盾构施工中端头土体加固强度探讨

盾构施工中端头土体加固强度探讨
摘要在盾构隧道施工中,端头土体加固直接关系到盾构机始发和到达的安全性。

根据弹性力学和板壳理论的相关知识,对加固土体建模,分析推导出加固土体受到最大应力的计算公式,讨论为确保安全需要的土体加固区强度。

结合深圳市地铁2号线东延线工程的工程实践,简要介绍适宜砂卵石地层盾构施工端头土体加固的工法,应用理论推导和案例分析,论证加固后土体强度与安全性的关系。

关键词盾构;端头加固;加固土体;强度;安全
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、对周围环境影响小、地表沉降易于控制等许多优点,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,容易引起事故。

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,也是施工控制的重点,加固土体必须达到一定的力学强度,以免发生破坏。

本文根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,来确定土体加固的强度,使加固土体满足强度要求,不至于破坏。

并结合深圳市地铁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,简要介绍了适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,分析验算了深圳市地铁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,并且假设圆板受均匀荷载。

作者认为,上述模型不能反映加固土体受力的真实状况。

根据弹性力学知识及工程实际,本文将加固土体简化为四周简支矩形小挠度薄板进行讨论,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。

具体情况如图1所示:
图1加固土体受力图
所受土压力为面荷载:
当模型满足两边简支条件:x=0,a时,
设挠度为ω,则有:ω=0
故符合李维解法条件,因此可将挠度设为单三角级数:
(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ω也关于x轴对称,所以ω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,故最大应力应该在平面y=0上,把y=0代入,可得到:
故有:
由此可得,σx和σy为两个主应力。

根据莫尔圆,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:
σmax=σx或者σmax=σy
假设此点受到的弯曲应力为拉应力,加固土体抗拉强度为qc,抗剪强度为τc,k1和k2为安全系数(根据具体情况选择)。

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,则可判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自立性、防水性和强度。

中铁十二局在深圳市地铁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。

根据深圳地区的地质层情况来看,多为砂卵石层,适宜选用注浆加固。

若采用静压注浆,浆液会沿着砂卵石层中的孔隙流动,其流动方向以及注入量不能很好的控制,会导致土体加固质量的可靠性不高,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控制的,并且可以调节注入参数(切削土体压力、固化材料的注入速度、注入量等参数)以获得满足强度和抗渗性需求的固结体。

同时,与普通的注浆工法相比,除高压泵和特殊喷嘴不同外,其他设备基本相同,操作容易、施工所需空间小,非常适合在大城市施工。

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(υ2.6-υ2.8mm);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,抗压强度qu为0.8-1.0Mpa。

根据相关工程经验,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σmax和τmax,然后在其中选择最大值。

最后可以得出,板中心线边缘处所受最大拉应力为:σmax=98.4kPa,最大剪应力为τmax=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:τc=σ tgψ+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,深圳市地铁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,完全满足强度安全要求。

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)根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。

在深圳市地铁2号线东延线工程采用该工法,取得了很好的施工效果。

2)根据工程建设实际情况以及板壳理论相关知识,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力。

根据模型情况,采用李维解法,得出了加固土体受到的最大弯曲应力和剪应力的计算公式。

3)把加固土体受到的最大弯曲应力和剪应力的计算公式应用于工程实践中,可以检验加固后土体强度是否符合安全要求。

经检验,深圳市地铁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,完全满足强度安全要求。

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