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超大直径盾构出洞地基加固设计与施工

来源:加固改造网   日期:2013年7月20日 14:18

摘 要 盾构出洞地基加固是盾构隧道掘进施工中的1个重要环节,盾构出洞过程具有较大的风险。文章根据耀华支路越江隧道工程盾构始发井的地质条件,设计了f14.88 m泥水气平衡盾构机出洞的地基加固方案,并进行计算校核,通过精心施工,确保了盾构顺利出洞,从而说明加固方案是合理的,可供今后类似工程参考。

  关键词 泥水气平衡盾构 盾构出洞 加固体设计 施工方案

  1 工程概况

  耀华支路越江隧道工程是目前上海单线一次穿越黄浦江距离最长(2 178 m)的隧道,采用f14.88 m超大直径泥水气平衡盾构机掘进施工。浦西侧盾构始发井平面尺寸为24.2 m×26 m,采用1 m厚、48 m深的地下连续墙围护,开挖深度为27.467 m,盾构出洞中心埋深为16.833 m,覆土厚9.393 m。

  由于盾构始发井位于闹市区,周边环境复杂(见图1),为保证盾构安全出洞,在凿除预留洞门内的地下连续墙前,需对洞门外侧土体进行加固。受施工场地狭小、地下管线以及工期等因素的影响,为满足加固施工需要,加固区拟定采取深层搅拌桩法施工。

  图1 工程周边环境图

  2 工程地质条件

  盾构出洞处各土层物理力学性指标见表1。

  表1 土层物理力学性质参数表

  层序土层名称湿重度/kg×m-3含水量/%空隙比压缩系数/MPa-1内聚力/kPa摩擦角/(°)静止侧

  压力系数无侧限抗压强度/kPa

  ②1褐黄色黏土18.531.60.9110.412313.50.5481

  ③灰色淤泥质粉质黏土17.540.01.1430.751412.50.5240

  ④灰色淤泥质黏土17.047.21.3361.05149.50.5543

  ⑤2-1灰色砂质粉土夹粉质黏土18.331.30.9050.21825.50.38

  ⑤2-2灰色黏质粉土夹粉质黏土18.032.70.9760.401219.50.48

  盾构出洞切削的主要土层为④、⑤2-1、⑤2-2(见图2)。

  图2 盾构出洞切削的主要土层剖面示意图

  由岩土勘察报告可知,盾构出洞处土层由上而下分别为①1人工填土、②1褐黄色黏土、③灰色淤泥质粉质黏土、④灰色淤泥质黏土、⑤2-1灰色砂质粉土夹粉质黏土、⑤2-2灰色黏质粉土夹粉质黏土。资料显示,⑤2层含微承压水,其水头埋深为1.75~2.55 m。

  3 盾构出洞地基加固

  3.1 加固体尺寸的确定

  根据工程地质条件、隧道直径、隧道上方覆土厚度以及耀华支路越江隧道盾构出洞处的施工环境条件,并参考以往黄浦江隧道施工经验,采用经验公式进行了计算,盾构前方21 m范围需进行土体加固,其中靠近洞口14 m区域为主加固区,其强度要求大于1.0 MPa,起到满足洞门内地下连续墙凿除后土体自稳无大量渗水以及洞门封堵时安全作用;前端7 m区域为弱加固区,其强度要求大于0.6 MPa,起到满足盾构安全覆土厚度要求和土体强度由强变弱过渡作用。

  加固体的基本尺寸为:长21 m(其中7 m为过渡区)、宽21 m、高约24.6 m。根据施工场地、地下管线走向以及加固体的作用,对弱加固区平面尺寸进行调整,最终设计方案如图3所示。

  图3 加固体范围示意图

  3.2 加固体尺寸的校核计算

  3.2.1 加固体长度验算

  ⑴ 土体未加固前的抗滑动力矩Mr[2]为:

       (1)

   式中,C—土体内聚力,14 kPa;

     D—洞口直径,15.3 m;

  则:Mr=5 148 kN×m。

  ⑵ 假定土体滑移以O点为圆心、加固土体开挖内径为半径的圆弧线,则上部覆土自重引起的下滑力矩Md[2]为:

         (2)

     式中, γ—土体重度, 取值为17.6 kN/m3;

        H—自地表算起的出洞口顶部的深度,为9.4 m;

         D—洞口直径,为15.3 m;

  则:Md=40 375.84 kN×m。

  ⑶ 土体加固后滑动土体增加的抗滑动力矩ΔMr为:

       (3)

  式中,ΔC为注浆引起内聚力增加,参考相关技术资料,水泥土的内聚力为其无侧限抗压强度的20%,拟定水泥土的无侧限抗压强度为1.0 MPa,则取注浆搅拌后土体的内聚力为200 kPa,则ΔC=186 kPa。

