郝展鹏 , 王旭春,杨公利,刘绪壮,罗敏鹤

(1.青岛理工大学 青岛市 266033;2. 青岛市地铁规划设计院有限公司 青岛市 266315)

0 引言

泥水平衡盾构跨海隧道施工面临极大的风险,控制不好时会出现地层严重变形、开挖面失稳等事故,给工程带来极大的危险。目前,在隧道建设过程中,事故多发于盾构始发阶段,原因集中在盾构始发地层的加固方案不合理,出现加固范围小、加固效果不理想等问题。

盾构始发端头加固目前已有大量的学者进行了深入研究,如李大勇等[1]指出了端头土体加固不仅应满足强度要求,还应该有抗渗透性的要求等。江玉生等[2]首先总结了当前端头土体加固的计算方法及问题,提出应根据不同地层、结合盾构主机长度,土体的强度以及加固土体稳定性验算结果等因素综合考虑。吴韬等[3]首先总结了端头土体加固强度及稳定性分析理论,与数值模拟对比得出,土体加固的关键控制因素为抗滑移失稳,并且加固土体的黏聚力C对抗滑移失稳起主要作用。雷金山等[4]指出1.0～1.5倍洞门直径的土体纵向加固范围在长沙地区砂卵石地层中是合理有效的。王常岭等[5]认为在软土加粉土、粉砂地层中,合理且适用加固方式为:三轴深层搅拌桩与高压旋喷桩联合加固,且横向加固范围只需满足构造要求。

计算土体纵、径向范围加固的理论包括:板块强度理论、土体滑移失稳理论和土体扰动极限平衡理论。其中,在计算纵向加固范围时,要综合考虑强度和稳定性;土体扰动极限平衡理论,是依据断面周围产生的塑性松动圈,通过圈内应力平衡条件及其破坏条件建立平衡方程,继而确定加固土体的径向范围。对于工程地下水丰富、稳定性较差,在端头加固范围的计算时,不但要考虑以上因素,还要考虑渗透性、土体扰动等因素。

目前,泥水盾构隧道端头加固的相关研究较少,尤其是跨海隧道。各项研究主要集中在土压平衡盾构,对于泥水盾构端头始发的工程案例较少,另外滨海地层具有特殊性,地下水与海水相通,地下水含量丰富。因此文章依托青岛地铁某泥水盾构跨海隧道工程,提出了基于盾构几何尺寸的纵向加固范围理论公式,改进了盾构始发端头的加固方案。

1 工程概况与设备简介

1.1 工程概况

工程始发端位于新近填海造地段,由于第四系地层的厚度较大,故本地段存在部分复杂地层,从上至下依次为:①3-1冲填土土层厚度6.99～8.25m;⑥1粉质黏土(淤泥质)土层厚度3.71～5.29m;⑨中粗砂砂层厚度0～2.04m;粉质黏土土层厚度17.74～19.46m;中粗砂(含黏性土粗砾砂)砂层厚度2.28～5.01m;13泥质粉砂岩岩层厚度0～3.2m。盾构始发洞门处,拱顶埋深为26.2m,洞身主要处于:粉质黏土、粗砾砂、13泥质粉砂岩。上部吹填砂层中,地下水较为丰富,地下水无稳定水位,会随潮汐变化,不过存在一定滞后,埋深约0.8～4.5m。

1.2 泥水盾构设备简介

工程盾构施工投入一台泥水盾构机,采用中铁某型号泥水盾构机,适宜区间海域段复杂地层的掘进施工。

1.2.1盾构机刀盘结构

刀盘结构形式为复合式,也即辐条+面板。刀盘开口率36%,刀具配置情况如下:中心滚刀(双刃滚刀)4把,单刃滚刀39把,滚刀均为45.72cm;刮刀60把,边刮刀12把,撕裂刀12把,先行撕裂刀6把。

1.2.2盾构机主要参数

盾构机主要参数如表1所示。

表1 中铁某型号泥水盾构机参数表

2 始发端头加固范围计算

2.1 端头始发纵向加固范围的确定

(1)端头加固强度验算

工程始发端工程地质参数如表2所示。

表2 始发端地质参数表

洞门顶部包括中粗砂和粉质黏土,地下水位为-0.22m。经计算,在洞门中心处,水土压力为W=254.66kPa。

板块强度理论是将加固土体的开口部分看作一个自由支承的弹性圆板[6],基于简支梁的受力破坏验算,求能够抵抗其外侧水土压力破坏的厚度,计算模型如图1所示。

图1 板块强度理论计算模型

加固厚度为:

(1)

式中:h为加固厚度(m);k0为安全系数;β为计算系数,取1.2;W为外侧水土压力,简化计算为洞门中心处水土压力(kPa);D为洞门直径(m);σt为加固土体的极限抗拉强度(kPa)。

取加固土体90d单轴抗压强度为fcu90=1MPa;抗剪强度τc=0.3MPa;一般取极限抗拉强度σt=(10%～15%)fcu90,取σt=0.133MPa。盾构开挖直径D=7.02m,代入式(1),计算得纵向加固长度h=7.5m。

(2)端头加固稳定性验算

土体滑移失稳理论适用于黏性土,其计算模型如图2所示。理论假定加固土体失稳时,滑动面为圆弧,发生失稳滑动时以点(洞门外侧)为圆心,以洞门直径为半径。

图2 土体滑动计算模型

土体纵向加固长度计算公式为:

h=Dsinθ

(2)

