卵石地带盾构区间端头素混凝土桩加固设计.pdf

公路 交通技术2 0 1 2年 8月 第 4期T e c h n o l o g y o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o A u g 2 0 1 2 N o 4 卵石地带盾构 区间端头素混凝土桩加 固设计 段 锋 ， 赵士兵 一， 张燕婷 ( 1 安徽理工大学土木建筑学院， 安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ； 2 中煤矿建公司， 合肥2 3 0 6 0 1 ) 摘要： 为了防止盾构机进出洞时受到扰动的土体发生塌陷或致使地表下沉， 需对盾构端头进行加固以保证土体稳 定。以北京地铁 l O号线 0 5标段石榴庄站至 大红 门站盾构 区间端 头加 固为 实例 ， 介绍 素混凝土桩加 固方法 ， 并采 用 有限元软件 A n s y s 建立素混凝土墙模型， 对加固后的洞门进行稳定性验算。结果表明， 在卵石层中采用素混凝土桩 加 固可满足工程质量要 求。 关键词： 盾构区间； 端头加固； 素混凝土桩； 土压力； 稳定性 文章编号： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 1 0 4 0 5 中图分类号： U 4 5 9 2 文献标识码： B De s i g n f o r Re i n f o r c e me n t Pla i n Co n c r e t e Pi le s a t E n d s o f Sh i e l d l n t e r v a l s a t P e b b le Z o n e DUAN F e n g ，ZHAO S h i b i n g。 一 ， ZHANG Ya n t i n g 城市地铁修建中， 隧道盾构机在进出洞时 ， 由于 构筑的竖井或盾构井 的井壁外侧 土体 受扰动而松 动 ， 加上洞门拆除作业中的机械振动 ， 井壁外侧土压 力会急剧增大。若前方土体加 固不 当， 强度不够 ， 洞 门打开后会存在涌水 、 塌方 、 地表沉降 ， 甚至工作井 坍塌等安全隐患 ， 发生严重事故。因此 ， 为了避免因 变形 、 地表沉降致使构筑物和埋设物受损 ， 必须对盾 构始发端头进行加 固， 且加固土体必须达到一定的 力学强度 ， 以免发生破坏 ， 确保工程质量和施工顺利 进行 一 。 本文研究 目的是通过理论分析与现场实例相结 合的方法 ， 研究处于卵石地带的北京地铁 1 0号线 2 期工程 0 5标段石榴庄站至大红 门站盾构区间端头 加固的方法 ， 并对采用的方法进行稳定性验算 ， 通过 工程实例 ， 使该种方法在 同类工程 中得到推广。 1 工程概 况 1 1 工程简介 北京地铁 1 0号线 2期工程 0 5标段包括 1站 2 区间， 即大红门站 、 石榴庄站一大红 门站 区间及大红 门站一 角门东站区间。其中石榴庄路一大红门站区 间主要敷设在规划 的石榴庄路下方 ， 与石榴庄路基 本平行 ， 呈 东 西 向布置。区 间起讫 里 程 ： 右 K 3 2 + 2 1 4 2 5 1 K 3 3+ 2 9 3 1 3， 长 1 0 7 5 8 6 5 m； 左 K 3 2 + 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 2 0 5 作者简介 ： 段锋( 1 9 8 7 一 )， 男， 四川省威远县人 ， 在读研究生 2 1 4 2 5 1 K 3 3 + 2 9 3 1 3 ， 长 1 0 7 5 8 6 5 m。按 照工 程 筹划 ， 石榴庄一大红 门区间盾构在石榴庄站西端始 发， 在大红门站 东侧接收。本 区间端头所处地质复 杂， 如何在盾构进 出洞时进行盾构 区间端头加固是 本工程的难点。 