盾構(gòu)隧道始發(fā)地層縱向注漿加固效果研究

石姣姣, 王 建

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盾構(gòu)隧道始發(fā)地層縱向注漿加固效果研究

石姣姣1, 王 建2

(1. 山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 山東 青島 266590; 2. 青島市地鐵八號(hào)線有限公司, 山東 青島 266011)

盾構(gòu)隧道始發(fā)段的穩(wěn)定性是影響盾構(gòu)施工效率和工程安全的重要因素之一, 如若處理不當(dāng), 易引起掌子面失穩(wěn), 頂部圍巖坍塌等工程災(zāi)害, 直接危及施工人員的生命財(cái)產(chǎn)安全; 以一具體工程實(shí)例盾構(gòu)隧道始發(fā)段為工程背景, 針對(duì)傳統(tǒng)的注漿加固作用機(jī)理進(jìn)行了分析, 深入研究了注漿加固范圍對(duì)盾構(gòu)隧道始發(fā)段圍巖加固效果作用規(guī)律; 將各項(xiàng)研究指標(biāo)通過(guò)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來(lái), 并仔細(xì)對(duì)比不同注漿長(zhǎng)度對(duì)其影響規(guī)律, 找到了最適合盾構(gòu)始發(fā)的注漿長(zhǎng)度(8~9m), 研究成果為盾構(gòu)隧道始發(fā)段工程的現(xiàn)場(chǎng)施工提供了有利的理論依據(jù)和技術(shù)支持.

盾構(gòu)始發(fā); 縱向注漿長(zhǎng)度; 最大沉降量

近年來(lái), 隨著人們對(duì)多層次立體交通與出行速度需求的不斷增長(zhǎng), 地下軌道交通建設(shè)日新月異.盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中避免風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害頻發(fā)的關(guān)鍵工序.據(jù)統(tǒng)計(jì), 在盾構(gòu)施工中有70%以上的事故發(fā)生在盾構(gòu)進(jìn)出洞的過(guò)程中, 由于端頭土體加固范圍或加固方式不當(dāng), 致使開挖面滲水漏砂、洞門失穩(wěn)塌陷、地表沉降劇烈等工程災(zāi)害頻發(fā)[1].尤其是盾構(gòu)工作井處于透水性強(qiáng)、自穩(wěn)能力差的松散砂土或含水黏土地層時(shí), 在鑿出封門后, 極易引起封門處出現(xiàn)涌水突泥現(xiàn)象, 進(jìn)而導(dǎo)致地表大幅沉降, 造成地下管線破裂及建筑物沉陷傾斜等問(wèn)題.

目前, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)隧道始發(fā)段地層加固的理論分析已取得較為豐碩的研究成果.吳韜[2]等歸納了盾構(gòu)出洞加固土體穩(wěn)定性分析的方法, 得出抗滑移失穩(wěn)是出洞加固安全控制中的關(guān)鍵; 廖一蕾[3]等提出能實(shí)時(shí)反映盾構(gòu)進(jìn)出洞加固體穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目, 提出加固體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加固體穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià); 朱世友[4]等考慮有水和無(wú)水兩種情況, 根據(jù)各類土的類型特性和關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo), 對(duì)盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)工程中的各單一類型土層分別進(jìn)行了穩(wěn)定性分析與判別; 范寶寶[5]使用經(jīng)典數(shù)學(xué)、力學(xué)理論和三維數(shù)值有限元聯(lián)合分析等手段, 進(jìn)行改良加固土體的受力和變形機(jī)理的探討與研究用以滿足盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞門改良加固土體施工安全的需要; 張冬梅[6]等提出了采用注漿引起的土體體積應(yīng)變模擬隧道注漿效果的方法, 并利用上海地鐵隧道注漿加固實(shí)踐驗(yàn)證了該方法的合理性.

