盾构隧道始发地层纵向注浆加固效果研究

石姣姣, 王 建



盾构隧道始发地层纵向注浆加固效果研究

石姣姣1, 王 建2

(1. 山东科技大学 土木工程与建筑学院, 山东 青岛 266590; 2. 青岛市地铁八号线有限公司, 山东 青岛 266011)

盾构隧道始发段的稳定性是影响盾构施工效率和工程安全的重要因素之一, 如若处理不当, 易引起掌子面失稳, 顶部围岩坍塌等工程灾害, 直接危及施工人员的生命财产安全; 以一具体工程实例盾构隧道始发段为工程背景, 针对传统的注浆加固作用机理进行了分析, 深入研究了注浆加固范围对盾构隧道始发段围岩加固效果作用规律; 将各项研究指标通过数据呈现出来, 并仔细对比不同注浆长度对其影响规律, 找到了最适合盾构始发的注浆长度(8~9m), 研究成果为盾构隧道始发段工程的现场施工提供了有利的理论依据和技术支持.

盾构始发; 纵向注浆长度; 最大沉降量

近年来, 随着人们对多层次立体交通与出行速度需求的不断增长, 地下轨道交通建设日新月异.盾构始发是盾构隧道施工过程中避免风险灾害频发的关键工序.据统计, 在盾构施工中有70%以上的事故发生在盾构进出洞的过程中, 由于端头土体加固范围或加固方式不当, 致使开挖面渗水漏砂、洞门失稳塌陷、地表沉降剧烈等工程灾害频发[1].尤其是盾构工作井处于透水性强、自稳能力差的松散砂土或含水黏土地层时, 在凿出封门后, 极易引起封门处出现涌水突泥现象, 进而导致地表大幅沉降, 造成地下管线破裂及建筑物沉陷倾斜等问题.

目前, 国内外学者针对盾构隧道始发段地层加固的理论分析已取得较为丰硕的研究成果.吴韬[2]等归纳了盾构出洞加固土体稳定性分析的方法, 得出抗滑移失稳是出洞加固安全控制中的关键; 廖一蕾[3]等提出能实时反映盾构进出洞加固体稳定性的监测项目, 提出加固体实时监测点布置方案, 进而实现加固体稳定性的实时评价; 朱世友[4]等考虑有水和无水两种情况, 根据各类土的类型特性和关键参数指标, 对盾构始发与到达工程中的各单一类型土层分别进行了稳定性分析与判别; 范宝宝[5]使用经典数学、力学理论和三维数值有限元联合分析等手段, 进行改良加固土体的受力和变形机理的探讨与研究用以满足盾构机进出洞门改良加固土体施工安全的需要; 张冬梅[6]等提出了采用注浆引起的土体体积应变模拟隧道注浆效果的方法, 并利用上海地铁隧道注浆加固实践验证了该方法的合理性.

尽管诸多学者针对盾构隧道始发段地层加固技术进行了研究, 但很少涉及纵向注浆加固对盾构始发段围岩稳定性控制效果这一方面.本文以某轨道交通盾构始发段工程为依托, 深入研究了纵向注浆加固范围对始发段围岩稳定性的控制效果, 为盾构隧道始发段的现场施工提供了有利的理论依据和技术支持.

1 盾构始发注浆加固作用

为确保盾构隧道始发段施工围岩的稳定性, 大多采用注浆加固的方式对该处地层进行预加固, 以免盾构隧道施工开挖扰动引起围岩应力重分布, 导致掌子面失稳, 拱顶围岩大幅下沉, 甚至坍塌的工程灾难.盾构注浆加固作用主要有以下几点:

(1)确保盾构开挖前土体稳定[7].在拆除围护结构后, 需要处于暴露状态一定时间, 刀盘至少需要2至4小时才能顶到开挖面进行开挖.所以地层的加固需要保证在这一时间段内土体稳定.

(2)确保拆除围护结构时减少施工荷载对土层的扰动.封门拆除和维护结构的拆除对地层扰动不能忽视, 较为软弱的地层若无法承受施工荷载的影响容易导致塌方.注浆加固减少了受到施工荷载的扰动, 为安全施工提供了保障[8].

(3)减少渗水、涌砂等事故发生[9].对于加固土体, 只注重土体稳定性方面是不够的, 还需要考虑土体的渗透问题.注浆可以减小土的渗透系数, 防止地下水渗透涌入工作井内, 威胁施工的安全和进度.

(4)防止地面沉降或隆起过大.当盾构始发时, 注浆加固增大土体强度, 防止岩土过大变形产生沉降或隆起, 影响上部的交通、住宅等.

2 理论分析

2.1工程概况

该轨道交通隧道, 采用盾构法施工, 外径6.0m, 内径5.7m, 衬砌厚度0.15m, 埋深为10m.该区域地貌形态为第四系厚冲洪积平原, 地层主要为杂填土、黄土、粉质黏土、细砂、黏土、胶结砂和卵石等.各地层物理力学参数见表1.

表1 地层物理力学参数表

2.2 掌子面计算模型

依据日本JETGROUT协会(JJGA)规范中板块强度理论[10]建立计算模型, 如图1所示.

