大直徑土壓平衡盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭加固研究

江玉生 江 華，2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院 北京 100083;2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室 北京 100083)

始發(fā)與到達(dá)是盾構(gòu)法的主要施工工序之一，也是盾構(gòu)施工中最容易發(fā)生事故的環(huán)節(jié)。隨著盾構(gòu)直徑不斷增大及地層和環(huán)境條件越來越復(fù)雜，始發(fā)與到達(dá)施工過程中的塌方、透水等工程事故有不斷增多的趨勢，且多數(shù)事故與端頭加固模型使用不當(dāng)及縱向加固范圍不夠有關(guān)。目前，國內(nèi)外基于盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭土體縱向加固范圍的研究較多，主要基于強(qiáng)度理論推導(dǎo)端頭土體的縱向加固范圍，20世紀(jì)90年代，日本JET GROUT協(xié)會(JJGA)利用彈性薄板理論，將端頭土體受到的水土合壓力簡化為均布荷載(見圖1)，研究了加固土體的應(yīng)力分布規(guī)律，獲得了縱向加固范圍計算公式。隨后，荷載簡化模型被楊林德、張彌、張慶賀老師等引入中國，并得到了廣泛的應(yīng)用，但是既有模型是基于直徑為6 m或更小直徑的盾構(gòu)隧道提出的，是否適用于大直徑盾構(gòu)工程不得而知［1-7］。為了反映端頭土體的真實力學(xué)特征，江玉生、江華等在既有模型的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的端頭加固理論計算模型，給出了端頭土體縱向加固范圍，求解過程中(視為彈性范圍內(nèi))將端頭土體所受的梯形荷載等效為均布荷載和三角形反對稱荷載的疊加［8-9］，如圖2所示。

圖1 梯形荷載簡化示意

圖2 梯形荷載等效示意

本文研究基于荷載簡化模型(簡稱既有模型)和改進(jìn)的梯形荷載等效模型(改進(jìn)模型)得出，對不同地層端頭土體的縱向加固范圍進(jìn)行計算及尺寸效應(yīng)分析;然后從強(qiáng)度、穩(wěn)定性及滲透性要求對北京地鐵14號線15標(biāo)東風(fēng)橋北路—將臺路(以下簡稱“東—將”)區(qū)間大直徑土壓平衡盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭加固設(shè)計范圍進(jìn)行驗算和評價，為將來類似地層大直徑盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭加固研究提供參考，具有重要的理論意義與工程價值。

1 端頭加固尺寸效應(yīng)分析

目前，我國常見的市政、電力隧道直徑為3 m，地鐵隧道直徑為6 m，隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了直徑分別為8、10和15 m的盾構(gòu)隧道，更大尺寸的盾構(gòu)正在研究中。參數(shù)選取時，假設(shè)埋深為15 m，加固土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.0 MPa，選取粉質(zhì)黏土、粉土、砂土、砂卵石4種地層，利用既有模型和改進(jìn)模型分別對直徑為3、6、8、10、15 m以及20 m的6種盾構(gòu)進(jìn)行端頭加固計算。地層參數(shù)如表1所示。

表1 不同地層物理力學(xué)參數(shù)

對4種地層條件的縱向加固范圍進(jìn)行計算和對比分析，得到一些規(guī)律。

1)當(dāng)盾構(gòu)直徑小于等于10 m時，兩種模型縱向加固長度較為接近，均隨直徑緩慢增加;當(dāng)直徑超過10m后，改進(jìn)模型縱向加固長度隨直徑增加的速率明顯大于既有模型，圖3所示為黏土地層縱向加固長度隨著盾構(gòu)直徑變化的情況，其他土層變化規(guī)律基本一致，此處不再贅述。

2)當(dāng)盾構(gòu)直徑小于等于10 m時，兩種模型縱向加固長度的差值和誤差隨盾構(gòu)直徑增加的速率較小;當(dāng)盾構(gòu)直徑大于10 m后，兩種模型縱向加固長度的差值及誤差較大，且隨盾構(gòu)直徑增加的速率較大，直徑越大，速率越大，如圖4和圖5所示。

