海底隧道泥水盾構始發端頭加固范圍研究

郝展鵬 , 王旭春,楊公利,劉緒壯,羅敏鶴

(1.青島理工大學 青島市 266033;2. 青島市地鐵規劃設計院有限公司 青島市 266315)

0 引言

泥水平衡盾構跨海隧道施工面臨極大的風險,控制不好時會出現地層嚴重變形、開挖面失穩等事故,給工程帶來極大的危險。目前,在隧道建設過程中,事故多發于盾構始發階段,原因集中在盾構始發地層的加固方案不合理,出現加固范圍小、加固效果不理想等問題。

盾構始發端頭加固目前已有大量的學者進行了深入研究,如李大勇等[1]指出了端頭土體加固不僅應滿足強度要求,還應該有抗滲透性的要求等。江玉生等[2]首先總結了當前端頭土體加固的計算方法及問題,提出應根據不同地層、結合盾構主機長度,土體的強度以及加固土體穩定性驗算結果等因素綜合考慮。吳韜等[3]首先總結了端頭土體加固強度及穩定性分析理論,與數值模擬對比得出,土體加固的關鍵控制因素為抗滑移失穩,并且加固土體的黏聚力C對抗滑移失穩起主要作用。雷金山等[4]指出1.0～1.5倍洞門直徑的土體縱向加固范圍在長沙地區砂卵石地層中是合理有效的。王常嶺等[5]認為在軟土加粉土、粉砂地層中,合理且適用加固方式為:三軸深層攪拌樁與高壓旋噴樁聯合加固,且橫向加固范圍只需滿足構造要求。

計算土體縱、徑向范圍加固的理論包括:板塊強度理論、土體滑移失穩理論和土體擾動極限平衡理論。其中,在計算縱向加固范圍時,要綜合考慮強度和穩定性;土體擾動極限平衡理論,是依據斷面周圍產生的塑性松動圈,通過圈內應力平衡條件及其破壞條件建立平衡方程,繼而確定加固土體的徑向范圍。對于工程地下水豐富、穩定性較差,在端頭加固范圍的計算時,不但要考慮以上因素,還要考慮滲透性、土體擾動等因素。

目前,泥水盾構隧道端頭加固的相關研究較少,尤其是跨海隧道。各項研究主要集中在土壓平衡盾構,對于泥水盾構端頭始發的工程案例較少,另外濱海地層具有特殊性,地下水與海水相通,地下水含量豐富。因此文章依托青島地鐵某泥水盾構跨海隧道工程,提出了基于盾構幾何尺寸的縱向加固范圍理論公式,改進了盾構始發端頭的加固方案。

1 工程概況與設備簡介

1.1 工程概況

工程始發端位于新近填海造地段,由于第四系地層的厚度較大,故本地段存在部分復雜地層,從上至下依次為:①3-1沖填土土層厚度6.99～8.25m;⑥1粉質黏土(淤泥質)土層厚度3.71～5.29m;⑨中粗砂砂層厚度0～2.04m;粉質黏土土層厚度17.74～19.46m;中粗砂(含黏性土粗礫砂)砂層厚度2.28～5.01m;13泥質粉砂巖巖層厚度0～3.2m。盾構始發洞門處,拱頂埋深為26.2m,洞身主要處于:粉質黏土、粗礫砂、13泥質粉砂巖。上部吹填砂層中,地下水較為豐富,地下水無穩定水位,會隨潮汐變化,不過存在一定滯后,埋深約0.8～4.5m。

1.2 泥水盾構設備簡介

工程盾構施工投入一臺泥水盾構機,采用中鐵某型號泥水盾構機,適宜區間海域段復雜地層的掘進施工。

1.2.1盾構機刀盤結構

刀盤結構形式為復合式,也即輻條+面板。刀盤開口率36%,刀具配置情況如下:中心滾刀(雙刃滾刀)4把,單刃滾刀39把,滾刀均為45.72cm;刮刀60把,邊刮刀12把,撕裂刀12把,先行撕裂刀6把。

