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,控制不好時會出現(xiàn)地層嚴(yán)重變形、開挖面失穩(wěn)等事故,給工程帶來極大的危險。目前,在隧道建設(shè)過程中,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題。

盾構(gòu)始發(fā)端頭加固目前已有大量的學(xué)者進行了深入研究,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算方法及問題,提出應(yīng)根據(jù)不同地層、結(jié)合盾構(gòu)主機長度,土體的強度以及加固土體穩(wěn)定性驗算結(jié)果等因素綜合考慮。吳韜等[3]首先總結(jié)了端頭土體加固強度及穩(wěn)定性分析理論,與數(shù)值模擬對比得出,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倍洞門直徑的土體縱向加固范圍在長沙地區(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。

計算土體縱、徑向范圍加固的理論包括:板塊強度理論、土體滑移失穩(wěn)理論和土體擾動極限平衡理論。其中,在計算縱向加固范圍時,要綜合考慮強度和穩(wěn)定性;土體擾動極限平衡理論,是依據(jù)斷面周圍產(chǎn)生的塑性松動圈,通過圈內(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。對于工程地下水豐富、穩(wěn)定性較差,在端頭加固范圍的計算時,不但要考慮以上因素,還要考慮滲透性、土體擾動等因素。

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。各項研究主要集中在土壓平衡盾構(gòu),對于泥水盾構(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,改進了盾構(gòu)始發(fā)端頭的加固方案。

1 工程概況與設(shè)備簡介

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,地下水無穩(wěn)定水位,會隨潮汐變化,不過存在一定滯后,埋深約0.8～4.5m。

1.2 泥水盾構(gòu)設(shè)備簡介

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

1.2.1盾構(gòu)機刀盤結(jié)構(gòu)

刀盤結(jié)構(gòu)形式為復(fù)合式,也即輻條+面板。刀盤開口率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)機主要參數(shù)

盾構(gòu)機主要參數(shù)如表1所示。

表1 中鐵某型號泥水盾構(gòu)機參數(shù)表

2 始發(fā)端頭加固范圍計算

2.1 端頭始發(fā)縱向加固范圍的確定

(1)端頭加固強度驗算

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

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

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

圖1 板塊強度理論計算模型

加固厚度為:

(1)

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

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

(2)端頭加固穩(wěn)定性驗算

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

圖2 土體滑動計算模型

土體縱向加固長度計算公式為:

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。

綜合板塊強度理論與穩(wěn)定性驗算,應(yīng)取縱向加固長度為7.5m。但是,在青島地鐵跨海隧道工程中,始發(fā)加固長度為14.5m時出現(xiàn)嚴(yán)重問題。因此,需要根據(jù)工程實際對始發(fā)加固長度理論公式進行改進。

(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度為:盾構(gòu)主機長度+(1.5～2)m。泥水盾構(gòu)主機長10981mm,取l=11m,則端頭縱向加固長度為h=12.5～13m。

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

圖3 基于幾何尺寸效應(yīng)加固的計算模型

該位置土層為強透水層,交界處后土體在設(shè)計加固時,在強度方面計算時依舊采用板塊強度理論,并對計算后的整體加固長度進行穩(wěn)定性以及其他強度方面的驗算。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)前文強度板塊的理論計算,可得出板塊強度理論要求的加固長度h2=7.5m。

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

h=h1+(0.95～1.05)×0.5h2

(3)

也即縱向加固長度h=(16.1-16.4)m。

經(jīng)分析得出,由于外側(cè)水土壓力對加固土體的作用,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。強度驗算結(jié)果如表3、表4所示。由驗算結(jié)果可知,當(dāng)土體縱向加固長度h=16.1m時,滿足強度要求。

表3 最大彎曲應(yīng)力驗算結(jié)果

表4 最大剪應(yīng)力驗算結(jié)果

2.2 始發(fā)端頭徑向加固范圍的確定

盾構(gòu)機掘進過程中,周圍土體會受到各類擾動,產(chǎn)生半徑為r的塑性范圍?？捎赏馏w擾動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)開挖半徑(m)。

洞門上、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)開挖半徑,平均容重γt=18.8kN/m3,R=7.27m。由此計算得洞門上、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°,則洞門兩側(cè)所需的加固范圍為B=3.75m。

洞門下側(cè)土體不存在坍塌問題,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。

綜合以上理論計算最大值及經(jīng)驗值,工程端頭加固范圍具體數(shù)值確定如下:縱向加固長度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+洞門素連墻組合加固,但是在實際工程中,高壓旋噴難以達(dá)到需要的土體加固效果,無法形成有效止水,須補強加固。結(jié)合工程實際條件,始發(fā)端采用洞門素墻+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 改進的端頭加固示意圖(單位:mm)

3.2 端頭加固效果

在進行加固效果檢查后,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,無側(cè)限抗壓強度≥0.8MPa,滲透系數(shù)<10-7cm/s,滿足強度要求。

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

(3)利用鉆孔巖土芯進行檢查其勻質(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)計的加固方案效果較好,適合工程地質(zhì)情況;縱向加固長度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,均與實際情況相近,表明理論計算可以用來指導(dǎo)工程實際,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;通過土體擾動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,并針對原方案不足之處進行了改進,解決了原方案旋噴樁達(dá)不到加固強度的問題,并且在加固效果的檢驗中,加固土體的強度、滲透性以及勻質(zhì)性全部達(dá)到要求。