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        盾構(gòu)通過礦山法隧道上浮問題分析研究

        2011-05-04 08:07:26董澤龍張慶賀
        鐵道建筑 2011年5期
        關(guān)鍵詞:管片盾構(gòu)礦山

        董澤龍,張慶賀,周 禾

        (1.上海第一市政工程有限公司,上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;3.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系,上海 200092)

        目前,國內(nèi)廣州、深圳等地的地鐵施工過程中都會(huì)碰到復(fù)雜地層、軟弱不均地層。一條區(qū)間隧道的大部分經(jīng)過軟黏土,粉土等,只有幾十米甚至上百米穿過強(qiáng)度較高的巖層,單獨(dú)采用盾構(gòu)或TBM均遇到不適應(yīng)地層風(fēng)險(xiǎn),礦山法難以通過大段軟土地層,此時(shí)采用盾構(gòu)通過礦山法隧道的復(fù)合工法能達(dá)到事半功倍效果。劉建美等[1]以廣州地鐵四號(hào)線大學(xué)城專線小新區(qū)間隧道為例,詳細(xì)介紹了盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段時(shí)的回填、盾尾注漿和分階段壓注漿等工藝;楊書江等[2-3]從解決空推無法對(duì)已拼裝管片隧道施加足夠軸向壓力角度出發(fā),提出了在盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段拼裝管片時(shí),采用焊接聯(lián)結(jié)鋼筋、支擋牛腿和復(fù)緊螺栓三步走的措施,保證隧道的防水效果。汪茂祥[4]等結(jié)合廣州地鐵5號(hào)線區(qū)楊盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)隧道,介紹了盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段的導(dǎo)臺(tái)施工、盾構(gòu)“磕頭”、管片錯(cuò)臺(tái)控制和增大盾構(gòu)總推力壓緊管片等施工關(guān)鍵技術(shù)。

        盾構(gòu)隧道施工過程中襯砌管片上浮問題是客觀存在的,且一直是較難解決的問題之一。針對(duì)這一問題,張慶賀等從盾構(gòu)開挖面平衡狀態(tài),推導(dǎo)了土壓平衡盾構(gòu)開挖工作面水土壓力與密封艙內(nèi)壓力動(dòng)態(tài)平衡式,得到了盾構(gòu)施工過程土體及隧道穩(wěn)定所需的最小覆土厚度[5-6];肖明清等分析了軟土普通盾構(gòu)施工過程中管片上浮的影響因素,并提出了控制管片上浮對(duì)策和措施[7]。

        1 盾構(gòu)通過礦山法隧道施工工藝簡(jiǎn)介

        1.1 工藝簡(jiǎn)介

        盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段的通常做法是:①從地表打一豎井下至隧道設(shè)計(jì)巖層處,先采用礦山法將較堅(jiān)硬巖土層爆破挖除,施工斷面稍大于盾構(gòu)外徑的初期襯砌;②在礦山法隧道內(nèi)回填土或者細(xì)石子;③盾構(gòu)在預(yù)先做好的礦山法隧道里空推并完成管片拼裝(此階段基本無同步注漿);④補(bǔ)壓漿(見圖1)。

        圖1 礦山法襯砌、回填層及盾構(gòu)管片平面

        1.2 盾構(gòu)通過礦山法隧道管片上浮難題

        與軟土地區(qū)的普通盾構(gòu)施工相比,在已經(jīng)施工完畢的礦山法隧道內(nèi)進(jìn)行盾構(gòu)空推施工,存在如下幾大技術(shù)難題:

        1)管片上部缺少上覆土的作用,導(dǎo)致脫出盾尾后上浮較嚴(yán)重;

        2)盾構(gòu)施工掌子面缺少土壓力作用,土壓平衡得不到實(shí)現(xiàn),導(dǎo)致管片環(huán)縫擠壓不密實(shí),管片成環(huán)后整體防水性能較差。

        2 盾構(gòu)通過礦山法隧道管片上浮機(jī)理分析

        從查閱文獻(xiàn)結(jié)果來看,引起隧道上浮主要有以下三個(gè)方面的因素:①注漿漿液或泥漿、水等液體包裹管片從而產(chǎn)生了向上的浮力;②注漿產(chǎn)生的靜態(tài)壓力及動(dòng)態(tài)上浮力;③盾構(gòu)施工控制不當(dāng),產(chǎn)生了“蛇行”現(xiàn)象。

        對(duì)于普通盾構(gòu)隧道而言,當(dāng)因素①產(chǎn)生的浮力小于隧道上覆土重力[4]時(shí),不足以引起隧道上浮。但是,對(duì)于盾構(gòu)通過礦山法隧道而言,隧道上覆土重力主要由礦山法襯砌來承擔(dān),實(shí)際作用在盾構(gòu)管片的壓力很小。于是,對(duì)于盾構(gòu)通過礦山法隧道而言,因素①產(chǎn)生的浮力是導(dǎo)致管片上浮的一大主要因素。

