盾構(gòu)始發(fā)地基加固土數(shù)值分析及安全保證措施

李建平

(騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 臺州 318050)

1 工程概況

杭州地鐵一號線下沙西站～下沙中心站區(qū)間從下沙西站開始，沿九沙大道抵達(dá)下沙中心站。本段區(qū)間隧道穿越地段為待開發(fā)區(qū)，主要為農(nóng)田和民居，場地開闊，區(qū)間隧道長度在1 071 m左右，隧道頂埋深9.3 m ～17.3 m，盾構(gòu)始發(fā)處隧道覆土為9.3 m。盾構(gòu)主要穿越的土層為:③2砂質(zhì)粉土、③3粉砂夾砂質(zhì)粉土、③4砂質(zhì)粉土、③5粘質(zhì)粉土。盾構(gòu)底座坐落在③4砂質(zhì)粉土、③5粘質(zhì)粉土。盾構(gòu)始發(fā)段位于③2砂質(zhì)粉土、③3粉砂夾砂質(zhì)粉土中。本次盾構(gòu)始發(fā)加固范圍，厚度和寬度為隧道預(yù)留洞口外側(cè)上下左右各3.0 m，均為12.2 m。始發(fā)處加固區(qū)的長度為出洞口向外9 m，接收處加固區(qū)長度為洞口向外6 m。

2 數(shù)值模擬及加固效果分析

利用ANSYS軟件分析加固土體在洞門破除及盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過后的應(yīng)力分布，以便較能直觀的反映出應(yīng)力大小、受力薄弱環(huán)節(jié)和盾構(gòu)穿越后加固土體強(qiáng)度能否達(dá)到自立，根據(jù)此決定盾構(gòu)始發(fā)采取的加固形式以及樣洞開孔位置和盾構(gòu)同步注漿最佳開始時間。

對整個加固土進(jìn)行分析對象，考慮到盾構(gòu)接收處加固長度比始發(fā)時加固長度短，為6 m，故對加固板塊厚度取6 m。采用Solid45單元模擬加固土體，加固土體按照彈性體考慮。由于不同土層在加固后的特性對本工程分析影響結(jié)果不大，故按照同一土層考慮，土的容重為19 000 N/m3。按照如圖1所示尺寸建立模型。

圖1 建模尺寸圖

模型上部受土壓力為19 000 N/m3×6.3 m=119 700 Pa，左右兩側(cè)側(cè)向土壓力呈梯形分布，為計算簡化成均部荷載，由于此處土的靜止側(cè)向系數(shù)取0.49，故左右兩側(cè)和背部土的側(cè)向應(yīng)力為[19 000 ×6.3 ×0.49+19 000 ×(6.3+12.2) ×0.49]/2=115 444 Pa。地下水位為地表下1 m，故水對上部的壓力 =10 000×5.3=53 000 Pa，水產(chǎn)生的側(cè)向壓力為 10 000 × (5.3+12.2/2)=114 000 Pa。模型下端施加豎直方向的約束，正面在洞門圈外部面施加前后方向的約束。模型材料取水泥土計算，彈性模量為5.1e9 Pa，泊松比為0.2，密度為2 100 kg/m3。模型如圖2 所示，可以模擬出洞門板塊割除后的受力情況。圖3為破除洞門后加固土體的等效應(yīng)力圖，可以看出最大應(yīng)力在洞門圈下部，為0.33 MPa左右。故在打樣洞的時候，在周圍和下部必須進(jìn)行探孔。

圖2 有限元分析模型

圖3 洞門破除后等效應(yīng)力圖

然后利用單元?dú)⑺烂畎讯軜?gòu)機(jī)穿越后的土體單元?dú)⑺溃M盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過加固土體后的應(yīng)力情況。圖4顯示盾構(gòu)完全進(jìn)入加固土后最大值在洞門圈的兩側(cè)，約為0.51 MPa。如果加固土體強(qiáng)度大于0.51 MPa時，可以判斷盾構(gòu)機(jī)通過后，加固土也不會坍塌，故同步注漿可以在盾尾即將通過加固土體時開始也是可行的。

