海底隧道泥水盾構(gòu)始發(fā)端頭加固范圍研究

郝展鵬 , 王旭春,楊公利,劉緒壯,羅敏鶴

(1.青島理工大學(xué) 青島市 266033;2. 青島市地鐵規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 青島市 266315)

0 引言

泥水平衡盾構(gòu)跨海隧道施工面臨極大的風(fēng)險(xiǎn),控制不好時(shí)會(huì)出現(xiàn)地層嚴(yán)重變形、開(kāi)挖面失穩(wěn)等事故,給工程帶來(lái)極大的危險(xiǎn)。目前,在隧道建設(shè)過(guò)程中,事故多發(fā)于盾構(gòu)始發(fā)階段,原因集中在盾構(gòu)始發(fā)地層的加固方案不合理,出現(xiàn)加固范圍小、加固效果不理想等問(wèn)題。

盾構(gòu)始發(fā)端頭加固目前已有大量的學(xué)者進(jìn)行了深入研究,如李大勇等[1]指出了端頭土體加固不僅應(yīng)滿足強(qiáng)度要求,還應(yīng)該有抗?jié)B透性的要求等。江玉生等[2]首先總結(jié)了當(dāng)前端頭土體加固的計(jì)算方法及問(wèn)題,提出應(yīng)根據(jù)不同地層、結(jié)合盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度,土體的強(qiáng)度以及加固土體穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果等因素綜合考慮。吳韜等[3]首先總結(jié)了端頭土體加固強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析理論,與數(shù)值模擬對(duì)比得出,土體加固的關(guān)鍵控制因素為抗滑移失穩(wěn),并且加固土體的黏聚力C對(duì)抗滑移失穩(wěn)起主要作用。雷金山等[4]指出1.0～1.5倍洞門(mén)直徑的土體縱向加固范圍在長(zhǎng)沙地區(qū)砂卵石地層中是合理有效的。王常嶺等[5]認(rèn)為在軟土加粉土、粉砂地層中,合理且適用加固方式為:三軸深層攪拌樁與高壓旋噴樁聯(lián)合加固,且橫向加固范圍只需滿足構(gòu)造要求。

計(jì)算土體縱、徑向范圍加固的理論包括:板塊強(qiáng)度理論、土體滑移失穩(wěn)理論和土體擾動(dòng)極限平衡理論。其中,在計(jì)算縱向加固范圍時(shí),要綜合考慮強(qiáng)度和穩(wěn)定性;土體擾動(dòng)極限平衡理論,是依據(jù)斷面周?chē)a(chǎn)生的塑性松動(dòng)圈,通過(guò)圈內(nèi)應(yīng)力平衡條件及其破壞條件建立平衡方程,繼而確定加固土體的徑向范圍。對(duì)于工程地下水豐富、穩(wěn)定性較差,在端頭加固范圍的計(jì)算時(shí),不但要考慮以上因素,還要考慮滲透性、土體擾動(dòng)等因素。

目前,泥水盾構(gòu)隧道端頭加固的相關(guān)研究較少,尤其是跨海隧道。各項(xiàng)研究主要集中在土壓平衡盾構(gòu),對(duì)于泥水盾構(gòu)端頭始發(fā)的工程案例較少,另外濱海地層具有特殊性,地下水與海水相通,地下水含量豐富。因此文章依托青島地鐵某泥水盾構(gòu)跨海隧道工程,提出了基于盾構(gòu)幾何尺寸的縱向加固范圍理論公式,改進(jìn)了盾構(gòu)始發(fā)端頭的加固方案。

1 工程概況與設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

工程始發(fā)端位于新近填海造地段,由于第四系地層的厚度較大,故本地段存在部分復(fù)雜地層,從上至下依次為:①3-1沖填土土層厚度6.99～8.25m;⑥1粉質(zhì)黏土(淤泥質(zhì))土層厚度3.71～5.29m;⑨中粗砂砂層厚度0～2.04m;粉質(zhì)黏土土層厚度17.74～19.46m;中粗砂(含黏性土粗礫砂)砂層厚度2.28～5.01m;13泥質(zhì)粉砂巖巖層厚度0～3.2m。盾構(gòu)始發(fā)洞門(mén)處,拱頂埋深為26.2m,洞身主要處于:粉質(zhì)黏土、粗礫砂、13泥質(zhì)粉砂巖。上部吹填砂層中,地下水較為豐富,地下水無(wú)穩(wěn)定水位,會(huì)隨潮汐變化,不過(guò)存在一定滯后,埋深約0.8～4.5m。

1.2 泥水盾構(gòu)設(shè)備簡(jiǎn)介

工程盾構(gòu)施工投入一臺(tái)泥水盾構(gòu)機(jī),采用中鐵某型號(hào)泥水盾構(gòu)機(jī),適宜區(qū)間海域段復(fù)雜地層的掘進(jìn)施工。

1.2.1盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)

刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式為復(fù)合式,也即輻條+面板。刀盤(pán)開(kāi)口率36%,刀具配置情況如下:中心滾刀(雙刃滾刀)4把,單刃滾刀39把,滾刀均為45.72cm;刮刀60把,邊刮刀12把,撕裂刀12把,先行撕裂刀6把。