1 2工程地质水文 石榴庄站西端加固区域地质状况从上至下可以 分为 3层 ： 第 1层为人 工堆 积层 ， 标高 为 3 8 6 0 3 3 4 0 m， 成分主要有杂填土 、 砂质粉土 、 粘质粉土与 冲填土 ； 第 2层为新近沉积层 ， 标高为 3 3 4 0 2 4 4 0 n l ， 成分主要有砂质粉土、 粘质粉土 、 粉细砂 、 卵石圆 砾及细中砂 ； 第 3层为第 四纪晚更新世冲洪积层 ， 其 中标高 2 4 4 01 8 8 0 m为粘土层 ， 其下 为卵石层 ， 如 图 1所 示 。 石榴庄 站西端加 固区域标高 2 5 2 1 51 3 2 1 5 m， 主要位 于粉土层 、 砂层 、 粘 土层 及卵石 圆砾 层。 加固区域的地下水主要有 2层潜水 ： 第 1层潜水分 布在第层卵石 圆砾层 中， 埋深约 1 3 0 m， 标 高约 2 4 8 1 m， 水量不大 ， 季节变化较明显 ； 但根据 目前石 榴庄站基坑开挖情况 ， 未见第 2层潜水分 布在第 层粘土层 中。 大红 门站东端加固区域 内土层 自上而下依次为 厚度不均的人工堆积渣土 、 素填土， 厚度较厚的新近 沉积粘性土 、 粉土 、 砂土及 卵石层 ， 再下面是第 四纪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第4期 段锋 ， 等 ： 卵石地带盾构 区间端头素混凝土桩加 固设计 1 0 5 沉积的粘性土、 粉土 、 砂卵石互层 ， 并 以砂土、 卵石土 为主。其中端头加 固区域主要位 于粉土 、 粘土及卵 石层。车站范围内含 2层地下水 ， 地下水类型为潜 水。但就 目前大红 门站降水井施工实际情况看 ， 没 见到第 1层潜水 ， 第 2层潜水深约 2 2 7 m， 在结构以 下 ， 且对结构没有影响。 2加固范围及施工方法选择 2 1加 固区域 按照所处地质水文条件 ， 本工程盾构端头加 固 长度始发段按 6 m、 接收段按 8 m考虑 ， 加固宽度均 按 1 2 m考虑 ， 加 固有效范 围为区间结构上 、 下 、 左 、 右切线外侧各 3 m。按照设计和施 工要求 ， 加 固后 土层无侧限抗压强度应达到 0 81 0 MP a ， 渗透 系 数不大于 1 1 0 一c m s ， 以保证盾构始发时洞门土体稳 定 ， 盾构安全顺利施工。盾构加固区域如图 2所示 。 单位 ：m 图 1 石榴庄站西端盾构端头井加 固区域 内地质水位示意 加固控制顶标 高 0 l _ o。 八 加 固控制底标高 单位 ：mm 图 2 盾构加 固区范围 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 6 公路交通技术 2 0 1 2丘 2 2施工方法 端头地层加 固方 法 很多 ， 包 括对既有地层 进行高压注水泥浆液 、 高压旋 喷桩 、 水泥搅拌桩 、 深 层搅拌桩和地层冻结等方法 ； 在围护结构外侧采用 浇筑素混凝土桩 、 素混凝土连续墙和板桩等 ； 用盾构 机直接掘削， 或对围护结构钢筋进行电蚀、 用玻璃纤 维筋来代替钢筋等 曲j 。 设计初期建议采用旋喷桩进行加 固， 同时强调 可以根据标段具体情况进行调整。从 目前北京地铁 1 4号线工程 陶然桥站一永定 门外大街站在盾构端 头加固中采用旋 喷桩方法所 反映的情况看 ， 有以下 2个主要 问题 ： 1 )旋喷桩在 卵石层 中施工 难度很 大 ， 甚至无法施工 ； 2 )施工质量无法保证 。 因此 ， 在盾构机推进过程 中， 为保证盾构机J 10 N 进洞 ， 建议将盾构井端头旋喷桩加固施工改为在端 头围护桩外侧进行素混凝土桩土体加固。素混凝土 桩法是在围护结构和衬砌外侧浇筑素混凝土桩 。若 采用这种方法 ， 在 围护结构端头墙破 除洞 门后可以 很好地继续维持 土体 的平衡 ， 从而保证盾构端头地 层土体 的稳定性。素混凝 土桩 自身强度较高， 能够 承受振动或扰动产生 的较大水土压力 ， 且加 固范围 小 ， 加 固效率高， 特别适用于地下地面交通繁忙 、 管 线密集 、 施工场地小和距离地面建筑物基础较近的 工程场地 。相对旋喷桩加 固， 其工程造价较低 。 3 素混凝土桩施工设计 3 1 洞f - 1 土压力计算 根据北京地铁 1 0号线工程资料 ， 石榴庄站和大 红门站洞 门埋深分别为 1 5 I n和 1 3 5 m。