蘭州地鐵穿越黃河段盾構(gòu)隧道施工注漿壓力研究

李春清，梁慶國(guó)，馬曉波

(1.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070;2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

國(guó)內(nèi)外大多數(shù)位于透水地層(如砂、砂礫地層)中且處于河(海)底下的隧道均采用泥水加壓式盾構(gòu)施工，其施工經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)成熟。泥水加壓式盾構(gòu)適應(yīng)范圍廣，對(duì)于軟弱的淤泥質(zhì)土層、松動(dòng)的砂土層、砂礫層、卵石砂礫層、砂礫和堅(jiān)硬土的互層等均適用，如上海延安東路復(fù)線隧道、日本神田川地下調(diào)節(jié)池隧道、日本隅田川復(fù)線、日本東京污泥處理廠連接隧道等均是采用較大直徑泥水加壓式盾構(gòu)施工［1］。由于蘭州地鐵穿越黃河段地層主要由上下兩層卵石構(gòu)成，因此，蘭州地鐵也擬采用泥水平衡盾構(gòu)法施工，圍巖注漿擬采用同步注漿。因此，確定合理的注漿壓力是保證圍巖穩(wěn)定和施工安全的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

1 工程概況

蘭州地鐵穿越黃河共有2段，分別為奧體中心—世紀(jì)大道區(qū)間和迎門(mén)灘—馬灘區(qū)間。在這兩個(gè)區(qū)間的鉆探結(jié)果表明，穿越黃河段地層主要有上下兩層卵石構(gòu)成。其中，奧體中心—世紀(jì)大道區(qū)間2～10卵石層平均厚度12.165 m，卵石含量約55% ～60%，3～11卵石層平均厚度28.568 m，卵石含量約55% ～70%;迎門(mén)灘—馬灘區(qū)間2～10卵石層平均厚度7.18 m，卵石含量約50% ～55%，3～11卵石層平均厚度34.54 m，卵石含量約55%～60%。

2 注漿目的

盾構(gòu)施工中壁后注漿的目的包括4個(gè)方面:①控制隧道周邊地層松動(dòng)，防止地層較大位移及坍塌;②穩(wěn)定已拼裝成形的管片，使作用于管片上的油缸推力順利傳遞至地層中;③作為隧道防水系統(tǒng)的第一道屏障，防止地下水滲流到隧道內(nèi)部;④作為隧道襯砌結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)層，使其具有耐久性和一定的強(qiáng)度［2-3］。

3 注漿壓力

3.1 注漿壓力的經(jīng)驗(yàn)值

注漿壓力必須克服地下水壓力、土壓力及管道的摩阻力才能將漿液壓注到盾尾空隙中，一般來(lái)說(shuō)壓力越大，襯砌與地層之間的空隙充填越密實(shí)，四周地層越穩(wěn)定。但是注漿壓力又不能過(guò)大，否則會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題:①大壓力對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生劈裂注漿，更容易損壞盾尾密封;②壓力過(guò)高會(huì)影響開(kāi)挖面的穩(wěn)定，也使地層隆起甚至漿液上竄至地面;③施工期間對(duì)襯砌管片的受力不利;④在注漿孔單一的情況下，易引起接頭部位破壞;⑤危及防水性能發(fā)揮。注漿壓力的最佳值應(yīng)在綜合考慮地質(zhì)條件、管片強(qiáng)度、設(shè)備性能、漿液特性和開(kāi)挖面土艙或泥水壓力的基礎(chǔ)上來(lái)確定。

日本盾構(gòu)施工的經(jīng)驗(yàn)表明，注漿壓力一般在200～400 kPa，應(yīng)考慮管片強(qiáng)度、土壓力、水壓力、泥水壓力等，設(shè)定能完全充填的壓力。若注漿孔的壓力達(dá)到400～600 kPa，混凝土管片會(huì)發(fā)展開(kāi)裂或K管片發(fā)生螺栓剪斷［4-5］。國(guó)內(nèi)盾構(gòu)隧道工程實(shí)踐中，為了保證盾尾空隙得到充分填充，曾特意盡可能用較高壓力進(jìn)行注漿，但是也出現(xiàn)過(guò)螺栓斷裂甚至管片從頂部墜落的事件。

國(guó)外有關(guān)學(xué)者對(duì)盾構(gòu)注漿壓力與地表沉降量之間關(guān)系的研究表明:當(dāng)注漿壓力相當(dāng)于隧道埋深處的地層應(yīng)力時(shí)，對(duì)減少地層損失和地表沉降量效果最為顯著。實(shí)踐中可大致選擇注漿壓力等于地層阻力強(qiáng)度(壓力)加上0.1～0.2 MPa，地層阻力強(qiáng)度因土層條件(土質(zhì)的種類、土壓力、承壓水壓等)及切削條件(泥水或泥水壓力等)的不同而不同，通常為0.1～0.3 MPa。另外，與先期注入壓力相比，后期注入壓力要比先期注入壓力大0.05～0.1 MPa。一般采取的是設(shè)定一個(gè)稍微偏高的注漿壓力并同時(shí)進(jìn)行注入量的控制。上海地鐵盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)表明，注漿壓力按1.1～1.2倍的靜止水土壓力取值，通常為0.3～0.4 MPa。

王夢(mèng)恕院士則認(rèn)為:注漿壓力一般是根據(jù)開(kāi)挖面的圍巖及埋深情況計(jì)算的水土壓力來(lái)確定，但還需根據(jù)盾構(gòu)施工的實(shí)際條件確定注漿壓力。施工時(shí)的注漿壓力一般為0.1～0.3 MPa，有時(shí)為了減少地表沉降，采取較高的注漿壓力，對(duì)此要特別加以注意，并應(yīng)考慮對(duì)隧道周邊的軟弱圍巖的擾動(dòng)從而產(chǎn)生的固結(jié)沉降［6］。國(guó)內(nèi)其它類似卵石地層和水底隧道采用泥水盾構(gòu)施工時(shí)采用的注漿壓力及其相關(guān)參數(shù)匯總?cè)绫?。