式中:θ为滑移线与纵向加固厚度相交圆弧所对应的圆心角(°)。

考虑到D=7.02m,故明显满足h>Dsinθ,满足稳定性要求。

综合板块强度理论与稳定性验算,应取纵向加固长度为7.5m。但是,在青岛地铁跨海隧道工程中,始发加固长度为14.5m时出现严重问题。因此,需要根据工程实际对始发加固长度理论公式进行改进。

(3)基于盾构几何尺寸效应的纵向加固范围

工程盾构在深埋富水含砂层始发,端头土体加固需要考虑盾构的几何尺寸[7]。依据相关文献,端头纵向加固几何尺寸所要求长度为:盾构主机长度+(1.5～2)m。泥水盾构主机长10981mm,取l=11m,则端头纵向加固长度为h=12.5～13m。

根据几何准则所确定的纵向加固长度应为最小长度,记为h1。为保证盾构继续深入时不会出现塌陷、涌水等工程事故,要从强度和稳定性方面继续加固,示意见图3。

图3 基于几何尺寸效应加固的计算模型

该位置土层为强透水层,交界处后土体在设计加固时,在强度方面计算时依旧采用板块强度理论,并对计算后的整体加固长度进行稳定性以及其他强度方面的验算。由于地层地质情况相近,故水土压力依然取W=254.66kPa。根据前文强度板块的理论计算,可得出板块强度理论要求的加固长度h2=7.5m。

由于交界处两侧在加固时应作为一个整体,因此应以交界处两侧作为板块强度理论加固的中间位置。再考虑到在实际的工程施工中因各种因素导致一定误差,故限定板块强度理论所给结果允许5%的误差。也即而完整的加固长度为:

h=h1+(0.95～1.05)×0.5h2

(3)

也即纵向加固长度h=(16.1-16.4)m。

经分析得出,由于外侧水土压力对加固土体的作用,板上最大弯曲应力,最大剪应力分别位于圆板的中心平面处和周边支座处。强度验算结果如表3、表4所示。由验算结果可知,当土体纵向加固长度h=16.1m时,满足强度要求。

表3 最大弯曲应力验算结果

表4 最大剪应力验算结果

2.2 始发端头径向加固范围的确定

盾构机掘进过程中,周围土体会受到各类扰动,产生半径为r的塑性范围。可由土体扰动极限平衡理论确定径向加固范围,如图4所示。

图4 塑性松动圈

在a

(4)

式中:R为中心至塑性区外侧距离(m);γt为上覆土体平均容重(kN/m3);C为加固土体的黏聚力(kPa);H为隧道中心的覆土深度(m);a为盾构开挖半径(m)。

洞门上、下侧端头土体加固厚度为:

H1=H2=k(R-a)

(5)

式中:k为加固安全系数,一般取1.5。

洞门两侧端头土体加固厚度为:

B=(a+H1)cosβ-a

(6)

(7)

式中:φ为加固土体内摩擦角(°)。

取C=300kPa,根据地层厚度,可算得覆土深度,盾构开挖半径,平均容重γt=18.8kN/m3,R=7.27m。由此计算得洞门上、下侧需要加固的厚度为H1=H2=5.64m。内摩擦角Φ=30°,求得β=37.4°,则洞门两侧所需的加固范围为B=3.75m。

洞门下侧土体不存在坍塌问题,土体加固主要取决于抗渗性,一般取下侧加固土体厚度1m≤H2≤3m。

综合以上理论计算最大值及经验值,工程端头加固范围具体数值确定如下:纵向加固长度h=16.1m,两侧加固厚度B=3.75m,拱顶加固厚度H1=5.64m,拱底加固厚度H2=3m。

3 泥水盾构端头加固方案

3.1 端头加固方案

工程始发加固原方案为:旋喷桩+洞门素连墙组合加固,但是在实际工程中,高压旋喷难以达到需要的土体加固效果,无法形成有效止水,须补强加固。结合工程实际条件,始发端采用洞门素墙+套管咬合桩+“U”型素墙+后退式注浆的加固方式,如图5所示。

图5 改进的端头加固示意图(单位:mm)

3.2 端头加固效果

在进行加固效果检查后,结果显示:

(1)加固土体在水平、边界、斜向三种不同的取芯方式采样下,无侧限抗压强度≥0.8MPa,渗透系数<10-7cm/s,满足强度要求。

(2)在洞门范围上下左右及中心各钻孔1个,无明显漏水,无漏泥砂现象,满足渗透性要求。

(3)利用钻孔岩土芯进行检查其匀质性,结果显示加固体均匀,匀质性满足要求。

据此可认为:所设计的加固方案效果较好,适合工程地质情况;纵向加固长度h=16.1m,两侧加固厚度B=3.75m,拱顶加固厚度H1=5.64m,拱底加固厚度H2=3m,均与实际情况相近,表明理论计算可以用来指导工程实际,为相似工程提供参考。

4 结论

文章立足青岛地铁某区间泥水平衡盾构跨海隧道工程,提出了一种基于盾构几何尺寸效应的盾构始发端头加固方法,主要结论如下:

(1)综合板块强度理论、盾构几何尺寸效应以及土体滑移理论得到了泥水盾构端头始发的纵向加固范围为16.1m;通过土体扰动极限平衡理论确定了泥水盾构始发的径向加固范围,即两侧加固厚度为3.75m,拱顶加固厚度为5.64m,拱底加固厚度为3m。

(2)分析了原加固方案在工程地层中的缺陷,并针对原方案不足之处进行了改进,解决了原方案旋喷桩达不到加固强度的问题,并且在加固效果的检验中,加固土体的强度、渗透性以及匀质性全部达到要求。