计算 中考 虑最不利因素 ， 洞门埋深取石榴庄站的数值 ， 取地面 标高 3 8 5 m， 洞门顶标高 2 3 5 m， 洞 门底标高 1 7 0 m， 洞门顶埋深 1 5 m， 洞 门底埋深 2 1 5 I T I 。计算时 采用洞门中线截面进行分析 ， 如图 3所示 。 隧 道 中 线 土压力 ( a )隧道洞 门及标高示 意 ( b)1 一 l 断面受力 单 位 ：m 图 3 隧道洞 门分析 总体上看 ， 洞门所处土层大多在砂卵层中， 故计算 时考虑最不利 因素 ， 即将洞 门土层 全部 简化成 位于砂 卵层 中。而从 目前 基坑 开挖 ( 石榴 庄站 ) 及 降水 井施 工 ( 大红 门站 ) 的具 体情况看 ， 地质勘 查 中的首层潜水 基本不存 在 ， 二层潜 水埋深 较深 ( 约 2 3 m) ， 对施 工影 响有 限 ， 所 以这 里计算 压力 时 ， 主要 考虑 土压 力 ， 不考 虑水压力 。 根据洞 门所 处位置 及土 的性 质 ， 本工程 土 压力采 用 郎肯土压力理论 计 算 ， 即 ： P =yh K 一 2 c ， ( 1 ) = t a n ( 4 5 。 _ )。 ( 2 ) 二 式 中 ， P 为土压力 ； 为土 体重度 ； h为土 体埋深 ； 为 土体内摩擦 角 ； c 为土体粘聚力 ； 为郎金理 论 的主动 土压力系数。 根据 地质勘查 报告 ， 将砂 卵层 土 的力学 性 质系数 取值如下 ： =1 9 k N m ， = 4 0 。 ， 由于 考 虑 为无 粘 性 土 ， 故 C = 0 。因此 ， 根据 以上数据计算 ， 得 K = 0 2 1 7 。 当洞门顶埋 深为 1 5 m 时 ， 土压 P ， ( 1 5 ) =1 9 1 5 0 2 1 7 = 6 1 8 4 5 k N m = 0 0 6 1 8 4 5 M P a ； 当洞门底埋 深 为 2 1 5 m 时 ： 土 压 P ( 2 1 5 ) = 1 9 2 1 5 X 0 2 1 7= 8 8 6 4 5 k N m = 0 0 8 8 6 4 5 MP a ； 整个 洞 门高 度 内单 位 长度总 主 动 土 压 力 ： E =1 2 T H 2 K =l 2 1 9 6 5 。 ( 1 2 1 7 = 8 7 1 k iN m ， 其作用点位于 H 3 处， 洞门高 日： 6 5 I n 。 3 2加固措 施及 要求 在盾构井 围护桩 外侧增 加素混 凝 土桩 ， 其数量 视 情况而定 。素混凝土桩单排 1 0 0 0 m m 1 2 0 0 m m梅 花型布设 ， 采用 C 1 5混凝 土。临近洞 门处 打设 1 排 ， 桩 心间距 1 2 in ( 经 验值 ， 桩 间距 1 21 6 i n ， 故取 1 2 1T I ) 。为保证加 固效果 ， 大红 门站盾 构井外 侧维 护桩 的 主筋拟采用玻璃纤维筋， 其长度为 1 2 m( 结构上下各 3 1T I ) ； 盾构 机进 洞 时 直接 掘 进 ， 不再 对 洞 门进行 破 除 。 空桩部分待浇筑完成后进行 回填 。素混凝 土桩 的布置 形式及数量需根据加 固施工环境进行针对性设计 。 图 4 素混凝 土桩加 固平面布置 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第4期 段锋 ， 等 ： 卵石地带盾构 区间端头素混凝土桩加 固设计 1 0 7 石榴庄站西端端头井为盾构始发井 ， 加 固区域 内有 4眼车站的降水井 ， 距加固区域外边缘约 1 0 i n 处为北京地铁 1 0号线 2期 0 3标段的项 目经理部 ， 加固区域： l U g s 紧靠居 民区， 因此施工中必须避免扰 民。经综合考虑 ， 确定施工 中拟在紧邻车站端头井 侧墙布设 2排素混凝 土桩 ： 桩径 1 0 0 0 m m， 桩心距 1 2 0 0 mm， 单线 2 5个 ， 左 右线共 计 5 0个 ， 桩深 约 2 3 5 m， 其 中自地面以下约 1 0 I n为空桩 ， 平面布置 如图4所示 。 