1.2.2盾構機主要參數

盾構機主要參數如表1所示。

表1 中鐵某型號泥水盾構機參數表

2 始發端頭加固范圍計算

2.1 端頭始發縱向加固范圍的確定

(1)端頭加固強度驗算

工程始發端工程地質參數如表2所示。

表2 始發端地質參數表

洞門頂部包括中粗砂和粉質黏土,地下水位為-0.22m。經計算,在洞門中心處,水土壓力為W=254.66kPa。

板塊強度理論是將加固土體的開口部分看作一個自由支承的彈性圓板[6],基于簡支梁的受力破壞驗算,求能夠抵抗其外側水土壓力破壞的厚度,計算模型如圖1所示。

圖1 板塊強度理論計算模型

加固厚度為:

(1)

式中:h為加固厚度(m);k0為安全系數;β為計算系數,取1.2;W為外側水土壓力,簡化計算為洞門中心處水土壓力(kPa);D為洞門直徑(m);σt為加固土體的極限抗拉強度(kPa)。

取加固土體90d單軸抗壓強度為fcu90=1MPa;抗剪強度τc=0.3MPa;一般取極限抗拉強度σt=(10%～15%)fcu90,取σt=0.133MPa。盾構開挖直徑D=7.02m,代入式(1),計算得縱向加固長度h=7.5m。

(2)端頭加固穩定性驗算

土體滑移失穩理論適用于黏性土,其計算模型如圖2所示。理論假定加固土體失穩時,滑動面為圓弧,發生失穩滑動時以點(洞門外側)為圓心,以洞門直徑為半徑。

圖2 土體滑動計算模型

土體縱向加固長度計算公式為:

h=Dsinθ

(2)

式中:θ為滑移線與縱向加固厚度相交圓弧所對應的圓心角(°)。

考慮到D=7.02m,故明顯滿足h>Dsinθ,滿足穩定性要求。

綜合板塊強度理論與穩定性驗算,應取縱向加固長度為7.5m。但是,在青島地鐵跨海隧道工程中,始發加固長度為14.5m時出現嚴重問題。因此,需要根據工程實際對始發加固長度理論公式進行改進。

(3)基于盾構幾何尺寸效應的縱向加固范圍

工程盾構在深埋富水含砂層始發,端頭土體加固需要考慮盾構的幾何尺寸[7]。依據相關文獻,端頭縱向加固幾何尺寸所要求長度為:盾構主機長度+(1.5～2)m。泥水盾構主機長10981mm,取l=11m,則端頭縱向加固長度為h=12.5～13m。

根據幾何準則所確定的縱向加固長度應為最小長度,記為h1。為保證盾構繼續深入時不會出現塌陷、涌水等工程事故,要從強度和穩定性方面繼續加固,示意見圖3。

圖3 基于幾何尺寸效應加固的計算模型

該位置土層為強透水層,交界處后土體在設計加固時,在強度方面計算時依舊采用板塊強度理論,并對計算后的整體加固長度進行穩定性以及其他強度方面的驗算。由于地層地質情況相近,故水土壓力依然取W=254.66kPa。根據前文強度板塊的理論計算,可得出板塊強度理論要求的加固長度h2=7.5m。

由于交界處兩側在加固時應作為一個整體,因此應以交界處兩側作為板塊強度理論加固的中間位置。再考慮到在實際的工程施工中因各種因素導致一定誤差,故限定板塊強度理論所給結果允許5%的誤差。也即而完整的加固長度為:

h=h1+(0.95～1.05)×0.5h2

(3)

也即縱向加固長度h=(16.1-16.4)m。

經分析得出,由于外側水土壓力對加固土體的作用,板上最大彎曲應力,最大剪應力分別位于圓板的中心平面處和周邊支座處。強度驗算結果如表3、表4所示。由驗算結果可知,當土體縱向加固長度h=16.1m時,滿足強度要求。