盡管諸多學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)隧道始發(fā)段地層加固技術(shù)進(jìn)行了研究, 但很少涉及縱向注漿加固對(duì)盾構(gòu)始發(fā)段圍巖穩(wěn)定性控制效果這一方面.本文以某軌道交通盾構(gòu)始發(fā)段工程為依托, 深入研究了縱向注漿加固范圍對(duì)始發(fā)段圍巖穩(wěn)定性的控制效果, 為盾構(gòu)隧道始發(fā)段的現(xiàn)場(chǎng)施工提供了有利的理論依據(jù)和技術(shù)支持.

1 盾構(gòu)始發(fā)注漿加固作用

為確保盾構(gòu)隧道始發(fā)段施工圍巖的穩(wěn)定性, 大多采用注漿加固的方式對(duì)該處地層進(jìn)行預(yù)加固, 以免盾構(gòu)隧道施工開挖擾動(dòng)引起圍巖應(yīng)力重分布, 導(dǎo)致掌子面失穩(wěn), 拱頂圍巖大幅下沉, 甚至坍塌的工程災(zāi)難.盾構(gòu)注漿加固作用主要有以下幾點(diǎn):

(1)確保盾構(gòu)開挖前土體穩(wěn)定[7].在拆除圍護(hù)結(jié)構(gòu)后, 需要處于暴露狀態(tài)一定時(shí)間, 刀盤至少需要2至4小時(shí)才能頂?shù)介_挖面進(jìn)行開挖.所以地層的加固需要保證在這一時(shí)間段內(nèi)土體穩(wěn)定.

(2)確保拆除圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)減少施工荷載對(duì)土層的擾動(dòng).封門拆除和維護(hù)結(jié)構(gòu)的拆除對(duì)地層擾動(dòng)不能忽視, 較為軟弱的地層若無(wú)法承受施工荷載的影響容易導(dǎo)致塌方.注漿加固減少了受到施工荷載的擾動(dòng), 為安全施工提供了保障[8].

(3)減少滲水、涌砂等事故發(fā)生[9].對(duì)于加固土體, 只注重土體穩(wěn)定性方面是不夠的, 還需要考慮土體的滲透問(wèn)題.注漿可以減小土的滲透系數(shù), 防止地下水滲透涌入工作井內(nèi), 威脅施工的安全和進(jìn)度.

(4)防止地面沉降或隆起過(guò)大.當(dāng)盾構(gòu)始發(fā)時(shí), 注漿加固增大土體強(qiáng)度, 防止巖土過(guò)大變形產(chǎn)生沉降或隆起, 影響上部的交通、住宅等.

2 理論分析

2.1工程概況

該軌道交通隧道, 采用盾構(gòu)法施工, 外徑6.0m, 內(nèi)徑5.7m, 襯砌厚度0.15m, 埋深為10m.該區(qū)域地貌形態(tài)為第四系厚沖洪積平原, 地層主要為雜填土、黃土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、黏土、膠結(jié)砂和卵石等.各地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 掌子面計(jì)算模型

依據(jù)日本JETGROUT協(xié)會(huì)(JJGA)規(guī)范中板塊強(qiáng)度理論[10]建立計(jì)算模型, 如圖1所示.

整體板塊厚度可用式(1)計(jì)算:

2.3 粘性土滑移失穩(wěn)理論計(jì)算模型

隨著盾構(gòu)的掘進(jìn), 加固土體在地面荷載和上部土體作用下可能沿著如圖2所示的滑移面進(jìn)行整體滑動(dòng), 該滑移面以端墻洞門外頂點(diǎn)為圓心、洞門直徑為半徑[11], 其下滑力矩為

其中地面荷載引起的下滑力矩

上覆土體自重引起的下滑力矩

滑移面內(nèi)土體的下滑力矩

抵抗下滑力矩為

其中土體改良以前的抵抗力矩

土體改良以后增加的抵抗力矩

土體的平衡條件為

圖1 板塊強(qiáng)度理論計(jì)算模型

圖2 滑移失穩(wěn)理論計(jì)算模型

2.4 解析解驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算得出加固土體的厚度范圍可以取8.13m~9.39m.將結(jié)果代入式(2)、(3)得

顯然,1,2均滿足要求.