大红门站东端端头井是盾构接收井 ， 加 固区域 距围挡线约 1 1 1 13 ， 且 紧邻加 固区域有 1条 2 6 mX 2 7 I n的污水方沟 ， 同时加 固区域 内及附近也有多 条管线通过， 且加固区域北侧是凉水河 ， 施工时必须 确保安全 。考虑到上述 因素 ， 拟布设 2排素混凝土 桩 ： 桩径 1 0 0 0 IT l m， 桩心距 1 2 0 0 m m， 桩深约 2 3 m； 右线受污水方沟的影响布置 1排 、 9根桩 ； 左线布置 1 排 、 1 1 根桩 ， 共计 2 0根桩。 根据 G B 5 0 1 5 7 -2 0 0 3 ( 地铁设计规范 和G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ( 混凝土结构设计规范 J ， C 1 5混凝土 的标准轴心抗压强度 F =1 0 MP a 。根据经验 ， 混 凝土的抗剪强度 F =( 0 0 6 0 1 ) F ； 本文考虑最 不利数值 ， 取 F =0 0 6 F ， 即 F =0 0 6 1 0=0 6 MP a ； 且标准轴心抗拉强度 F =1 2 7 MP a 。 3 3 素混凝土桩稳定性验算 素混凝土桩稳定性验算主要为强度验算， 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 ， 抗剪 、 抗弯强度要满足设计要求。本素混凝 土桩加 固工程拟采用有 限元计 算 ， 且采用 C 1 5混 凝土 ， 按 照上述土压力计算结果建立模型。素混凝土连续墙 采用固体单元模拟 ， 6 4 IT I ( 隧道洞门直径为 6 3 i n ) 直径范围以外按全部支撑 约束 ， 直径范 围内为 自由 面， 素混凝土墙各边为 自由约束 ， 结构计算模型如图 5所示 。验算时 ， 将桩体与洞 门结构简化成一 简支 梁结构 ， 取洞 门长度范围内桩体进行验算。 图 5 有 限元计算模型 3 3 1 抗剪强度验算 采用模型分析和数值计算相结合 的方法 ， 考虑 最不利因素 ， 将 简化后简支梁承受的荷载简化为均 布荷载 ， 取 q 。 =E 。 =8 7 1 k N m， 其 中 g 为均 布荷 载 ， E 为单位长度总主动土压力。简化后 的结构受 力如图 6所示 。 ( a )简化后 的简支梁承受均布荷载 = E a = 8 7 1 k N m ( b)均布荷 载下弯矩 ( e )均布荷载 F 剪力 图 6 结 构受力 示意 在均布荷载作用下 ， =1 2 q 。 H=1 2 x 8 7 1 X 6 5 1 0 0 0 = 0 2 8 3 MP a ， 其 中 为最大剪力 ； H为 洞 门高 ， 即简支梁长且 日= 6 5 I n 。 因 T m a x F = 0 6 MP a ， 因此抗剪强度满足要求。 3 3 2 抗弯性能验算 在均布荷载 q 。 =8 7 1 k N m作用 下， 产生最大 弯矩 为： M =1 8 q 。 Z 。 ( 3 ) 代 人 数 据 得 ： M =1 8 X 8 7 16 5 =4 6 0 k N m。在此荷载下的挠度 是 ： Wm = 5 q l 3 8 4 E I。 ( 4 ) 且弹性模量 E和惯性矩 ， 分别为 ： E=1 0 ( 2 2 + 3 4 7 F )， ( 5 ) ， ： ,r r D 6 4。 ( 6 ) 其中标准轴心抗压强度 =1 0 MP a ， 取桩径 D=1 1 1 3 ， 得 = 2 3 mm； 且极限应力 与最大弯 矩 和最大挠度 有如下关系 ： o r = Wm 。 ( 7 ) 于是 ， 代人数据得 = 4 6 0 ( 2 3 x 1 0 3 ) =0 2 MP a F =1 2 7 MP a ， 显然抗弯性能满足要求。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 8 公路交通技术 2 0 1 2年 4结论 1 )盾构区间端头加固方法很多 ， 需根据工程具 体地质情况及施 工条件等 因素来选择 ， 以保 证工程 质量及工程施工顺利进行 。 2 )素混凝土桩在盾构 区间端头加固的应用很 好地解决 了高压旋喷桩法用于卵石层中加固所遇到 的问题 ， 对同类工程具有参考意义。 