水工隧洞軟弱地基采用鋼桁架頂進盾構(gòu)技術(shù)的實踐與探討

劉競東

(梅州市市政建設(shè)集團公司，廣東 梅州 514021)

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水工隧洞軟弱地基采用鋼桁架頂進盾構(gòu)技術(shù)的實踐與探討

劉競東

技術(shù)論壇

(梅州市市政建設(shè)集團公司，廣東 梅州 514021)

隨著近年來我國大型水利基礎(chǔ)設(shè)施項目投入不斷加大，特殊地質(zhì)條件下的技術(shù)難題往往會對整個項目的進度造成較大的制約。文章從理論與實踐兩方面對某水利工程位于粉質(zhì)壤土軟基區(qū)域內(nèi)的水工隧洞采用鋼桁架頂進盾構(gòu)技術(shù)方案進行了較詳細的分析和總結(jié),為類似工程提供了可借鑒的經(jīng)驗。

水工；隧洞；盾構(gòu)技術(shù)；實踐

水工隧洞為水利樞紐工程重要的組成部分。水利工程由于受開發(fā)條件限制，大多建設(shè)在水文地質(zhì)條件復(fù)雜、環(huán)境惡略的地方，這種特殊地質(zhì)條件下的技術(shù)難題往往會對整個工程項目的建設(shè)進度造成極大的制約，因此，水工隧洞建設(shè)施工技術(shù)方案也受到了眾多投資者和技術(shù)人員的關(guān)注。

1　工程概況

某水利樞紐工程包含位于粉質(zhì)壤土軟基區(qū)域內(nèi)的輸水隧洞一條，洞身段長600m，進口底板高程110.5m，出口底板高程94.0m，縱坡為2.09%。隧洞圍土(頂拱)地質(zhì)情況主要為alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土，土質(zhì)均一，呈可塑狀，局部呈軟塑狀，土體強度低，洞室穩(wěn)定性差；部分區(qū)段為al+plQ2粉質(zhì)壤土，粉質(zhì)壤土呈可塑～軟塑狀，洞室穩(wěn)定性較差。

經(jīng)實際觀測施工區(qū)內(nèi)地下水位140～113m，比隧洞底板高約19～29.5m。黃土狀粉質(zhì)壤土(alQ3)滲透系數(shù)為1.0×10-5cm/s～1.0×10-4cm/s，具弱透水性。隧洞出口為al+plQ2古土壤層和粉質(zhì)壤土層，滲透系數(shù)分別為1.0×10-7cm/s～1.0×10-6cm/s和1.0×10-6cm/s～1.0×10-5cm/s，具弱透水性。

表1　水工隧洞土體主要物理力學(xué)指標(biāo)

隧洞襯砌后斷面為帶仰拱的城門洞型，斷面凈空尺寸4.20m×5.80m(寬×高)，底板混凝土襯砌厚度為60cm，邊頂拱混凝土襯砌厚度50cm。

圖1水工隧洞設(shè)計斷面

2　鋼桁架頂進盾構(gòu)法技術(shù)方案分析研究

2.1采用鋼桁架頂進盾構(gòu)技術(shù)的必要性

該工程的地下水位高于隧洞洞頂，出口端水位高于洞頂約7～13.5m。工程前期階段采取了洞外深井降水等措施，水位觀測結(jié)果顯示，6個月內(nèi)，進口側(cè)地下水位下降速度評均約1.5cm/d，出口側(cè)地下水位下降速度平均約0.7cm/d，并呈逐漸下降趨勢，地下水位下降是一個極其緩慢的過程。工程進口面降水滿足開挖需要需水位低于頂拱3m，按上述1.5cm/d速率則需7個月，按照水位最高部位計算，還需降16.5m，按1.5cm/d有效速率，僅工程區(qū)域內(nèi)的降水則需3～5a的時間。

按此分析，僅采用常規(guī)的先降低地下水位，再進行開挖襯砌施工的工藝，降水所需要的時間遠遠不能滿足開挖需要，對工程總工期也造成嚴重制約，必須考慮采用特殊工藝解決技術(shù)難題。

2.2盾構(gòu)法可行性分析

通過相關(guān)技術(shù)人員對國內(nèi)高地下水位黃土地質(zhì)水工隧洞的施工方法進行了檢索，多數(shù)采用了盾構(gòu)法施工。

盾構(gòu)機的基本工作原理就是一個圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進邊對土壤進行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護盾，它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時支撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護盾的掩護下進行。由于盾構(gòu)機的直接支撐作用，從而從根本上解決了傳統(tǒng)開挖過程中，黃土層臨空后不能及時封閉而產(chǎn)生的掉塊、土壓力緩慢增大等問題，施工進度和安全保證度得以大幅提高。

以陜西省渭南市洛惠渠5#隧洞為例，該洞最初采用礦山法施工，3年僅完成360m，且多次發(fā)生安全事故，而后改用開敞式盾構(gòu)法施工，日均進度達到1.5～2m，施工進度快，安全有保障。