表1 國(guó)內(nèi)部分工程泥水盾構(gòu)注漿參數(shù)匯總

3.2 注漿壓力計(jì)算方法

注漿壓力應(yīng)在綜合考慮地質(zhì)條件、盾構(gòu)機(jī)型、管片強(qiáng)度、注漿材料特性、地層沉降機(jī)理等情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇。泥水平衡盾構(gòu)同步注漿壓力理論中，國(guó)外多傾向于取孔隙水壓力+200 kPa左右，國(guó)內(nèi)多取為開(kāi)挖面水土壓力+20 kPa左右，而土壓力計(jì)算的理論公式及壓力類型的選擇每個(gè)工程不盡相同［5］。從表2中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值看，北京地鐵的經(jīng)驗(yàn)是在泥水壓力的基礎(chǔ)上增加30～50 kPa，而其余工程則給出絕對(duì)數(shù)值在300～600 kPa之間，范圍跨度較大，難以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值給出適合蘭州地鐵工程地質(zhì)條件和工程實(shí)際情況的合理數(shù)值，需要通過(guò)理論計(jì)算結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)予以確定。

圖1 水壓力與總壓力相對(duì)比例

表2 注漿壓力計(jì)算結(jié)果(c=0)

地鐵隧道埋深一般在10～20 m，采用太沙基的土壓力計(jì)算方法較為合理［5，7］。

3.3 注漿壓力計(jì)算結(jié)果及分析

若取隧道拱頂距河床底部的距離分別為15，18，21，24和25 m，河水位取歷史最高水位9 m，隧道直徑D取6.0 m，襯砌厚度為0.25 m。由于襯砌厚度對(duì)結(jié)果影響甚小，計(jì)算時(shí)可不考慮。

圖1為圍巖黏聚力不同的情況下孔隙水壓力占總壓力的比例。從圖1可以看出，隨著黏聚力c的增大，孔隙水壓力占總壓力的比例也在增大;埋深增大時(shí)，孔隙水壓力的相對(duì)比例也在增大。對(duì)于埋深為24 m的情況，頂部孔隙水壓力占總壓力比值可達(dá)87%以上，而底部也超過(guò)了85%以上。

根據(jù)太沙基理論水土分算的總壓力主要由水壓力組成，其比例至少在85%以上，這也為日本學(xué)者H.Mashimo的實(shí)測(cè)結(jié)果所證實(shí)，因此他們認(rèn)為對(duì)于這種情況下的隧道襯砌受力，可只需考慮靜水壓力［7］。

圖2 隧道側(cè)向總壓力

圖2為不同黏聚力時(shí)隧道拱頂和底部側(cè)向總壓力。由圖可知，黏聚力的影響很小，且隨著黏聚力的增大，側(cè)向壓力呈降低趨勢(shì)，但數(shù)值變化極小;而埋深則影響較大。埋深15 m時(shí)頂部側(cè)向壓力約270 kPa左右，底部則為350 kPa左右;埋深24 m時(shí)頂部側(cè)向壓力約為370 kPa左右，底部則為450 kPa左右。

3.4 建議注漿壓力

1)考慮到埋深15 m和24 m時(shí)隧道頂部豎向壓力PV分別約為136.3 kPa和180.0 kPa。若按照太沙基理論考慮總土壓力的方法，在靜水壓力的基礎(chǔ)上，參考北京地鐵的經(jīng)驗(yàn)值，提高30～50 kPa左右即可。

2)若按照僅考慮水壓力模型的方法，埋深15 m時(shí)，隧道拱頂和底部的靜水壓力分別為235 kPa和295 kPa;埋深25 m時(shí)，拱頂和底部的靜水壓力分別為335 kPa和395 kPa。可在此基礎(chǔ)上增加30～50 kPa作為注漿壓力。

3)表2中的結(jié)果是按黏聚力c=0的情況計(jì)算的，是較為保守的算法。參數(shù)敏感性分析的結(jié)果也說(shuō)明，黏聚力對(duì)土壓力的影響相對(duì)較小，所以建議注漿壓力可取兩種方法計(jì)算結(jié)果的平均值。

兩種情況下的建議注漿壓力如表3，同時(shí)建議根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)以及施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋信息不斷調(diào)整注漿壓力參數(shù)，以期取得更好的注漿效果。

表3 建議注漿壓力 kPa

4 結(jié)論

1)在注漿壓力與隧道埋深處地層應(yīng)力持平的情況下，按照太沙基土壓力計(jì)算方法確定的總土壓力以水壓力為主，所占比例與日本學(xué)者實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近。說(shuō)明在類似地層中的注漿壓力確定主要應(yīng)考慮平衡處的孔隙水壓力。

2)參數(shù)敏感性分析的結(jié)果說(shuō)明，黏聚力對(duì)土壓力的影響相對(duì)較小，所以建議注漿壓力可取兩種方法計(jì)算結(jié)果的平均值。

3)在隧道埋深15 m時(shí)拱部和底部的注漿壓力分別為340 kPa和430 kPa，而埋深25 m時(shí)拱部和底部的注漿壓力分別為420 kPa和520 kPa。

管片后注漿施工中，為控制注漿效果和質(zhì)量，應(yīng)對(duì)注入壓力和注入量這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，宜采取以設(shè)定注入壓力為主，兼顧注入量的方法進(jìn)行注漿試驗(yàn)，以確定合理的注漿參數(shù)。

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