3 )采用素混凝土桩加 固方法 ， 加固后的抗剪强 度和抗弯性能均满足盾构进 出洞要求 ， 工程质量可 得到保证 。 参 考 文 献 1 张凤祥 ， 朱合华 盾构隧道 Mj 北京： 人民交通出版 社 ， 2 0 0 4 孙魁 盾构区间端头地层的水平加固技术 J 科技 资讯 ， 2 0 0 8 ( 1 9 ) ： 7 7 7 8 周文波 盾构法隧道施工技术及应用 M 北京 ： 中国 建筑 工业 出版 社 ， 2 0 0 4 潘茜， 王丽丽 盾构区间端头加固的设计探讨 J 山西建筑， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 3 4 5 3 4 6 朱学银， 李章林 越江隧道盾构段施工技术综述 J 现代交通技术， 2 0 1 l ， 8 ( 6 ) ： 5 7 5 9 胡新朋， 孙谋 软土地区地铁盾构施工端头土体加 固要求探讨 J 隧道建设 ， 2 0 0 6， 2 6 ( 5 ) ： 1 1 1 3 李广信 高等土力学 M 北京： 清华 大学 出版社， 2 00 4 北京城建设计研究总院 G B 5 0 1 5 7 -2 0 0 3 地铁设计 规范 S 北京： 中国计划出版社， 2 0 0 3 中国建筑科学研究院 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混凝土结构 设计规范 S 北京： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 2 0( )0 () 00： )0 00() oo0o0 - oo () o00夺 0 。( o( 00 ( 上接 第9 9页) 2 孙松 ， 徐瑞霞 级配碎石过渡层在旧水泥路面加铺 5 结语 从试验分析可 以看 出 ， 卷材类 和 MMA防水粘 结层具有 良好 的疲劳特性 和延缓裂缝 扩张的能力 ， 但在同样铺装 5 c m沥青混合料 的情况下 ， MMA防 水层 的抗裂效果明显好于卷材。环氧碎石类 、 A MP 一 1 0 0和 S B S改性 沥青 防水粘 结层 的抗疲 劳能力较 差 ， 阻裂作用不明显 ， 因此 ， 建议根据桥梁的防水等 级选用防水粘结层， 对于大桥 、 特大桥优先选用 M MA 防水粘结层。 参 考 文 献 1 李丹雷， 孔笑 对沥青混合料疲劳性能研究 J 中 国科技博 览 ， 2 0 1 1 ( 2 7 ) ： 5 6 6 0 沥青层中防裂机理分析 J 科技探索， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 1 3 0 王晓琴， 赵 岩 桥面防水粘结材料关键指标对 比试 验研究 J 公路与汽运， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 1 4 9 1 5 1 赵俐， 高爽 沥青混合料疲劳损伤机理研究 J 交通标 准化 ， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 9 - 1 1 周庆华 9 0 。 剥离仪在评价桥面防水材料疲劳性能方面 的应用 J 现代交通技术 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 6 7 6 9 裴建中 桥面柔性防水材料技术性能研究 D 西安： 长安大学 ， 2 0 0 1 张军伟， 韩杰 水泥混凝土桥面铺装层病害分析及 防治措施 J 山西建筑 ， 2 0 0 7 ( 1 6 ) ： 3 2 0 3 2 1 王娟 水泥混凝土桥 面沥青 昆凝 土铺装 防水粘结 层 的性能研究 D 南京： 东南大学 ， 2 0 0 4 李新杰， 侯卫红 高速公路沥青混凝土路面水损研究 J 四川兵工学报 ， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 1 2 7 1 2 8 1 j 1 j 1 J 1J 1 j 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m