表3 最大彎曲應力驗算結果

表4 最大剪應力驗算結果

2.2 始發端頭徑向加固范圍的確定

盾構機掘進過程中,周圍土體會受到各類擾動,產生半徑為r的塑性范圍。可由土體擾動極限平衡理論確定徑向加固范圍,如圖4所示。

圖4 塑性松動圈

在a

(4)

式中:R為中心至塑性區外側距離(m);γt為上覆土體平均容重(kN/m3);C為加固土體的黏聚力(kPa);H為隧道中心的覆土深度(m);a為盾構開挖半徑(m)。

洞門上、下側端頭土體加固厚度為:

H1=H2=k(R-a)

(5)

式中:k為加固安全系數,一般取1.5。

洞門兩側端頭土體加固厚度為:

B=(a+H1)cosβ-a

(6)

(7)

式中:φ為加固土體內摩擦角(°)。

取C=300kPa,根據地層厚度,可算得覆土深度,盾構開挖半徑,平均容重γt=18.8kN/m3,R=7.27m。由此計算得洞門上、下側需要加固的厚度為H1=H2=5.64m。內摩擦角Φ=30°,求得β=37.4°,則洞門兩側所需的加固范圍為B=3.75m。

洞門下側土體不存在坍塌問題,土體加固主要取決于抗滲性,一般取下側加固土體厚度1m≤H2≤3m。

綜合以上理論計算最大值及經驗值,工程端頭加固范圍具體數值確定如下:縱向加固長度h=16.1m,兩側加固厚度B=3.75m,拱頂加固厚度H1=5.64m,拱底加固厚度H2=3m。

3 泥水盾構端頭加固方案

3.1 端頭加固方案

工程始發加固原方案為:旋噴樁+洞門素連墻組合加固,但是在實際工程中,高壓旋噴難以達到需要的土體加固效果,無法形成有效止水,須補強加固。結合工程實際條件,始發端采用洞門素墻+套管咬合樁+“U”型素墻+后退式注漿的加固方式,如圖5所示。

圖5 改進的端頭加固示意圖(單位:mm)

3.2 端頭加固效果

在進行加固效果檢查后,結果顯示:

(1)加固土體在水平、邊界、斜向三種不同的取芯方式采樣下,無側限抗壓強度≥0.8MPa,滲透系數<10-7cm/s,滿足強度要求。

(2)在洞門范圍上下左右及中心各鉆孔1個,無明顯漏水,無漏泥砂現象,滿足滲透性要求。

(3)利用鉆孔巖土芯進行檢查其勻質性,結果顯示加固體均勻,勻質性滿足要求。

據此可認為:所設計的加固方案效果較好,適合工程地質情況;縱向加固長度h=16.1m,兩側加固厚度B=3.75m,拱頂加固厚度H1=5.64m,拱底加固厚度H2=3m,均與實際情況相近,表明理論計算可以用來指導工程實際,為相似工程提供參考。

4 結論

文章立足青島地鐵某區間泥水平衡盾構跨海隧道工程,提出了一種基于盾構幾何尺寸效應的盾構始發端頭加固方法,主要結論如下:

(1)綜合板塊強度理論、盾構幾何尺寸效應以及土體滑移理論得到了泥水盾構端頭始發的縱向加固范圍為16.1m;通過土體擾動極限平衡理論確定了泥水盾構始發的徑向加固范圍,即兩側加固厚度為3.75m,拱頂加固厚度為5.64m,拱底加固厚度為3m。

(2)分析了原加固方案在工程地層中的缺陷,并針對原方案不足之處進行了改進,解決了原方案旋噴樁達不到加固強度的問題,并且在加固效果的檢驗中,加固土體的強度、滲透性以及勻質性全部達到要求。