1 端头加固的目的
城市地铁隧道盾构机在出入洞(始发或进站)时,由于构筑的竖井或盾构井的井壁外侧土体已经受扰动而松动,加上拆除作业中的机械振动,井壁外侧土压力会急剧增大。在盾构机进出洞时,存在塌方、涌水、地表沉降等安全隐患。为了避免由于变形、地表沉降引发的构筑物和埋设物受损,必须对盾构始发端头进行加固。
在盾构进发、到达时,对端头加固的目的主要为:消除构筑竖井、始发井、到达井时对周边土体造成的扰动破坏,防止破除围护结构进出洞端墙时振动的影响,在盾构机贯入掘削面前或进入竖井、车站端头前能够使地层自稳并防止地下水涌出,降低对入口端围护结构端头墙的压力,防止因掘削面压力不足引起的掘削面坍塌(特别是对于泥水盾构机),防止地表沉陷以及对地层管线和建筑物基础造成的破坏。
2 端头加固的方法
端头地层加固的方法很多,包括对既有地层进行高压注水泥浆液、水泥搅拌桩及地层冻结的方法;在围护结构外侧采用浇注素混凝土连续墙、素混凝土桩法、板桩的方法;采用盾构机直接掘削以及通过对围护结构钢筋进行电蚀、用玻璃纤维筋来代替钢筋的方法等。
2.1 注浆加固法
注浆工法是通过压送的手段使浆液(水泥、水玻璃等可以生成凝胶、固结体的液体)渗入到地层土颗粒间隙或填充地层中裂隙(或空洞),喷入到地层中和土体搅拌混合形成的固结体,在浆液固结后地层的物理和力学性质得以改善。
浆液材料属非化学类的一般性纯水泥浆液、膨润土水泥浆液、黏土、砂浆,化学类的水玻璃、有机高分子浆液等。注浆的措施包括高压注浆、高压旋喷注浆、通过搅拌拌和等。注浆法的优点是施工设备简单,规模小、耗资少、占地面积小、对交通影响小、工期短、见效快,施工中产生的噪声和振动小、对环境影响小,对场地施工条件要求低,加固深度易于控制、灵活多便。
2.2 素混凝土墙(桩)法
通过在围护结构、衬砌外侧浇注素混凝土墙或是素混凝土桩的方法,也可以很好地在围护结构端头墙破除洞门后继续维持土体的平衡,从而保证端头地层土体的稳定性。素混凝土墙或桩,其自身强度比较高,能够承受由于经过扰动或振动产生的较大水土压力,且加固范围小,特别适用于施工场地小、地下管线密集、地面交通繁忙、距离地面建筑物基础比较近的工程场地,加固效率高,工程造价相对旋喷桩加固低。但是,需要大型的成槽机、挖掘机,对于较深的连续墙或在成槽较宽时,容易出现塌孔现象。该法的一般材料为C25、C30混凝土,采用地下成槽、泥浆护壁、水下浇注的连续墙模式,或采用钻孔灌注桩的模式。
2.3 直接掘削法
直接掘削又称作NOMST法,普通围护结构钢筋混凝土无法采用盾构刀盘直接切割,通过改变围护结构内钢筋的性质或改变切割面的材料可以完成直接切割的目的。对于无加固空间或由于大深度化、大端面化等无法正常加固施工的情况,该法具有很好的效果,而且采用玻璃纤维代替钢筋、电蚀围护结构墙受力钢筋等,可满足刀盘直接掘削的条件。
2.4 其他方法
除了以上施工方法外,还包括冻结法、水中到达法、滑块法、降水法、压气法、开挖回填法、SMW拔芯法等,在盾构进发、到达部位用以地层加固施工。可以根据具体工程特点、施工场地条件、周遍建筑物状况、工程造价等各方面的因素,选择合适的施工措施。
3 工程实例
3.1 工程概况
3.1.1 地形地貌
广州地铁6号线一盾构区间,车站端头附近为层天然基础宿舍楼。盾构端头地势较高,端头设有陡坡、干砌片石护坡、天然基础。加固区域地势由南至北呈上升趋势,为山前冲积盆地、剥蚀残丘地带及丘陵地貌,剥蚀残丘和山间冲洪积小盆地。广州地层上部为冲积洪积土层和残积土层,下部为花岗岩风化带。
3.1.2 水文地质条件
1)松散岩类孔隙水
第四系松散岩类孔隙水主要赋存在冲积洪积砂层中,主要分布在沙河涌附近,厚度不大,透水性中等强受沙河涌影响,地下水较丰富。冲积洪积土层、花岗岩残积土层和花岗岩全风化带含水贫乏,透水性较差。
2)层状基岩裂隙水
基岩风化裂隙水主要赋存在燕山期花岗岩中,地下水的赋存不均,在裂隙发育地段,水量较丰富。
3.2 盾构所在位置
端头洞门位置处的土层主要为<5H-2>可塑状花岗岩残积土层,燕山期花岗岩风化作用形成的砂质黏性土和黏性土,可塑状,含风化残留石英颗粒,平均击数13. 4击;硬塑状花岗岩残积土层,花岗岩风化作用形成的砂质黏性土、砾质黏性土、黏性土,呈硬塑状,平均击数27.4击。连续墙外侧天然地层稳定常水位在洞顶以上约6m的位置,车站在基坑开挖时采取降水措施。
3.3 端头加固措施