        盾構(gòu)通過礦山法施工隧道時(shí),基本無同步注漿;補(bǔ)壓漿亦只是為了控制隧道上浮。因此注漿因素[5]將不在本文的分析范圍之內(nèi)。本文將從回填材料屬性、回填層厚度、回填層回填密實(shí)程度、隧道建筑間隙內(nèi)充水程度和覆土厚度等因素進(jìn)行分析。

        3 盾構(gòu)通過礦山法隧道施工數(shù)值模擬

        3.1 工程概況

        深圳地鐵2號(hào)線東港路站—招商?hào)|路站區(qū)間隧道從東港路站出發(fā),下穿新建澳城花園,地質(zhì)條件復(fù)雜,隧道下部將遇到高強(qiáng)度微風(fēng)化巖層。隧道斷面內(nèi)為最不利的第四系中更新統(tǒng)殘積層、拱頂上部為具有高滲透性(滲透系數(shù)達(dá)到15 m/d)的礫砂(含淤泥)層。

        區(qū)間隧道整體設(shè)計(jì)為土壓平衡盾構(gòu)施工。采用預(yù)先礦山法暗挖,然后盾構(gòu)通過礦山法隧道的施工方法通過其間的高強(qiáng)微風(fēng)化巖層段。左右線礦山法段分別長(zhǎng)147.5 m和287.0 m,埋深約10.0 m。

        礦山法隧道襯砌為 C25、S6噴射混凝土,內(nèi)徑6 600 mm,外徑7 300 mm,厚 350 mm;盾構(gòu)管片為 C50、S10預(yù)制管片,內(nèi)徑5 400 mm,外徑6 000 mm,厚300 mm。

        3.2 計(jì)算模型

        采用等效剛度(剛度折減系數(shù)取為0.9)的方法,將管片視為均質(zhì)彈性梁結(jié)構(gòu)。有限元計(jì)算模型如圖2所示。其中噴射混凝土和管片均采用梁?jiǎn)卧?beam3單元),土體及回填層采用實(shí)體(plane42)單元,且服從 D-P屈服準(zhǔn)則。各材料的物理、力學(xué)特征參數(shù)見表1。

        圖2 數(shù)值計(jì)算模型

        表1 基本計(jì)算參數(shù)

        3.3 數(shù)值模型計(jì)算步介紹

        根據(jù)深圳地鐵2號(hào)線東港路站—招商?hào)|路站區(qū)間盾構(gòu)通過礦山法隧道施工過程,分五個(gè)計(jì)算步進(jìn)行數(shù)值模擬:第一計(jì)算步,計(jì)算自重應(yīng)力;第二計(jì)算步,開挖土體,并考慮開挖時(shí)的應(yīng)力釋放(釋放率取為50%);第三計(jì)算步,施作噴射混凝土;第四計(jì)算步,回填(實(shí)際工程中回填至礦山法隧道初襯一半深度);第五計(jì)算步,盾構(gòu)空推通過礦山法施工隧道段。

        考慮到隧道拱頂上部為具有高滲透性的礫砂(含淤泥)層,第四計(jì)算步中,回填后,假設(shè)礦山法施工隧道內(nèi)充滿地下水。

        3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

        第五計(jì)算步的位移場(chǎng)減去第四計(jì)算步的位移場(chǎng)[5],得到盾構(gòu)空推通過礦山法施工隧道段時(shí)的地層位移變化情況,如圖3。盾構(gòu)空推通過礦山法施工隧道段時(shí),管片上浮9 mm。

        圖3 空推引起的地層位移變化(單位:m)

        4 管片上浮影響因素分析

        4.1 回填材料性質(zhì)

        國內(nèi)已有的成功案例選擇回填材料大體分為二種,一種是回填土,另一種是回填中細(xì)石子。本文為了考察回填材料的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)管片上浮的影響,分別取表2所列的幾種材料進(jìn)行計(jì)算?;靥畈牧系男再|(zhì)對(duì)管片位移有較大影響:回填材料強(qiáng)度越高,管片上浮值越小,因此回填中細(xì)石子時(shí)管片上浮最小。

        表2 回填材料參數(shù)

        4.2 回填層厚度

        從工程的具體實(shí)際來說,在地鐵隧道的建筑限界一定的情況下,回填層厚度應(yīng)盡可能地小。因?yàn)榛靥顚又苯佑绊懙降V山法的開挖量。從經(jīng)濟(jì)角度考慮,應(yīng)盡可能地減小回填層厚度。但從盾構(gòu)施工角度來說,回填層厚度亦不能太小,否則會(huì)影響盾構(gòu)機(jī)的正常工作。本文單純從探尋回填層厚度與管片上浮量之間關(guān)系出發(fā),在合理范圍內(nèi),選取了幾種不同的回填層厚度進(jìn)行計(jì)算。隨著回填層厚度的增加,管片上浮值有增加趨勢(shì),但影響較小。