1.2.2盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 中鐵某型號(hào)泥水盾構(gòu)機(jī)參數(shù)表

2 始發(fā)端頭加固范圍計(jì)算

2.1 端頭始發(fā)縱向加固范圍的確定

(1)端頭加固強(qiáng)度驗(yàn)算

工程始發(fā)端工程地質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表2 始發(fā)端地質(zhì)參數(shù)表

洞門(mén)頂部包括中粗砂和粉質(zhì)黏土,地下水位為-0.22m。經(jīng)計(jì)算,在洞門(mén)中心處,水土壓力為W=254.66kPa。

板塊強(qiáng)度理論是將加固土體的開(kāi)口部分看作一個(gè)自由支承的彈性圓板[6],基于簡(jiǎn)支梁的受力破壞驗(yàn)算,求能夠抵抗其外側(cè)水土壓力破壞的厚度,計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 板塊強(qiáng)度理論計(jì)算模型

加固厚度為:

(1)

式中:h為加固厚度(m);k0為安全系數(shù);β為計(jì)算系數(shù),取1.2;W為外側(cè)水土壓力,簡(jiǎn)化計(jì)算為洞門(mén)中心處水土壓力(kPa);D為洞門(mén)直徑(m);σt為加固土體的極限抗拉強(qiáng)度(kPa)。

取加固土體90d單軸抗壓強(qiáng)度為fcu90=1MPa;抗剪強(qiáng)度τc=0.3MPa;一般取極限抗拉強(qiáng)度σt=(10%～15%)fcu90,取σt=0.133MPa。盾構(gòu)開(kāi)挖直徑D=7.02m,代入式(1),計(jì)算得縱向加固長(zhǎng)度h=7.5m。

(2)端頭加固穩(wěn)定性驗(yàn)算

土體滑移失穩(wěn)理論適用于黏性土,其計(jì)算模型如圖2所示。理論假定加固土體失穩(wěn)時(shí),滑動(dòng)面為圓弧,發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)時(shí)以點(diǎn)(洞門(mén)外側(cè))為圓心,以洞門(mén)直徑為半徑。

圖2 土體滑動(dòng)計(jì)算模型

土體縱向加固長(zhǎng)度計(jì)算公式為:

h=Dsinθ

(2)

式中:θ為滑移線與縱向加固厚度相交圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角(°)。

考慮到D=7.02m,故明顯滿足h>Dsinθ,滿足穩(wěn)定性要求。

綜合板塊強(qiáng)度理論與穩(wěn)定性驗(yàn)算,應(yīng)取縱向加固長(zhǎng)度為7.5m。但是,在青島地鐵跨海隧道工程中,始發(fā)加固長(zhǎng)度為14.5m時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。因此,需要根據(jù)工程實(shí)際對(duì)始發(fā)加固長(zhǎng)度理論公式進(jìn)行改進(jìn)。

(3)基于盾構(gòu)幾何尺寸效應(yīng)的縱向加固范圍

工程盾構(gòu)在深埋富水含砂層始發(fā),端頭土體加固需要考慮盾構(gòu)的幾何尺寸[7]。依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),端頭縱向加固幾何尺寸所要求長(zhǎng)度為:盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度+(1.5～2)m。泥水盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)10981mm,取l=11m,則端頭縱向加固長(zhǎng)度為h=12.5～13m。

根據(jù)幾何準(zhǔn)則所確定的縱向加固長(zhǎng)度應(yīng)為最小長(zhǎng)度,記為h1。為保證盾構(gòu)繼續(xù)深入時(shí)不會(huì)出現(xiàn)塌陷、涌水等工程事故,要從強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面繼續(xù)加固,示意見(jiàn)圖3。

圖3 基于幾何尺寸效應(yīng)加固的計(jì)算模型

該位置土層為強(qiáng)透水層,交界處后土體在設(shè)計(jì)加固時(shí),在強(qiáng)度方面計(jì)算時(shí)依舊采用板塊強(qiáng)度理論,并對(duì)計(jì)算后的整體加固長(zhǎng)度進(jìn)行穩(wěn)定性以及其他強(qiáng)度方面的驗(yàn)算。由于地層地質(zhì)情況相近,故水土壓力依然取W=254.66kPa。根據(jù)前文強(qiáng)度板塊的理論計(jì)算,可得出板塊強(qiáng)度理論要求的加固長(zhǎng)度h2=7.5m。

由于交界處兩側(cè)在加固時(shí)應(yīng)作為一個(gè)整體,因此應(yīng)以交界處兩側(cè)作為板塊強(qiáng)度理論加固的中間位置。再考慮到在實(shí)際的工程施工中因各種因素導(dǎo)致一定誤差,故限定板塊強(qiáng)度理論所給結(jié)果允許5%的誤差。也即而完整的加固長(zhǎng)度為:

h=h1+(0.95～1.05)×0.5h2

(3)

