石姣姣, 王 建

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盾構隧道始發(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 土木工程與建筑學院, 山東 青島 266590; 2. 青島市地鐵八號線有限公司, 山東 青島 266011)

盾構隧道始發(fā)段的穩(wěn)定性是影響盾構施工效率和工程安全的重要因素之一, 如若處理不當, 易引起掌子面失穩(wěn), 頂部圍巖坍塌等工程災害, 直接危及施工人員的生命財產安全; 以一具體工程實例盾構隧道始發(fā)段為工程背景, 針對傳統(tǒng)的注漿加固作用機理進行了分析, 深入研究了注漿加固范圍對盾構隧道始發(fā)段圍巖加固效果作用規(guī)律; 將各項研究指標通過數據呈現出來, 并仔細對比不同注漿長度對其影響規(guī)律, 找到了最適合盾構始發(fā)的注漿長度(8~9m), 研究成果為盾構隧道始發(fā)段工程的現場施工提供了有利的理論依據和技術支持.

盾構始發(fā); 縱向注漿長度; 最大沉降量

近年來, 隨著人們對多層次立體交通與出行速度需求的不斷增長, 地下軌道交通建設日新月異.盾構始發(fā)是盾構隧道施工過程中避免風險災害頻發(fā)的關鍵工序.據統(tǒng)計, 在盾構施工中有70%以上的事故發(fā)生在盾構進出洞的過程中, 由于端頭土體加固范圍或加固方式不當, 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害頻發(fā)[1].尤其是盾構工作井處于透水性強、自穩(wěn)能力差的松散砂土或含水黏土地層時, 在鑿出封門后, 極易引起封門處出現涌水突泥現象, 進而導致地表大幅沉降, 造成地下管線破裂及建筑物沉陷傾斜等問題.

目前, 國內外學者針對盾構隧道始發(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鍵; 廖一蕾[3]等提出能實時反映盾構進出洞加固體穩(wěn)定性的監(jiān)測項目, 提出加固體實時監(jiān)測點布置方案, 進而實現加固體穩(wěn)定性的實時評價; 朱世友[4]等考慮有水和無水兩種情況, 根據各類土的類型特性和關鍵參數指標, 對盾構始發(fā)與到達工程中的各單一類型土層分別進行了穩(wěn)定性分析與判別; 范寶寶[5]使用經典數學、力學理論和三維數值有限元聯(lián)合分析等手段, 進行改良加固土體的受力和變形機理的探討與研究用以滿足盾構機進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踐驗證了該方法的合理性.

盡管諸多學者針對盾構隧道始發(fā)段地層加固技術進行了研究, 但很少涉及縱向注漿加固對盾構始發(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始發(fā)段工程為依托, 深入研究了縱向注漿加固范圍對始發(fā)段圍巖穩(wěn)定性的控制效果, 為盾構隧道始發(fā)段的現場施工提供了有利的理論依據和技術支持.

1 盾構始發(fā)注漿加固作用

為確保盾構隧道始發(fā)段施工圍巖的穩(wěn)定性, 大多采用注漿加固的方式對該處地層進行預加固, 以免盾構隧道施工開挖擾動引起圍巖應力重分布, 導致掌子面失穩(wěn), 拱頂圍巖大幅下沉, 甚至坍塌的工程災難.盾構注漿加固作用主要有以下幾點:

(1)確保盾構開挖前土體穩(wěn)定[7].在拆除圍護結構后, 需要處于暴露狀態(tài)一定時間, 刀盤至少需要2至4小時才能頂到開挖面進行開挖.所以地層的加固需要保證在這一時間段內土體穩(wěn)定.

(2)確保拆除圍護結構時減少施工荷載對土層的擾動.封門拆除和維護結構的拆除對地層擾動不能忽視, 較為軟弱的地層若無法承受施工荷載的影響容易導致塌方.注漿加固減少了受到施工荷載的擾動, 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題.注漿可以減小土的滲透系數, 防止地下水滲透涌入工作井內, 威脅施工的安全和進度.

(4)防止地面沉降或隆起過大.當盾構始發(fā)時, 注漿加固增大土體強度, 防止巖土過大變形產生沉降或隆起, 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, 采用盾構法施工, 外徑6.0m, 內徑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、粉質黏土、細砂、黏土、膠結砂和卵石等.各地層物理力學參數見表1.

表1 地層物理力學參數表

2.2 掌子面計算模型

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

整體板塊厚度可用式(1)計算:

2.3 粘性土滑移失穩(wěn)理論計算模型

隨著盾構的掘進, 加固土體在地面荷載和上部土體作用下可能沿著如圖2所示的滑移面進行整體滑動, 該滑移面以端墻洞門外頂點為圓心、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 板塊強度理論計算模型

圖2 滑移失穩(wěn)理論計算模型

2.4 解析解驗算

經計算得出加固土體的厚度范圍可以取8.13m~9.39m.將結果代入式(2)、(3)得

顯然,1,2均滿足要求.