圖4 盾尾穿越后等效應(yīng)力圖

端頭土體的穩(wěn)定是盾構(gòu)機(jī)始發(fā)和到達(dá)的一個關(guān)鍵，端頭塌方在盾構(gòu)施工事故中最為常見，端頭土體加固的成功與失敗直接影響到盾構(gòu)機(jī)能否安全始發(fā)、到達(dá)。盾構(gòu)洞門打開后必須防止洞口掌子面坍塌以及掘進(jìn)過程中的水土流失，以確保盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)施工區(qū)的安全。因此，必須重視端頭土體加固方案的研究和加固質(zhì)量的控制，合理選擇盾構(gòu)加固的施工方法[1]，端頭加固方法主要有:注漿加固、深層攪拌樁、素混凝土墻旋噴樁等化學(xué)加固方法，還有井點(diǎn)降水、凍結(jié)等物理加固方法[2]。本工程中根據(jù)始發(fā)和到達(dá)端頭工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地面建筑物及管線狀況和端頭結(jié)構(gòu)以及數(shù)值分析結(jié)果等綜合分析與評價決定采用旋噴樁加攪拌樁結(jié)合的加固方法，與地下連續(xù)墻相連的土體采用1排旋噴樁，其余部位采用攪拌樁加固。加固范圍主要采用φ850 mm三軸水泥土攪拌樁，攪拌樁與地下連續(xù)墻相連的土體采用φ800 mm雙重管旋噴樁進(jìn)行填補(bǔ)加固。

本工程加固區(qū)域的工程地質(zhì)情況為:③2粘質(zhì)粉土、③3粘質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，采用深層水泥攪拌樁加固進(jìn)行進(jìn)出洞口地層加固，圍護(hù)墻(地下連續(xù)墻)與攪拌樁之間約0.5 m的夾層采用了雙重管旋噴樁加固。水泥攪拌機(jī)選用ZDK－850型三軸攪拌機(jī)。每根攪拌樁樁長為12.2 m，攪拌下沉噴漿用時17 min左右，平均速度為12 mm/min，攪拌提升噴漿用時8 min左右，平均速度為25 mm/min。水泥漿水灰比為1.5，水泥摻入比在20%左右。一根樁的水泥用量在4.2 t～6.5 t之間。攪拌樁施工完畢，在攪拌樁與連續(xù)墻1 m左右的夾層采用旋噴樁加固，樁徑為800 mm，搭接200 mm，噴漿壓力控制在25 MPa～30 MPa之間，空氣壓力控制在0.7 MPa，旋噴提升速度為15 cm/min。成樁深度為12.2 m，水泥用量在2.7 t～3.5 t之間。加固完畢，3個月后對其進(jìn)行取樣分析，試塊強(qiáng)度在3 MPa～4 MPa之間，最大值為5.8 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)值計算結(jié)果0.51 MPa，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計要求的1 MPa～1.2 MPa。始發(fā)施工端頭土體加固的目的是提高土體的自立性、防水性和一定的強(qiáng)度，但是加固的強(qiáng)度不能太高，否則會給大刀盤切削帶來困難，引起機(jī)器的故障并影響工程的進(jìn)度。根據(jù)本工程始發(fā)后盾構(gòu)在加固區(qū)中的推進(jìn)較困難這一情況判斷，攪拌樁的水泥摻量可能偏大，在以后類似的工程中考慮減少水泥摻量。

3 樣孔探測及加固土體后期處理技術(shù)分析

在洞門鑿除前，要從洞門圈內(nèi)向加固土體中打探孔，探明地基土的加固效果。如果沒有異常情況方可進(jìn)行洞門混凝土的鑿除。本工程在洞門鑿除前，先在洞門圈內(nèi)上下各開一個樣洞，上部樣洞沒有異常情況，下部樣洞有泥沙涌出(與數(shù)值計算下部應(yīng)力大于上部應(yīng)力的結(jié)果也相符)，發(fā)現(xiàn)這一情況立即對流沙樣洞進(jìn)行封堵。由此判斷可能加固區(qū)存在滲水通道，決定采用在地面上分層注漿的措施進(jìn)行處理。

在槽壁外旋噴樁加固區(qū)域，每隔1.5 m共6個點(diǎn)進(jìn)行分層注漿，注漿深度為地面下17 m。由于注漿位置經(jīng)過旋噴樁加固，盡管可能存在滲水通道，但是大部分土體已經(jīng)過旋噴樁處理，漿液無法注入到土體，導(dǎo)致漿液從鉆孔和芯管之間的間隙溢出，甚至把芯管頂出，分層注漿措施效果不理想。