也即縱向加固長(zhǎng)度h=(16.1-16.4)m。

經(jīng)分析得出,由于外側(cè)水土壓力對(duì)加固土體的作用,板上最大彎曲應(yīng)力,最大剪應(yīng)力分別位于圓板的中心平面處和周邊支座處。強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果如表3、表4所示。由驗(yàn)算結(jié)果可知,當(dāng)土體縱向加固長(zhǎng)度h=16.1m時(shí),滿足強(qiáng)度要求。

表3 最大彎曲應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

表4 最大剪應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

2.2 始發(fā)端頭徑向加固范圍的確定

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中,周?chē)馏w會(huì)受到各類(lèi)擾動(dòng),產(chǎn)生半徑為r的塑性范圍?？捎赏馏w擾動(dòng)極限平衡理論確定徑向加固范圍,如圖4所示。

圖4 塑性松動(dòng)圈

在a

(4)

式中:R為中心至塑性區(qū)外側(cè)距離(m);γt為上覆土體平均容重(kN/m3);C為加固土體的黏聚力(kPa);H為隧道中心的覆土深度(m);a為盾構(gòu)開(kāi)挖半徑(m)。

洞門(mén)上、下側(cè)端頭土體加固厚度為:

H1=H2=k(R-a)

(5)

式中:k為加固安全系數(shù),一般取1.5。

洞門(mén)兩側(cè)端頭土體加固厚度為:

B=(a+H1)cosβ-a

(6)

(7)

式中:φ為加固土體內(nèi)摩擦角(°)。

取C=300kPa,根據(jù)地層厚度,可算得覆土深度,盾構(gòu)開(kāi)挖半徑,平均容重γt=18.8kN/m3,R=7.27m。由此計(jì)算得洞門(mén)上、下側(cè)需要加固的厚度為H1=H2=5.64m。內(nèi)摩擦角Φ=30°,求得β=37.4°,則洞門(mén)兩側(cè)所需的加固范圍為B=3.75m。

洞門(mén)下側(cè)土體不存在坍塌問(wèn)題,土體加固主要取決于抗?jié)B性,一般取下側(cè)加固土體厚度1m≤H2≤3m。

綜合以上理論計(jì)算最大值及經(jīng)驗(yàn)值,工程端頭加固范圍具體數(shù)值確定如下:縱向加固長(zhǎng)度h=16.1m,兩側(cè)加固厚度B=3.75m,拱頂加固厚度H1=5.64m,拱底加固厚度H2=3m。

3 泥水盾構(gòu)端頭加固方案

3.1 端頭加固方案

工程始發(fā)加固原方案為:旋噴樁+洞門(mén)素連墻組合加固,但是在實(shí)際工程中,高壓旋噴難以達(dá)到需要的土體加固效果,無(wú)法形成有效止水,須補(bǔ)強(qiáng)加固。結(jié)合工程實(shí)際條件,始發(fā)端采用洞門(mén)素墻+套管咬合樁+“U”型素墻+后退式注漿的加固方式,如圖5所示。

圖5 改進(jìn)的端頭加固示意圖(單位:mm)

3.2 端頭加固效果

在進(jìn)行加固效果檢查后,結(jié)果顯示:

(1)加固土體在水平、邊界、斜向三種不同的取芯方式采樣下,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.8MPa,滲透系數(shù)<10-7cm/s,滿足強(qiáng)度要求。

(2)在洞門(mén)范圍上下左右及中心各鉆孔1個(gè),無(wú)明顯漏水,無(wú)漏泥砂現(xiàn)象,滿足滲透性要求。

(3)利用鉆孔巖土芯進(jìn)行檢查其勻質(zhì)性,結(jié)果顯示加固體均勻,勻質(zhì)性滿足要求。

據(jù)此可認(rèn)為:所設(shè)計(jì)的加固方案效果較好,適合工程地質(zhì)情況;縱向加固長(zhǎng)度h=16.1m,兩側(cè)加固厚度B=3.75m,拱頂加固厚度H1=5.64m,拱底加固厚度H2=3m,均與實(shí)際情況相近,表明理論計(jì)算可以用來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)際,為相似工程提供參考。

4 結(jié)論

文章立足青島地鐵某區(qū)間泥水平衡盾構(gòu)跨海隧道工程,提出了一種基于盾構(gòu)幾何尺寸效應(yīng)的盾構(gòu)始發(fā)端頭加固方法,主要結(jié)論如下:

(1)綜合板塊強(qiáng)度理論、盾構(gòu)幾何尺寸效應(yīng)以及土體滑移理論得到了泥水盾構(gòu)端頭始發(fā)的縱向加固范圍為16.1m;通過(guò)土體擾動(dòng)極限平衡理論確定了泥水盾構(gòu)始發(fā)的徑向加固范圍,即兩側(cè)加固厚度為3.75m,拱頂加固厚度為5.64m,拱底加固厚度為3m。

(2)分析了原加固方案在工程地層中的缺陷,并針對(duì)原方案不足之處進(jìn)行了改進(jìn),解決了原方案旋噴樁達(dá)不到加固強(qiáng)度的問(wèn)題,并且在加固效果的檢驗(yàn)中,加固土體的強(qiáng)度、滲透性以及勻質(zhì)性全部達(dá)到要求。