超大直徑盾構(gòu)出洞地基加固設(shè)計(jì)與施工.doc

超大直徑盾構(gòu)出洞地基加固設(shè)計(jì)與施工摘 要 盾構(gòu)出洞地基加固是盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工中的1個(gè)重要環(huán)節(jié)，盾構(gòu)出洞過程具有較大的風(fēng)險(xiǎn)。文章根據(jù)耀華支路越江隧道工程盾構(gòu)始發(fā)井的地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了f14.88 m泥水氣平衡盾構(gòu)機(jī)出洞的地基加固方案，并進(jìn)行計(jì)算校核，通過精心施工，確保了盾構(gòu)順利出洞，從而說明加固方案是合理的，可供今后類似工程參考。關(guān)鍵詞 泥水氣平衡盾構(gòu) 盾構(gòu)出洞 加固體設(shè)計(jì) 施工方案1 工程概況耀華支路越江隧道工程是目前上海單線一次穿越黃浦江距離最長(zhǎng)（2 178 m）的隧道，采用f14.88 m超大直徑泥水氣平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。浦西側(cè)盾構(gòu)始發(fā)井平面尺寸為24.2 m26 m，采用1 m厚、48 m深的地下連續(xù)墻圍護(hù)，開挖深度為27.467 m，盾構(gòu)出洞中心埋深為16.833 m，覆土厚9.393 m。由于盾構(gòu)始發(fā)井位于鬧市區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜（見圖1），為保證盾構(gòu)安全出洞，在鑿除預(yù)留洞門內(nèi)的地下連續(xù)墻前，需對(duì)洞門外側(cè)土體進(jìn)行加固。受施工場(chǎng)地狹小、地下管線以及工期等因素的影響，為滿足加固施工需要，加固區(qū)擬定采取深層攪拌樁法施工。圖1 工程周邊環(huán)境圖2 工程地質(zhì)條件盾構(gòu)出洞處各土層物理力學(xué)性指標(biāo)見表1。表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表層序土層名稱濕重度/kgm-3含水量/%空隙比壓縮系數(shù)/MPa-1內(nèi)聚力/kPa摩擦角/()靜止側(cè)壓力系數(shù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度/kPa1褐黃色黏土18.531.60.9110.412313.50.5481灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土17.540.01.1430.751412.50.5240灰色淤泥質(zhì)黏土17.047.21.3361.05149.50.55432-1灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土18.331.30.9050.21825.50.382-2灰色黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土18.032.70.9760.401219.50.48盾構(gòu)出洞切削的主要土層為、2-1、2-2（見圖2）。圖2 盾構(gòu)出洞切削的主要土層剖面示意圖由巖土勘察報(bào)告可知，盾構(gòu)出洞處土層由上而下分別為1人工填土、1褐黃色黏土、灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、灰色淤泥質(zhì)黏土、2-1灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、2-2灰色黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土。資料顯示，2層含微承壓水，其水頭埋深為1.752.55 m。3盾構(gòu)出洞地基加固3.1 加固體尺寸的確定根據(jù)工程地質(zhì)條件、隧道直徑、隧道上方覆土厚度以及耀華支路越江隧道盾構(gòu)出洞處的施工環(huán)境條件，并參考以往黃浦江隧道施工經(jīng)驗(yàn)，采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了計(jì)算，盾構(gòu)前方21 m范圍需進(jìn)行土體加固，其中靠近洞口14 m區(qū)域?yàn)橹骷庸虆^(qū)，其強(qiáng)度要求大于1.0 MPa，起到滿足洞門內(nèi)地下連續(xù)墻鑿除后土體自穩(wěn)無大量滲水以及洞門封堵時(shí)安全作用；前端7 m區(qū)域?yàn)槿跫庸虆^(qū)，其強(qiáng)度要求大于0.6 MPa，起到滿足盾構(gòu)安全覆土厚度要求和土體強(qiáng)度由強(qiáng)變?nèi)踹^渡作用。加固體的基本尺寸為：長(zhǎng)21 m（其中7 m為過渡區(qū)）、寬21 m、高約24.6 m。根據(jù)施工場(chǎng)地、地下管線走向以及加固體的作用，對(duì)弱加固區(qū)平面尺寸進(jìn)行調(diào)整，最終設(shè)計(jì)方案如圖3所示。圖3 加固體范圍示意圖3.2 加固體尺寸的校核計(jì)算3.2.1 加固體長(zhǎng)度驗(yàn)算 土體未加固前的抗滑動(dòng)力矩Mr2為： （1） 式中，C土體內(nèi)聚力，14 kPa； D洞口直徑，15.3 m；則：Mr=5 148 kNm。 假定土體滑移以O(shè)點(diǎn)為圓心、加固土體開挖內(nèi)徑為半徑的圓弧線，則上部覆土自重引起的下滑力矩Md2為： （2） 式中， 土體重度， 取值為17.6 kN/m3； H自地表算起的出洞口頂部的深度，為9.4 m； D洞口直徑，為15.3 m；則：Md=40 375.84 kNm。 