  ⑷ 土体平衡条件为: (4)

     式中,K为抗滑安全系数,取1.2。

      由式(3)、(4)可得:

  故加固体的长度(D′sinq)应大于12.8 m。

  ⑸ 从加固体强度考虑,用弹性力学理论计算公式计算加固体长度。

         ⑸

  式中,W—侧向水土压力,为0.013H(H 为计算点深度),m;

  r—圆形洞门半径,7.65 m;

  σt—加固土体的弯曲抗拉强度,0.18 MPa(无侧限抗压强度的6%~30%);

  K—安全系数,取1.2。

  计算出加固体长度应大于11.3 m。

  3.2.2   加固体高度验算

    盾构顶部加固体的高度为塑性区半径与盾构机半径之差,按公式⑹校核加固体的高度。

           ⑹

  式中,R—塑性区半径,自盾构中心起至改良土体的高度;

  g—加固土体的重度,18 kN/m3;

  C—加固土体的内聚力,200 kPa;

  r1—盾构机半径,7.44 m;

  H—盾构中心至地面距离,16.833 m。

  求得:R=10.34 m,考虑安全系数,盾构顶部加固体的高度为3.48 m;同样可计算出洞口前方7 m盾构底部加固高度为6 m;其余底部加固体高度为3.2 m。

  3.2.3 加固体宽度的校核

  在求得改良体顶部高度后,可根据几何关系,求得改良土体的宽度为20.16 m。

  从加固体的长、宽、高的校核结果表明,设计的实际尺寸均满足要求。

  4 加固体施工

  4.1 桩的布置

  盾构出洞洞口土体加固主要采用三轴水泥土搅拌桩加固,桩径为1 m,孔间距为0.75 m,排间距为0.7 m。根据地基加固要求和地形情况,分为3个区域,见图4。

  图4 加固体布桩施工图

  ⑴ 第一个区域为紧靠地下连续墙的21 m×6.3 m平面范围,在地面以下5.9 m深度范围内,qu≥0.6 MPa;其下24.6 m深度范围内,qu≥1.0MPa;

  ⑵ 第二个区域为中间的21 m×7 m平面范围,在地面以下6.9 m深度范围内,qu≥0.6 MPa;其下20.8 m深度范围内,qu≥1.0 MPa;

  ⑶ 第三个区域为不规则平面范围,在地面以下6.9 m深度范围内无加固要求,其下

  20.8 m深度范围内,qu≥0.6 MPa。

  4.2 水泥土强度检测

  对于qu≥1.0 MPa的土体,水泥掺量为20%;对于qu≥0.6 MPa的土体,水泥掺量为10%。

  为检测施工质量,加固体满足龄期要求后进行了现场取芯试验,共取4个点,每个点钻取10、15、20、25 m深度处的加固体,经观察,加固体连续性较好;通过试验,各点强度均超过1.0 MPa,最大达1.62 MPa,最小也有1.23 MPa,符合设计要求。

  4.3 补充措施

  ⑴ 工作井和三轴加固区之间预留0.7 m宽的狭长夹缝,待始发井结构稳定后、盾构机出洞前,采用三重旋喷加固进行补桩,桩径为1.2 m,桩间距为0.9 m。补桩与工作井的地下连续墙和已加固的区域有效搭接0.25 m。

  ⑵ 由于三轴搅拌桩与三重旋喷桩在不同时期施工,两者之间存在1条施工缝,且离洞门仅0.7 m,而⑤2层含微承压水的水量较丰富,在盾构出洞阶段,一旦发生大量微承压水携带泥砂通过施工缝侵入工作井,对工程危害极大,因此,在凿除洞门内的地下连续墙前,通过在洞门内斜向周圈打孔进行压密注浆,填补施工缝,阻隔外界水力联系。

  5 结语

  根据耀华支路越江隧道盾构出洞处的地质条件和环境条件,设计、计算并校核了出洞加固体的范围,通过科学部署、合理布桩、精心施工,经现场钻孔取芯检测,试验结果表明加固体强度达到了设计要求。洞门凿除后,暴露出的加固面干燥、自立性强、没有土块剥落、也没有发生大量渗水情况,达到设计要求。

  f14.88 m泥水气平衡盾构按计划顺利出洞,说明洞门加固体设计方案和施工技术方案合理、施工技术可靠,为今后的类似盾构出洞加固提供了有益的参考。

  

  参考文献

  [1] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2004

  [2] 侯学渊等.软土工程施工新技术[M]. 合肥:安徽科学技术出版社,1999

  

 

所属类别: 技术科研

该资讯的关键词为:地基,加固,设计,施工