最后采用降水與端頭地層加固的“雙保險”施工方法[3]。如圖5所示，剛開始布置了6口降水井(1號～6號)，管井設(shè)計深度為24 m，采用PVC管，井管直徑為300 mm，潛水泵流量為3 m3/h。抽水一段時間后，井內(nèi)液位穩(wěn)定在地面下8 m左右時，再難以下降，后又增加兩口鋼管井(7號、8號)。同時7口井進(jìn)行真空抽水，另外一口作為觀測井，在盾構(gòu)始發(fā)前，井內(nèi)液位穩(wěn)定在地下16 m，此后，觀測井也作為抽水井進(jìn)行真空抽水。

圖5 降水井平面布置圖

水位降到洞圈以下后，完全破除洞門前又呈“米”形開了9個探孔，最下部探孔仍有較混濁的水滲出，但較先前情況大大改善。整體情況較理想，下部存在一滲水通道，由于進(jìn)行降水[4]，并沒有出現(xiàn)滲漏，可見降水在本工程中起到了很大的作用。

從這些處理措施上看，地面分層注漿效果不是很理想。原因是土體已經(jīng)進(jìn)行過加固，本次注漿的漿液不能完全滲入到加固土體內(nèi)，僅部分旋噴樁不連續(xù)處可以注入。水平注漿效果也不甚理想，當(dāng)壓力提高時，容易造成洞門板塊開裂。故出洞地基加固是控制的重點(diǎn)，對攪拌樁及旋噴樁施工的一些參數(shù)、水泥用量必須進(jìn)行強(qiáng)有力的監(jiān)控，后兩種加固方法只能作為補(bǔ)救措施。由于在砂性土中出洞，地層含水量大，洞門破除后可能在水泥土樁的搭接處形成滲水通道，故條件允許的前提下，進(jìn)行降水是非常有效的出洞安全控制措施。

4 結(jié)語

1)通過有限元分析軟件ANSYS計算加固土體的應(yīng)力結(jié)果看，如果加固土體強(qiáng)度大于0.5 MPa時，可以判斷盾構(gòu)機(jī)通過后，加固土也不會坍塌，故同步注漿可以在盾尾即將通過加固土體時開始也是可行的。

2)出洞地基加固施工質(zhì)量控制至關(guān)重要，尤其是加固土體的均勻性，避免部分地方強(qiáng)度過高，而部分區(qū)域存在漏加固，出現(xiàn)滲水通道。

3)在條件允許的前提下，盾構(gòu)進(jìn)出洞進(jìn)行降水是非常有效的進(jìn)、出洞安全控制措施。

4)如果盾構(gòu)機(jī)的同步注漿管是外置式，注漿管處與橡膠止水簾布的密封是薄弱環(huán)節(jié)，故在四個注漿管的位置用插板代替鉸鏈板，盾構(gòu)機(jī)殼體進(jìn)入到洞門圈時，及時調(diào)整插板位置，盾構(gòu)機(jī)盾尾進(jìn)入后再一次調(diào)整插板，時刻控制此位置的間隙量。筆者了解到部分工程，盾構(gòu)出洞時出現(xiàn)前方土體漏泄多發(fā)生在此部位，故筆者建議條件允許的情況下，盾構(gòu)機(jī)采用內(nèi)包式注漿管為宜。

[1] 王圣濤，石雷孫，成 山.深孔注漿技術(shù)在盾構(gòu)始發(fā)端頭土體加固施工中的應(yīng)用[J].廣東科技，2009(208):205－206.

[2] 潘 茜，王麗麗.盾構(gòu)區(qū)間端頭加固的設(shè)計探討[J].山西建筑，2009，35(1):345，353.

[3] 王吉華.土壓平衡盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)施工技術(shù)[J].山西建筑，2009，35(9):335－336.

[4] 胡耀輝，劉純凈，史輝映，等.盾構(gòu)在砂質(zhì)粉土層中進(jìn)出洞的施工技術(shù)[J].市政技術(shù)，2008，26(3):223－226.