整体板块厚度可用式(1)计算:

2.3 粘性土滑移失稳理论计算模型

随着盾构的掘进, 加固土体在地面荷载和上部土体作用下可能沿着如图2所示的滑移面进行整体滑动, 该滑移面以端墙洞门外顶点为圆心、洞门直径为半径[11], 其下滑力矩为

其中地面荷载引起的下滑力矩

上覆土体自重引起的下滑力矩

滑移面内土体的下滑力矩

抵抗下滑力矩为

其中土体改良以前的抵抗力矩

土体改良以后增加的抵抗力矩

土体的平衡条件为

图1 板块强度理论计算模型

图2 滑移失稳理论计算模型

2.4 解析解验算

经计算得出加固土体的厚度范围可以取8.13m~9.39m.将结果代入式(2)、(3)得

显然,1,2均满足要求.

综上所述, 理论计算得到加固土体的范围为8.13m~9.39m, 为了得到更加准确的结果, 需要结合数值模拟进行分析.

3 工程实例分析

3.1 计算模型

通过FLAC3D数值计算软件, 建立1:1数值计算模型大小为(72m)×(36m)×(36m), 左右边界至隧道外径距离大于4, 模型底部至隧道外径距离为3, 如图3所示.

3.2 不同纵向加固范围模拟结果分析

为研究盾构始发端加固地层对始发掘进应力场、位移场的影响, 将预注浆的加固范围取如下几种情况进行对比分析, 每次取掘进6m后的地层展开分析.

3.2.1没有注浆盾构始发分析

在没有注浆的情况下, 直接开挖引起围岩的二次应力重分布.由于地质条件较差, 开挖后岩石土体支撑不了上部的围岩应力.若没有适当的支护, 会引起开挖断面大面积破坏, 地表沉降直接达到2m, 导致盾构始发的失败, 进而产生巨大损失.所以始发时的注浆加固处理是必不可少的, 可以通过与没有注浆的情况进行比较(如图4所示), 找出合理的注浆范围.

图3 盾构隧道模型

图4 无注浆地层产生的塑形区分布

3.2.2 纵向加固3m盾构始发分析

轴向注浆加固范围为3m时的注浆加固效果如图5所示. 当注浆3m时, 最大隆起值出现在工作面的底部, 达到了26.9mm;而最大沉降值出现在工作面顶部, 达到29.5mm, 接近于施工安全满足的最大沉降.可见继续开挖将导致进一步沉降, 产生很大施工风险.由图6可看出, 盾构进出洞产生的最大应力产生在衬砌拱腰处, 达到了1.192MPa.相对没有注浆情况已经对沉降有了限制, 但是由于注浆范围较小, 对于开挖扰动和应力重分布影响的限制仍然不足, 不利于土体稳定, 需要进一步扩大注浆范围.

图5 注浆3m地层产生的沉降云图

图6 注浆3m地层产生的应力云图

3.2.3纵向加固6m盾构始发力学场分析

如图7所示, 注浆6m时, 盾构始发产生的沉降和应力明显比注浆3m时减小.最大隆起值出现在工作面底部, 达到2.51mm, 最大沉降值出现在工作面顶部, 达到6.39mm.最大应力出现在拱腰达到0.965MPa.可见, 注浆6m已经对地层加固有了显著效果, 需要进一步研究继续开挖以后整个地层沉降的表现.

图7 注浆6m地层产生的位移应力云图

3.2.4盾构始发注浆长度影响分析

计算得到不同注浆长度对施工稳定性的影响如图8、9所示.

图8 随着盾构掘进不同注浆长度产生的最大沉降量

图9 最大应力随着纵向注浆加固长度的变化

分析图8和图9可得出以下结论:

(1)注浆3m时只能在开挖前4m时较为稳定, 继续开挖时, 拱顶受到的压应力超过了其所能承受的范围, 沉降迅速扩大; 当对地层进行注浆加固大于6m时, 在开挖前6m产生的沉降都控制在20mm以下, 符合隧道施工沉降监测规范(10mm~30mm).

(2)加固3m、6m的曲线在开挖6m以后沉降明显增大, 超过了30mm的最大沉降界限, 不适合应用在该工程; 当加固8m、9m时, 在盾构始发前8m并没有太大沉降, 在8m以后略有波动, 但仍在沉降控制范围内, 可以应用于该工程中.

(3)当加固12m、15m时, 在盾构刚进行切削土层时沉降比其他的稍大.随着开挖继续进行时, 沉降就处于平稳状态, 符合安全施工要求, 但从经济因素考虑, 加固长度过长会导致大规模浪费, 破坏环境.

(4)纵向注浆加固的长度对于最大应力的影响较小, 一直处在平稳状态.施工中需要对产生最大应力的区域(衬砌拱腰处)采取必要的措施.

4 结论

(1)通过数值模拟分析, 结合理论研究, 得出纵向注浆加固尺寸在8~9m之间较为合理, 此时, 最大应力、最大沉降都满足安全施工的标准.

(2)在横向和竖向的注浆厚度上根据以往经验进行3~4m的加固即可, 横向和竖向加固范围增大, 对应力、应变产生的影响不会继续增大.

(3)注浆模拟与实际经验相符合, 如继续增加注浆范围, 则对破坏区的影响较小.从经济方面的考虑, 则不再继续进行注浆.

[1] 雷金山, 殷黎明, 杨秀竹, 等. 砂卵石地层盾构始发与到达端头土体加固范围研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2013, (1): 40~44

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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, 山东聊城人, 山东科技大学土木工程与建筑学院硕士研究生. 主要研究方向: 结构设计

U455.43

A

1672-5298(2017)04-0067-06