北京地鐵14號線采用單洞雙線的模式，在北京地下隧道修建過程中首次引入了外徑為10.22 m的土壓平衡式盾構(gòu)，相比既有開挖直徑為6.25～6.28 m的盾構(gòu)，在尺寸上有了較大的變化。然而，從小盾構(gòu)到大盾構(gòu)，并不單純意味著直徑增加，尺寸的變化可能會引發(fā)應(yīng)力、位移等相關(guān)參數(shù)的尺寸效應(yīng)問題，既有小尺寸盾構(gòu)的盾構(gòu)理論計算方法可能無法適應(yīng)大直徑盾構(gòu)的要求，盲目使用可能會引發(fā)嚴(yán)重的工程事故，造成無法估量的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響?；谛屡f兩種模型對端頭加固范圍的統(tǒng)計計算可知，直徑10 m是一個明顯的分界線，可將直徑小于10 m的盾構(gòu)稱為“小盾構(gòu)”;直徑大于10 m的盾構(gòu)稱為“大盾構(gòu)”，顯然“大盾構(gòu)”在端頭加固設(shè)計時，應(yīng)采用改進(jìn)的理論模型更為合理和安全。北京地鐵14號線15標(biāo)“東—將”區(qū)間隧道開挖所采用的盾構(gòu)顯然處于“大直徑盾構(gòu)”的范疇。

圖3 黏土地層縱向加固范圍隨盾構(gòu)直徑變化

圖4 不同地層縱向加固范圍差值曲線

圖5 不同地層縱向加固范圍誤差曲線

2 “東—將”區(qū)間大盾構(gòu)端頭加固方案

2.1 工程概況

北京地鐵14號線15標(biāo)“東—將”區(qū)間，盾構(gòu)從東風(fēng)北橋站始發(fā)，至將臺站接收，全長約1293.88 m。東風(fēng)北橋始發(fā)端頭隧道埋深約10.0 m，端頭處隧道開挖斷面范圍內(nèi)主要為粉土和粉質(zhì)黏土，隧道頂板及底板區(qū)域分布有一層粉細(xì)砂;將臺路站到達(dá)端頭隧道埋深約15.8 m，隧道開挖范圍內(nèi)主要為粉土和粉質(zhì)黏土，隧道中部區(qū)域分布有一層粉細(xì)砂;始發(fā)與到達(dá)端頭地下水位均位于隧道頂板以上。

2.2 端頭加固范圍

盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭土體采用注漿等輔助措施進(jìn)行端頭土體加固，為確保始發(fā)與到達(dá)端頭的安全，加固后端頭土體應(yīng)有良好的均勻性和自立性，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.0 ～1.2 MPa，滲透系數(shù)小于 10－5cm/s。始發(fā)端頭加固范圍是:縱向8.5 m，橫向為洞口上下左右各3.0 m;到達(dá)端頭加固范圍是:縱向13.0 m，橫向為洞口上下左右各3.0 m，詳細(xì)的端頭加固方案如圖6所示。

3 端頭加固范圍的可行性分析

3.1 端頭加固范圍的強(qiáng)度分析

由尺寸效應(yīng)分析結(jié)果可知，北京地鐵14號線“東—將”區(qū)間采用的盾構(gòu)為“大盾構(gòu)”，應(yīng)采用改進(jìn)的強(qiáng)度理論模型進(jìn)行端頭加固范圍的計算。假設(shè)端頭土體加固的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.0 MPa，由計算結(jié)果可知，東風(fēng)北橋站始發(fā)端頭縱向加固長度為7.1 m，將臺站接收端頭縱向加固范圍為8.0 m，結(jié)果表明，端頭加固縱向設(shè)計范圍均能滿足強(qiáng)度的要求。

圖6 盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭加固平面圖

3.2 端頭加固范圍的穩(wěn)定性分析

盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)施工時，破除洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)掌子面土體完全暴露后，端頭土體在地面超載、隧道上覆土體和側(cè)向水土壓力的共同作用下，可能沿著某個滑移面從開挖面向盾構(gòu)工作井內(nèi)滑動，發(fā)生滑移失穩(wěn)破壞。東風(fēng)北橋站和將臺路站始發(fā)與到達(dá)端頭地層土體主要為粉質(zhì)黏土，因此基于黏土的滑移失穩(wěn)理論假定滑動面以O(shè)頂點為圓心，洞徑D為半徑的圓弧面，如圖7所示。假設(shè)抗滑力矩完全由土體黏聚力提供，則由土體的平衡條件可知KM=Md，則