綜上所述, 理論計(jì)算得到加固土體的范圍為8.13m~9.39m, 為了得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果, 需要結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行分析.

3 工程實(shí)例分析

3.1 計(jì)算模型

通過(guò)FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件, 建立1:1數(shù)值計(jì)算模型大小為(72m)×(36m)×(36m), 左右邊界至隧道外徑距離大于4, 模型底部至隧道外徑距離為3, 如圖3所示.

3.2 不同縱向加固范圍模擬結(jié)果分析

為研究盾構(gòu)始發(fā)端加固地層對(duì)始發(fā)掘進(jìn)應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的影響, 將預(yù)注漿的加固范圍取如下幾種情況進(jìn)行對(duì)比分析, 每次取掘進(jìn)6m后的地層展開分析.

3.2.1沒(méi)有注漿盾構(gòu)始發(fā)分析

在沒(méi)有注漿的情況下, 直接開挖引起圍巖的二次應(yīng)力重分布.由于地質(zhì)條件較差, 開挖后巖石土體支撐不了上部的圍巖應(yīng)力.若沒(méi)有適當(dāng)?shù)闹ёo(hù), 會(huì)引起開挖斷面大面積破壞, 地表沉降直接達(dá)到2m, 導(dǎo)致盾構(gòu)始發(fā)的失敗, 進(jìn)而產(chǎn)生巨大損失.所以始發(fā)時(shí)的注漿加固處理是必不可少的, 可以通過(guò)與沒(méi)有注漿的情況進(jìn)行比較(如圖4所示), 找出合理的注漿范圍.

圖3 盾構(gòu)隧道模型

圖4 無(wú)注漿地層產(chǎn)生的塑形區(qū)分布

3.2.2 縱向加固3m盾構(gòu)始發(fā)分析

軸向注漿加固范圍為3m時(shí)的注漿加固效果如圖5所示. 當(dāng)注漿3m時(shí), 最大隆起值出現(xiàn)在工作面的底部, 達(dá)到了26.9mm;而最大沉降值出現(xiàn)在工作面頂部, 達(dá)到29.5mm, 接近于施工安全滿足的最大沉降.可見(jiàn)繼續(xù)開挖將導(dǎo)致進(jìn)一步沉降, 產(chǎn)生很大施工風(fēng)險(xiǎn).由圖6可看出, 盾構(gòu)進(jìn)出洞產(chǎn)生的最大應(yīng)力產(chǎn)生在襯砌拱腰處, 達(dá)到了1.192MPa.相對(duì)沒(méi)有注漿情況已經(jīng)對(duì)沉降有了限制, 但是由于注漿范圍較小, 對(duì)于開挖擾動(dòng)和應(yīng)力重分布影響的限制仍然不足, 不利于土體穩(wěn)定, 需要進(jìn)一步擴(kuò)大注漿范圍.

圖5 注漿3m地層產(chǎn)生的沉降云圖

圖6 注漿3m地層產(chǎn)生的應(yīng)力云圖

3.2.3縱向加固6m盾構(gòu)始發(fā)力學(xué)場(chǎng)分析

如圖7所示, 注漿6m時(shí), 盾構(gòu)始發(fā)產(chǎn)生的沉降和應(yīng)力明顯比注漿3m時(shí)減小.最大隆起值出現(xiàn)在工作面底部, 達(dá)到2.51mm, 最大沉降值出現(xiàn)在工作面頂部, 達(dá)到6.39mm.最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰達(dá)到0.965MPa.可見(jiàn), 注漿6m已經(jīng)對(duì)地層加固有了顯著效果, 需要進(jìn)一步研究繼續(xù)開挖以后整個(gè)地層沉降的表現(xiàn).

