盾构施工中端头土体加固强度探讨

1、盾构施工中端头土体加固强度探讨 盾构法在地铁建设中,作为一种隧道施工的主要工法,具有作业环境安全、施工速度快、成型隧道质量高、对四周环境影响小、地表沉降易于掌握等很多优点,得到了广泛的应用。在盾构施工中,盾构始发与到达是两个风险较大的工序,简单引起事故。而端头土体加固的质量直接关系到盾构机始发和到达的安全性。前方土体加固不当,强度不够时,洞门打开后会产生正面涌水、涌砂,地表沉陷,甚至工作井坍塌,产生严重事故。因此端头土体加固是施工中的重要环节,也是施工掌握的重点,加固土体必需达到一定的力学强度,以免发生破坏。本文依据弹性力学和板壳理论,分析推导出了加固土体受到的最大应力,提出通过安全系数的选择

2、,来确定土体加固的强度,使加固土体满意强度要求,不至于破坏。并结合y市地铁2号线东延线工程东门南站黄贝岭站区间、黄贝岭站新秀站区间的工程实例,简要介绍了相宜砂卵石地层盾构施工端头土体加固的工法,应用理论推导,分析验算了y市地铁2号线东延线工程东门南站黄贝岭站区间、黄贝岭站新秀站区间加固后土体强度的安全性。 1加固土体受力机理分析 目前,国内关于端头加固土体受力机理研究的文献比较少,基本理论主要是依据日本jetgrout协会(jjga)规范中所提出的板块理论。吴韬、张成对端头加固土体受力机理进行了较系统的研究,建议加固土体模拟为周边简支的圆形薄板,并且假设圆板受匀称荷载。作者认为,上述模型不能反

3、映加固土体受力的真实状况。依据弹性力学学问及工程实际,本文将加固土体简化为四周简支矩形小挠度薄板进行争论,且板所受的主要荷载为成梯形分布的土体侧向压力。工程施工完成后,加固土体厚度与板面内的最小特征尺寸之比一般大于1/5,应属于厚板。但是通过吴韬的研究可以看出,用薄板公式来计算加固土体厚度是偏于安全的。因此,把加固土体模拟成薄板在工程中进行强度验算是合适的。矩形薄板上承受土体侧向压力,且土压力为梯形分布,梯形顶为q1,底为q1+q0。详细状况如图1所示: 图1加固土体受力图 所受土压力为面荷载: 当模型满意两边简支条件:x=0,a时, 设挠度为,则有:=0 故符合李维解法条件,因此可将挠度设为

4、单三角级数: (1) 将荷载设为单三角级数: (2) 其中: (3) 将(1)(2)代入薄板变形基本微分方程 中, 得到: (4) 方程(4)的特解: (5) 其中,d为板的弯曲刚度: 将(5)代入(1)中,可得: 因为荷载与边界条件对x轴对称,故也关于x轴对称,所以是y的偶函数,故:bm=cm=0 又由边界条件:时, 可得到方程组: 解得: 故 因为荷载关于x轴对称,故最大应力应当在平面y=0上,把y=0代入,可得到: 故有: 由此可得,x和y为两个主应力。依据莫尔圆,可知在分析点加固土体受到的最大弯曲应力和最大剪应力分别为: max=x或者max=y 假设此点受到的弯曲应力为拉应力,加固土

5、体抗拉强度为qc,抗剪强度为c,k1和k2为安全系数(依据详细状况选择)。若有: 则说明土体加固后,抗拉强度和抗剪强度都达到了要求,该点不会产生强度破坏。 土体受到的拉应力和压应力是沿着z=0面对称分布的,且土体的抗压强度远大于抗拉强度,若抗拉强度符合要求,则对称点的抗压强度也符合要求。因此,只需要求得z=0面以下最大抗拉强度和抗剪强度符合要求,则可推断土体不会发生强度破坏。 2实际工程中加固土体强度验算 当前土体稳定技术有smw工法、高压旋喷桩、深层搅拌桩、降水法、分层注浆、冻结法等。加固后土体应有一定的独立性、防水性和强度。中铁十二局在y市地铁2号线东延线工程东门南站黄贝岭站区间、黄贝岭站

6、新秀站区间区间盾构工程采用地面垂直高压旋喷注浆施工方法对盾构机进洞口进行加固处理。 依据深圳地区的地质层状况来看,多为砂卵石层,相宜选用注浆加固。若采用静压注浆,浆液会沿着砂卵石层中的孔隙流淌,其流淌方向以及注入量不能很好的掌握,会导致土体加固质量的牢靠性不高,强度达不到要求。综合考虑,该地区最好采用高压旋喷注浆施工方法对端头土体进行加固处理。该工法浆液注入的部位和范围是可以掌握的,并且可以调整注入参数(切削土体压力、固化材料的注入速度、注入量等参数)以获得满意强度和抗渗性需求的固结体。同时,与平凡的注浆工法相比,除高压泵和特别喷嘴不同外,其他设备基本相同,操作简单、施工所需空间小,特别适合在

7、大城市施工。 高压旋喷注浆主要施工参数如下: 旋喷直径:800mm;桩间距:沿隧道方向700mm,垂直隧道方向600mm;搭接厚度:沿隧道方向100mm,垂直隧道方向200mm;水灰比:1.5:1加1%水玻璃,加固体龄期为30天;水泥标号:p.42.5#;喷嘴数量:1个(2.6-2.8mm);旋转速度:18-20r/min;提升速度:20-30cm/min;旋喷压力:20-25mpa。 盾构施工形成隧道上部覆土6米,直径为6米。盾构加固土体范围为隧道轴线方向(纵向)长6米,宽12.6米,厚度10米,即拱顶以上2米,洞底以下2米,左右各3.3米。加固后,加固体的土体粘聚力c为0.07mpa,抗压

8、强度qu为0.8-1.0mpa。依据相关工程经验,加固体的抗拉强度为抗压强度的15%左右,即加固土的抗拉强度qc为0.12mpa。 表1地下水状况一览表 地下水性质 水位(水头)埋深(m) 水位(水头)标高(m) 上层滞水 9.2-10.6 29.25-29.63 层间潜水 16.8-21.8 17.2-22.75 由理论分析可知,拉应力最大值在直线上。在此直线上把0-a划分为500等分,利用matlab计算每一点的max和max,然后在其中选择最大值。最终可以得出,板中心线边缘处所受最大拉应力为:max=98.4kpa,最大剪应力为max=14.7kpa,此时x,y,z坐标分别为(5.91,0,-3)。 加固后土体的极限抗剪强度为:c= tg+c。 取k1=k2=1.2,则: 即土体受到的最大拉应力和最大剪应力分别小于其抗拉强度和抗剪强度。经检验,y市地铁2号线东延线工程采用高压旋喷注浆施工方法加固的土体,完全满意强度安全要求。工程实际结果也表明,加固后土体稳定性良好,未发生强度破坏。 3结论 1)依据深圳地区的工程地质、水文地质特点以及施工环境,选择高压旋喷注浆施工方法比较合适。在y市地铁2号线东延线工程采用该工法,取得了很好的施工效果。2)依据工程建设实际状况以及板壳理论相关学问,建议采用四周简支矩形小挠度薄板模拟加固土体,且板所受的荷载主要为成梯形分布的土体侧向压