圖7 黏土的滑動模型

式中，M為滑動力矩，kN·m;Md為抗滑力矩，kN·m;Δc為改良后土體增加的黏聚力，kN;K為抗滑安全系數(shù)，θ為加固土體與滑移面的夾角。

由圖3的幾何條件可知，滿足穩(wěn)定性要求的縱向加固范圍為

假設(shè)加固土體的抗滑安全系數(shù)為1.3，將始發(fā)與到達(dá)端頭地層的計算參數(shù)代入上述(1)(2)兩式，求得滿足穩(wěn)定性要求的始發(fā)端頭土體縱向加固范圍為6.4 m，到達(dá)端頭土體的縱向范圍為7.8 m，結(jié)果表明始發(fā)與到達(dá)端頭土體縱向設(shè)計范圍均能滿足穩(wěn)定性要求。

3.3 端頭加固范圍的滲透性分析

當(dāng)?shù)貙又械叵滤S富且壓力較大時，端頭加固范圍不僅要滿足強(qiáng)度與穩(wěn)定性的基本要求，根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)的構(gòu)造特征，還必須滿足堵水(滲透性)的要求。特別對于端頭地層有水有砂有壓力的情況，當(dāng)端頭縱向加固范圍過短時，地層中地下水和砂可能沿著盾殼與地層之間的縫隙進(jìn)入盾構(gòu)工作井(見圖8)，造成涌水涌砂、地表沉降過大、塌方等工程事故。考慮到盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)施工的安全，端頭土體的縱向加固長度應(yīng)大于盾構(gòu)主機(jī)的長度，且當(dāng)?shù)貙訅毫^大時，在保證端頭加固效果的前提下，合理的端頭土體的縱向加固范圍應(yīng)如圖9所示，為

式中，B為管片的寬度，m。

圖8 過短的縱向加固范圍

圖9 合理的縱向加固范圍

北京地鐵14號線15標(biāo)“東—將”區(qū)間選用的土壓平衡盾構(gòu)主機(jī)長約為11.5 m，由2.1節(jié)的工程概況可知，始發(fā)與到達(dá)端頭地層中均存在砂層，且隧道頂板以上分布有承壓水，端頭地層為有水有砂有壓力的情況，對盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)特別不利。由2.2節(jié)始發(fā)與到達(dá)端頭縱向加固范圍的設(shè)計方案可知，始發(fā)端頭縱向加固范圍為8.5 m，雖然同時滿足了強(qiáng)度與穩(wěn)定性的要求，但是無法滿足滲透性的要求，容易出現(xiàn)涌水、涌砂導(dǎo)致淹井的情況，嚴(yán)重時可能發(fā)生端頭加固失效，端頭塌陷等工程事故;到達(dá)端頭縱向加固范圍為13 m，滿足了縱向加固范圍大于主機(jī)長度的要求，但安全儲備不夠，當(dāng)端頭加固效果不理想，地層壓力加大時，仍有可能出現(xiàn)事故。因此，為了確保盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)安全，降低風(fēng)險，需修改端頭加固設(shè)計方案，加大縱向加固范圍，使其滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性及滲透性要求。

4 結(jié)論

1)大直徑土壓平衡盾構(gòu)端頭土體的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律不同于小直徑盾構(gòu)，存在尺寸效應(yīng)問題，原有基于小盾構(gòu)提出的端頭加固理論與方法，應(yīng)用到大盾構(gòu)端頭加固設(shè)計存在較大的誤差。

2)基于既有模型和改進(jìn)模型的結(jié)算結(jié)果將直徑10 m作為大小盾構(gòu)的分界線，北京地鐵14號線15標(biāo)所采用的土壓平衡盾構(gòu)屬于大盾構(gòu)的范疇，采用改進(jìn)的強(qiáng)度理論模型進(jìn)行端頭加固設(shè)計更為合理。

3)北京地鐵14號線15標(biāo)“東—將”區(qū)間始發(fā)與到達(dá)端頭土體設(shè)計方案中的縱向加固范圍均只滿足了強(qiáng)度與穩(wěn)定性的要求，不滿足滲透性的要求。由于端頭地層屬于有水有砂有壓力的不利地層，滲透性無法滿足可能會發(fā)生由涌砂、涌砂引發(fā)的工程事故，因此必須對端頭加固方案進(jìn)行修改，使其同時滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性及滲透性的要求。

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