圖7 注漿6m地層產(chǎn)生的位移應(yīng)力云圖

3.2.4盾構(gòu)始發(fā)注漿長(zhǎng)度影響分析

計(jì)算得到不同注漿長(zhǎng)度對(duì)施工穩(wěn)定性的影響如圖8、9所示.

圖8 隨著盾構(gòu)掘進(jìn)不同注漿長(zhǎng)度產(chǎn)生的最大沉降量

圖9 最大應(yīng)力隨著縱向注漿加固長(zhǎng)度的變化

分析圖8和圖9可得出以下結(jié)論:

(1)注漿3m時(shí)只能在開挖前4m時(shí)較為穩(wěn)定, 繼續(xù)開挖時(shí), 拱頂受到的壓應(yīng)力超過(guò)了其所能承受的范圍, 沉降迅速擴(kuò)大; 當(dāng)對(duì)地層進(jìn)行注漿加固大于6m時(shí), 在開挖前6m產(chǎn)生的沉降都控制在20mm以下, 符合隧道施工沉降監(jiān)測(cè)規(guī)范(10mm~30mm).

(2)加固3m、6m的曲線在開挖6m以后沉降明顯增大, 超過(guò)了30mm的最大沉降界限, 不適合應(yīng)用在該工程; 當(dāng)加固8m、9m時(shí), 在盾構(gòu)始發(fā)前8m并沒(méi)有太大沉降, 在8m以后略有波動(dòng), 但仍在沉降控制范圍內(nèi), 可以應(yīng)用于該工程中.

(3)當(dāng)加固12m、15m時(shí), 在盾構(gòu)剛進(jìn)行切削土層時(shí)沉降比其他的稍大.隨著開挖繼續(xù)進(jìn)行時(shí), 沉降就處于平穩(wěn)狀態(tài), 符合安全施工要求, 但從經(jīng)濟(jì)因素考慮, 加固長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模浪費(fèi), 破壞環(huán)境.

(4)縱向注漿加固的長(zhǎng)度對(duì)于最大應(yīng)力的影響較小, 一直處在平穩(wěn)狀態(tài).施工中需要對(duì)產(chǎn)生最大應(yīng)力的區(qū)域(襯砌拱腰處)采取必要的措施.

4 結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬分析, 結(jié)合理論研究, 得出縱向注漿加固尺寸在8~9m之間較為合理, 此時(shí), 最大應(yīng)力、最大沉降都滿足安全施工的標(biāo)準(zhǔn).

(2)在橫向和豎向的注漿厚度上根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行3~4m的加固即可, 橫向和豎向加固范圍增大, 對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變產(chǎn)生的影響不會(huì)繼續(xù)增大.

(3)注漿模擬與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相符合, 如繼續(xù)增加注漿范圍, 則對(duì)破壞區(qū)的影響較小.從經(jīng)濟(jì)方面的考慮, 則不再繼續(xù)進(jìn)行注漿.

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Strengthening Effect of Shield Tunneling Stratum Longitudinal Through Grouting

SHI Jiaojiao1, WANG Jian2

(1. College of Architecture and Civil Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. Qingdao Metro Line Eight Co., Ltd., Qingdao 266011, China)

The stability of the shield tunnel initial period is one of the important factors that effect on the efficiency of shield construction and engineering safety, if mishandled, could lead to engineering disasters easily such as the unstability of the tunnel face and the collapse of the top of the rock, endanger the life and property security of the construction personnel directly; Based on a specific engineering example, the article analyzed the effect of grouting reinforcement on surrounding rock reinforcement of the shield tunnel originating section. The various research indexes were presented, and the influence of different grouting length on the different grouting length was carefully compared. Finally come to the conclusion. The research find the most suitable length (8-9m) for the shield tunnel and the results provide a favorable theoretical basis and technical support for the construction of the initial segment of the shield tunnel.

shield launching, the longitudinal length of grouting, the maximum settlement

2017-10-15

石姣姣(1992? ), 女, 山東聊城人, 山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院碩士研究生. 主要研究方向: 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

U455.43

A

1672-5298(2017)04-0067-06