        4.3 回填層回填密實(shí)程度

        盾構(gòu)正常安全施工要求回填材料全部均填礦山法隧道內(nèi);但實(shí)際施工中,在礦山法隧道內(nèi)全部均填回填材料需要花費(fèi)巨大的人力和物力。選擇一個(gè)既能滿足盾構(gòu)施工要求亦能最低程度地減少工程量的填充密實(shí)程度,是盾構(gòu)空推通過礦山法施工隧道段的一個(gè)重要問題。回填層回填密實(shí)程度分別為回填1/2以及回填3/4。隨著回填深度的增加,管片上浮值有減小的趨勢(shì),但減小不明顯。

        4.4 建筑間隙內(nèi)充水程度

        建筑間隙內(nèi)充水程度對(duì)管片上浮影響顯著,當(dāng)建筑間隙內(nèi)只有一半地下水時(shí),管片上浮量為3.6 mm;而當(dāng)?shù)叵滤砍錆M建筑間隙時(shí),管片上浮量為9.0 mm。

        上述現(xiàn)象的原因在于:建筑間隙內(nèi)只有一半地下水與建筑間隙內(nèi)全部充滿地下水相比,前者受到的地下水的浮力只有后者的一半。因此,建筑間隙內(nèi)充水程度越高,管片上浮量越大。

        4.5 覆土厚度

        盾構(gòu)通過礦山法隧道時(shí),盾構(gòu)管片是在一個(gè)已成形的礦山法隧道內(nèi),其受到上覆土的作用遠(yuǎn)比普通盾構(gòu)下管片所受到上覆土的作用小。在其它條件不變的情況下分別取覆土厚度 h為10、15、20、25 m和30 m共5種工況進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,覆土厚度h對(duì)管片上浮的影響如圖4。從圖4可知,盾構(gòu)通過礦山法隧道時(shí),上覆土厚度h對(duì)管片的上浮基本無影響。

        圖4 覆土厚度與管片上浮關(guān)系

        5 結(jié)論

        以圖4中管片的上浮量為參照,對(duì)比定量分析各因素對(duì)管片上浮的影響大小。根據(jù)以上分析可以得出如下主要結(jié)論:

        1)回填材料的性質(zhì)對(duì)管片的上浮影響顯著?;靥畈牧蠌椥阅A吭酱?,管片上浮值越小。回填軟黏土?xí)r的管片上浮量是回填中細(xì)石子的1.63倍。因此,建議實(shí)際回填材料選彈性模量較大的中細(xì)石子或者砂土。

        2)隨著回填層厚度的增加,管片上浮值有增加趨勢(shì),影響幅度在20%以內(nèi)。

        3)回填層回填密實(shí)程度對(duì)管片上浮的影響幅度亦在20%以內(nèi)。

        4)隧道建筑間隙內(nèi)充水程度對(duì)管片的上浮影響較大。礦山法隧道內(nèi)充滿一半地下水時(shí)管片上浮量是全部充滿時(shí)的40%。因此,在工程實(shí)際中,控制礦山法隧道內(nèi)的地下水對(duì)控制管片上浮極其重要,建議采取礦山法嚴(yán)格控制隧道內(nèi)的地下水。

        5)盾構(gòu)通過礦山法隧道時(shí),隧道上覆土厚度對(duì)管片的上浮基本無影響。

        [1]劉健美.“盾構(gòu)法+礦山法”施工在廣州地鐵四號(hào)線大學(xué)城專線段的應(yīng)用[J].廣東土木與建筑,2005(6):14-15,25.

        [2]楊書江.盾構(gòu)在硬巖及軟硬不均地層施工技術(shù)研究[D].上海:上海交通大學(xué),2006.

        [3]張志偉,賈艷敏,趙艷娟.地鐵盾構(gòu)法施工事故預(yù)防及處理措施[J].鐵道建筑,2010(11):50-53.

        [4]汪茂祥.盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段關(guān)鍵技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2008,45(1):67-70.

        [5]張慶賀,王慎堂,嚴(yán)長(zhǎng)征,等.盾構(gòu)隧道穿越水底淺覆土施工技術(shù)對(duì)策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(5):857-861.

        [6]魏綱,劉加灣.盾構(gòu)法隧道統(tǒng)一土體移動(dòng)模型參數(shù)取值研究[J].鐵道建筑,2009(2):48-51.

        [7]肖明清,孫文昊,韓向陽.盾構(gòu)隧道管片上浮問題研究[J].巖土力學(xué),2009,30(4):1041-1045.

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