土體加固后滑動(dòng)土體增加的抗滑動(dòng)力矩Mr為： （3）式中，C為注漿引起內(nèi)聚力增加，參考相關(guān)技術(shù)資料，水泥土的內(nèi)聚力為其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的20%，擬定水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.0 MPa，則取注漿攪拌后土體的內(nèi)聚力為200 kPa，則C186 kPa。 土體平衡條件為： （4） 式中，K為抗滑安全系數(shù)，取1.2。 由式（3）、（4）可得：故加固體的長(zhǎng)度（Dsinq）應(yīng)大于12.8 m。 從加固體強(qiáng)度考慮，用彈性力學(xué)理論計(jì)算公式計(jì)算加固體長(zhǎng)度。 式中，W側(cè)向水土壓力，為0.013H（H 為計(jì)算點(diǎn)深度），m；r圓形洞門半徑，7.65 m；t加固土體的彎曲抗拉強(qiáng)度，0.18 MPa（無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的6%30%）；K安全系數(shù)，取1.2。計(jì)算出加固體長(zhǎng)度應(yīng)大于11.3 m。3.2.2 加固體高度驗(yàn)算 盾構(gòu)頂部加固體的高度為塑性區(qū)半徑與盾構(gòu)機(jī)半徑之差，按公式校核加固體的高度。 式中，R塑性區(qū)半徑，自盾構(gòu)中心起至改良土體的高度；g加固土體的重度，18 kN/m3；C加固土體的內(nèi)聚力,200 kPa；r1盾構(gòu)機(jī)半徑,7.44 m；H盾構(gòu)中心至地面距離，16.833 m。求得：R10.34 m，考慮安全系數(shù)，盾構(gòu)頂部加固體的高度為3.48 m；同樣可計(jì)算出洞口前方7 m盾構(gòu)底部加固高度為6 m；其余底部加固體高度為3.2 m。3.2.3 加固體寬度的校核在求得改良體頂部高度后，可根據(jù)幾何關(guān)系，求得改良土體的寬度為20.16 m。從加固體的長(zhǎng)、寬、高的校核結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的實(shí)際尺寸均滿足要求。4 加固體施工4.1 樁的布置盾構(gòu)出洞洞口土體加固主要采用三軸水泥土攪拌樁加固，樁徑為1 m，孔間距為0.75 m，排間距為0.7 m。根據(jù)地基加固要求和地形情況，分為3個(gè)區(qū)域，見圖4。圖4 加固體布樁施工圖 第一個(gè)區(qū)域?yàn)榫o靠地下連續(xù)墻的21 m6.3 m平面范圍，在地面以下5.9 m深度范圍內(nèi)，qu0.6 MPa；其下24.6 m深度范圍內(nèi)，qu1.0MPa； 第二個(gè)區(qū)域?yàn)橹虚g的21 m7 m平面范圍，在地面以下6.9 m深度范圍內(nèi)，qu0.6 MPa；其下20.8 m深度范圍內(nèi)，qu1.0 MPa； 第三個(gè)區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則平面范圍，在地面以下6.9 m深度范圍內(nèi)無加固要求，其下20.8 m深度范圍內(nèi)，qu0.6 MPa。4.2 水泥土強(qiáng)度檢測(cè)對(duì)于qu1.0 MPa的土體，水泥摻量為20%；對(duì)于qu0.6 MPa的土體，水泥摻量為10%。為檢測(cè)施工質(zhì)量，加固體滿足齡期要求后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取芯試驗(yàn)，共取4個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)鉆取10、15、20、25 m深度處的加固體，經(jīng)觀察，加固體連續(xù)性較好；通過試驗(yàn)，各點(diǎn)強(qiáng)度均超過1.0 MPa，最大達(dá)1.62 MPa，最小也有1.23 MPa，符合設(shè)計(jì)要求。 4.3 補(bǔ)充措施 工作井和三軸加固區(qū)之間預(yù)留0.7 m寬的狹長(zhǎng)夾縫，待始發(fā)井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后、盾構(gòu)機(jī)出洞前，采用三重旋噴加固進(jìn)行補(bǔ)樁，樁徑為1.2 m，樁間距為0.9 m。補(bǔ)樁與工作井的地下連續(xù)墻和已加固的區(qū)域有效搭接0.25 m。 由于三軸攪拌樁與三重旋噴樁在不同時(shí)期施工，兩者之間存在1條施工縫，且離洞門僅0.7 m，而2層含微承壓水的水量較豐富，在盾構(gòu)出洞階段，一旦發(fā)生大量微承壓水?dāng)y帶泥砂通過施工縫侵入工作井，對(duì)工程危害極大，因此，在鑿除洞門內(nèi)的地下連續(xù)墻前，通過在洞門內(nèi)斜向周圈打孔進(jìn)行壓密注漿，填補(bǔ)施工縫，阻隔外界水力聯(lián)系。5 結(jié)語根據(jù)耀華支路越江隧道盾構(gòu)出洞處的地質(zhì)條件和環(huán)境條件，設(shè)計(jì)、計(jì)算并校核了出洞加固體的范圍，通過科學(xué)部署、合理布樁、精心施工，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明加固體強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。洞門鑿除后，暴露出的加固面干燥、自立性強(qiáng)、沒有土塊剝落、也沒有發(fā)生大量滲水情況，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。f14.88 m泥水氣平衡盾構(gòu)按計(jì)劃順利出洞，