6 計(jì)算模型的網(wǎng)格圖Fig.6 Mesh of calculation model

2）計(jì)算結(jié)果分析

圖7為左洞中心位置處孔隙水壓力的豎向云圖，由圖7可知，按上述降水方案，在加固區(qū)兩邊各布設(shè)1個(gè)降水井，基本可以將加固區(qū)范圍內(nèi)的地下水降至隧道底部。

圖8為左洞中心位置處地層沉降的豎向云圖，由圖可知，地層最大沉降發(fā)生在降水井附近，最大值約為42.41 mm。

圖7 孔隙水壓力云圖Fig.7 Figure of pore water pressure

圖8 豎向位移云圖Fig.8 Figure of vertical displacement

由數(shù)值計(jì)算可知，在加固區(qū)兩邊各布設(shè)1個(gè)降水井，可使水位降低至盾構(gòu)機(jī)底部，從而減少盾構(gòu)到達(dá)時(shí)發(fā)生涌砂涌水的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，因降水引起的地表最大沉降值約為42 mm，處于可控范圍，對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物的影響相對(duì)較小。但為確保降水的可靠性，在兩洞之間再增設(shè)1口降水井以備用。

4 總結(jié)

本文對(duì)永定門外站盾構(gòu)接收端土體加固方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過加固方法比選，最終建議選用旋噴樁對(duì)端頭井進(jìn)行加固，并采取降水輔助措施，降低盾構(gòu)接收風(fēng)險(xiǎn)。通過常規(guī)理論計(jì)算公式對(duì)縱向加固長(zhǎng)度進(jìn)行了計(jì)算，得到縱向加固長(zhǎng)度應(yīng)滿足：。采用工程類比法建議端頭橫向加固尺寸采用隧道頂以上3.0 m，隧道底以下3.0 m，左右各3.0 m。最后進(jìn)行了降水井布置設(shè)計(jì)，建議采用加固區(qū)外布置管井進(jìn)行降水，當(dāng)采用平均流量為200 m3·h-1的單級(jí)單吸離心泵時(shí)，每個(gè)加固區(qū)周圍至少有兩口降水井對(duì)其降水。此較為系統(tǒng)的加固方案設(shè)計(jì)對(duì)今后類似富水砂卵石地層盾構(gòu)端頭井土體加固方法選取、加固范圍確定、降水設(shè)計(jì)等加固技術(shù)具有一定的借鑒意義與參考價(jià)值。

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（責(zé)任編輯 王建華）

Study on Reinforcement of Shield End Well in Saturated Sandy Pebble Stratum

Gong Zhenyu1，Cheng Panpan2，Xu Qianwei2
（1. Five Iron Group Electric Service City Link Engineering Co., Ltd., Changsha 410205; 2.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China）

Abstract：The tunnel section of shield end from Tianqiao -Yongdingmenwai of Beijing Metro Line 8 is deeply buried and contains water-rich sandy cobble stratum. In order to reduce the risk of gushing water and sandstone when the shield arrives, a soil reinforcement scheme is designed. Firstly, the way to reinforce is determined by comparing different methods; then according to theoretical calculation and experience analogy, the scope of soil reinforcement is obtained; finally, precipitation scheme is presented through theoretical calculation and numerical simulation. The results can provide reference for future design and construction of similar projects.

Key words：sandy pebble stratum；soil reinforcement of the end well of shield tunnel；rotary churning pile；reinforcement scope；precipitation scheme

中圖分類號(hào)：U455.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-0523（2016）03-0040-07

收稿日期：2015－10－17

作者簡(jiǎn)介：龔振宇（1978—），男，工程師，主要從事隧道與地下工程的建設(shè)與管理工作。