綜上所述, 理論計算得到加固土體的范圍為8.13m~9.39m, 為了得到更加準確的結果, 需要結合數值模擬進行分析.

3 工程實例分析

3.1 計算模型

通過FLAC3D數值計算軟件, 建立1:1數值計算模型大小為(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果分析

為研究盾構始發(fā)端加固地層對始發(fā)掘進應力場、位移場的影響, 將預注漿的加固范圍取如下幾種情況進行對比分析, 每次取掘進6m后的地層展開分析.

3.2.1沒有注漿盾構始發(fā)分析

在沒有注漿的情況下, 直接開挖引起圍巖的二次應力重分布.由于地質條件較差, 開挖后巖石土體支撐不了上部的圍巖應力.若沒有適當的支護, 會引起開挖斷面大面積破壞, 地表沉降直接達到2m, 導致盾構始發(fā)的失敗, 進而產生巨大損失.所以始發(fā)時的注漿加固處理是必不可少的, 可以通過與沒有注漿的情況進行比較(如圖4所示), 找出合理的注漿范圍.

圖3 盾構隧道模型

圖4 無注漿地層產生的塑形區(qū)分布

3.2.2 縱向加固3m盾構始發(fā)分析

軸向注漿加固范圍為3m時的注漿加固效果如圖5所示. 當注漿3m時, 最大隆起值出現在工作面的底部, 達到了26.9mm;而最大沉降值出現在工作面頂部, 達到29.5mm, 接近于施工安全滿足的最大沉降.可見繼續(xù)開挖將導致進一步沉降, 產生很大施工風險.由圖6可看出, 盾構進出洞產生的最大應力產生在襯砌拱腰處, 達到了1.192MPa.相對沒有注漿情況已經對沉降有了限制, 但是由于注漿范圍較小, 對于開挖擾動和應力重分布影響的限制仍然不足, 不利于土體穩(wěn)定, 需要進一步擴大注漿范圍.

圖5 注漿3m地層產生的沉降云圖

圖6 注漿3m地層產生的應力云圖

3.2.3縱向加固6m盾構始發(fā)力學場分析

如圖7所示, 注漿6m時, 盾構始發(fā)產生的沉降和應力明顯比注漿3m時減小.最大隆起值出現在工作面底部, 達到2.51mm, 最大沉降值出現在工作面頂部, 達到6.39mm.最大應力出現在拱腰達到0.965MPa.可見, 注漿6m已經對地層加固有了顯著效果, 需要進一步研究繼續(xù)開挖以后整個地層沉降的表現.

圖7 注漿6m地層產生的位移應力云圖

3.2.4盾構始發(fā)注漿長度影響分析

計算得到不同注漿長度對施工穩(wěn)定性的影響如圖8、9所示.

圖8 隨著盾構掘進不同注漿長度產生的最大沉降量

圖9 最大應力隨著縱向注漿加固長度的變化

分析圖8和圖9可得出以下結論:

(1)注漿3m時只能在開挖前4m時較為穩(wěn)定, 繼續(xù)開挖時, 拱頂受到的壓應力超過了其所能承受的范圍, 沉降迅速擴大; 當對地層進行注漿加固大于6m時, 在開挖前6m產生的沉降都控制在20mm以下, 符合隧道施工沉降監(jiān)測規(guī)范(10mm~30mm).

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

(3)當加固12m、15m時, 在盾構剛進行切削土層時沉降比其他的稍大.隨著開挖繼續(xù)進行時, 沉降就處于平穩(wěn)狀態(tài), 符合安全施工要求, 但從經濟因素考慮, 加固長度過長會導致大規(guī)模浪費, 破壞環(huán)境.

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

4 結論

(1)通過數值模擬分析, 結合理論研究, 得出縱向注漿加固尺寸在8~9m之間較為合理, 此時, 最大應力、最大沉降都滿足安全施工的標準.

(2)在橫向和豎向的注漿厚度上根據以往經驗進行3~4m的加固即可, 橫向和豎向加固范圍增大, 對應力、應變產生的影響不會繼續(xù)增大.

(3)注漿模擬與實際經驗相符合, 如繼續(xù)增加注漿范圍, 則對破壞區(qū)的影響較小.從經濟方面的考慮, 則不再繼續(xù)進行注漿.

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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, 山東科技大學土木工程與建筑學院碩士研究生. 主要研究方向: 結構設計

U455.43

A

1672-5298(2017)04-0067-06