盾构端头施工场地狭小且无地层加固条件。根据既有条件,采用1. 2m素混凝土连续墙对陡坡端头连续墙加固。连续墙成槽宽度为9m,洞径6m,两侧宽各1.5m,下部至洞边以下2m,连续墙浇注至地表。在素混凝土连续墙宽度方向两侧预埋注浆止水管,用以封堵两侧墙间的漏水。同时,在盾构井内开洞范围内布置注浆孔和探测孔。在破除围护结构连续墙之前,要对素混凝土墙和围护结构墙间缝隙水量,以及素混凝土墙与围岩土体接触面水量进行探测。若存在大量水涌出的现象,则要采用高压注浆的方法来处理间隙,以避免大量的失水和间隙水存在。环向布置间距1m的注浆管,外插角不超过10°。根据探测水量对墙间或墙背注浆止水封堵,如图1~图2所示。
3.4 素混凝土强度分析
素混凝土连续墙安全检算主要为强度验算,即在破除围护结构连续墙后,在盾构刀盘切割期间要保证素混凝土连续墙能够承受足够的侧向水土压力,最大拉应力要满足设计强度要求。采用有限元分析计算,混凝土采用C30,弹性模量E=3.15×105MPa,泊松比μ=0.2,厚度t=1.2m,结构计算模型尺寸如图3所示。
3.4.1 水土压力计算
根据钻孔资料显示,连续墙槽段土层主要为<5H-2 >硬塑坚硬花岗岩残积层,容重γ=
19 kN/m3,黏聚力c=23 kPa,内摩擦角φ=24°,参数取自区间详勘阶段岩土工程勘察报告,地下水位高程取到地面以下1.5m,地面超载q=20 kPa。
计算采用水土分算,盾构底部处水土压力,有
3.4.2 素混凝土墙强度验算
按照以上计算结果建立模型,素混凝土连续墙采用固体单元模拟, 6. 4m直径范围以外按全部支撑约束,直径范围内为自由面。素混凝土墙上部考虑按固端约束,其余各边为自由约束。
3.4.3 强度计算结果
计算的最大拉应力为0.9MPa,满足C30混凝土的抗拉设计强度限值1.43MPa,强度验算合格,计算结果见图4。
3.5 连续墙宽度稳定性分析
素混凝土连续墙成槽技术和普通钢筋混凝土连续墙技术相同。本工程成槽宽度为9m,连续墙深度为18m,厚度1.2m。
泥浆制作采用膨润土造浆、黏土造浆及冲击黏土层自造浆3种形式。在成槽过程中,泥浆具有护壁、携渣、冷却机具和润滑等作用,泥浆的使用是保证成槽质量的关键。置换泥浆可采用膨润土或黏土制浆,膨润土需经过取样,进行物理分析和泥浆配比实验。
采用膨润土造浆的主要成分是膨润土、掺合物和水,掺合物主要有羧甲基纤维(CMC)和烧碱(Na2CO3),分别起增大泥浆黏度和增多膨润土颗粒表面吸附的负电荷的作用,配比见表1。
4 结论与体会
4.1 注意事项
(1)在连续墙成槽过程中,泥浆的性能指标非常重要,将直接决定着成槽的稳定性。
(2)在成槽时,应尽量减少地面超载的影响,避免引起大的槽段土体变形,同时要尽量减少槽段的宽度。
(3)素混凝土连续墙的强度需保证,在破除围护结构连续墙时,要密切观测连续墙的变形。
(4)在破除围护结构墙时,一定要通过打设探孔对墙间、墙背的水量进行确定,必要时要严密注浆,要在洞门环向形成严密注浆止水带。
(5)素混凝土连续墙作为与围护结构连续墙叠合的墙,其结合面最好密实,尽量不要存在夹层,若有夹层要注浆密实。
(6)破除围护结构连续后,素混凝土墙暴露时间要短,如若出现裂纹、渗水现象,始发时盾构刀盘要尽早顶在素混凝土墙上,保证墙体稳定。
4.2 体会
盾构机在始发、到达时很容易出现事故,本文讨论了盾构始发端头加固技术,加固效果对于稳定端切面非常重要。本工程一次成槽宽度达9m,成槽过程无塌孔等现象出现,测试加固效果良好。盾构端头加固采用素混凝土连续墙的方式,一定要做好注浆止水工作, 同时加强监测,根据情况灵活应对,适时补强注浆。
本文方案适用于广州地区的地质条件,对于其他地区该方法加固在选择上要慎重采用,以免造成不必要的工程事故。
参考文献
[1]张凤祥,朱合华.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社,2004.
[2]张庆贺,朱合华.地铁与轻轨[M].北京:人民交通出版社,2002.
[3] GB 50157—2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.
[4] GB 50010—2002混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