在甘肅引洮工程中，存在飽和黃土隧洞，甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院為此進行專題研究，結(jié)果表明：以飽和黃土為圍巖的隧洞的施工設(shè)計就應(yīng)充分考慮圍巖的特殊的工程地質(zhì)特性，在施工方法上應(yīng)采用盾構(gòu)等施工工藝，從而使工程更安全、更經(jīng)濟。

本工程地處山區(qū)，線位上允許建造用于盾構(gòu)進出洞和出碴進料的工作井， 隧道覆土深度宜大于6m， 隧道區(qū)段為al+plQ2古土壤層和粉質(zhì)壤土層，具有相對均質(zhì)的地質(zhì)條件；隧道與其它建(構(gòu))筑物之間具有足夠間距，連續(xù)的施工長度≥600m，符合經(jīng)濟性要求；該隧洞采用盾構(gòu)機可行。

2.3水工隧洞的力學(xué)環(huán)境分析

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(SL279—2002)，隧洞支護結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)結(jié)構(gòu)橫向主要荷載為圍巖壓力，襯砌結(jié)構(gòu)還需考慮結(jié)構(gòu)自重。

圍巖壓力主要取決于圍巖的地質(zhì)條件和力學(xué)特征、初始應(yīng)力、地下水、埋深和幾何形狀、開挖方法、襯護時間等。《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》及鐵路、公路相關(guān)設(shè)計規(guī)范推薦確定圍巖壓力的方法為松散介質(zhì)理論。

圖2　垂直山巖壓力受力圖

2.3.1頂部垂直荷載

松散介質(zhì)理論視巖體為具有一定的凝聚力的松散介質(zhì)，在洞室開挖后，由于巖體失去平衡形成“坍落拱”，拱處的圍巖仍保持平衡，拱內(nèi)巖塊重量就是作用在結(jié)構(gòu)上的垂直荷載。

坍落拱高度：

(1)

式中：B為隧洞開挖寬度；H為隧洞開挖高度；f為巖石堅固系數(shù)，查《隧洞》P54表3-2，軟的黃土，取0.6；φ為土體內(nèi)摩擦角，根據(jù)地勘報告，粉質(zhì)壤土22.6°。

垂直荷載q=γh(平頂)，q=0.7×γh(曲線形頂拱)，γ=20kN/m3。

2.3.2水平荷載

簡化為均勻側(cè)向水平荷載e=(e1+e2)/2。

2.3.3底部垂直荷載

3　鋼桁架頂進盾構(gòu)技術(shù)分析及實施措施

3.1鋼桁架頂進式盾構(gòu)技術(shù)方案說明

本方案以現(xiàn)有洞斷面為基礎(chǔ)設(shè)計，掌子面處布置開敞式盾構(gòu)機，先在盾殼內(nèi)組裝工字鋼，并與后部已噴護支撐使用工字鋼連接，之后盾構(gòu)機向前頂進一榀距離，待盾尾圍土出露后即噴射混凝土封閉，隨后安排開挖出土及下一循環(huán)施工。工字鋼規(guī)格選用Ⅰ20a型工字鋼(縱向連接仍使用Ⅰ16)，每榀距離控制為0.7m，工字鋼內(nèi)安裝φ6@200鋼筋網(wǎng)，噴0.25m厚C20混凝土。

盾構(gòu)機頂進時，以已完成的永久混凝土襯砌為最終受力點，在盾尾與混凝土襯砌間設(shè)置可組裝的鋼桁架傳力結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)機頂進1榀后，液壓千斤頂回縮，在千斤頂背后安裝1榀鋼桁架，進行下一次頂進。當(dāng)頂進總長度達到10m(初次頂進需達11m)，停止隧洞開挖支護，轉(zhuǎn)而拆除盾構(gòu)機后鋼桁架，安排底板及邊墻混凝土襯砌，混凝土澆筑成型3d后可恢復(fù)開挖支護，頂拱混凝土襯砌可與前方開挖支護平行進行。

圖3　鋼桁架頂進方案圖

注：盾殼厚5cm，設(shè)計推力1000t。

應(yīng)用本方案，施工階段如下所述：

洞內(nèi)擴挖(45d)→盾構(gòu)機組裝(30d)→開挖支護(10m，約7d)→拆除鋼桁架(1d)→底拱及邊墻襯砌(10m，約4d)→混凝土等強(3d)→下一段開挖支護及混凝土襯砌

具體到盾構(gòu)機開挖支護階段，施工流程如下：

盾殼內(nèi)工字鋼拼裝(2.5h)→鋼桁架安裝(1h)→盾構(gòu)機頂進(1h)→混凝土噴護(2.5h)→開挖出土(5h)→下一循環(huán)。

3.2鋼桁架頂進式盾構(gòu)機的技術(shù)設(shè)計

3.2.1盾構(gòu)盾尾強度計算

1)盾構(gòu)殼體載荷

按2.3節(jié)公式，B=5.9m，H=7.6m，坍落拱高度h=13.36m，為保證盾構(gòu)可靠度，h按19.5m考慮。

頂部垂直荷載按q=270KN/m2。

頂部水平荷載e1=105.8kN/m2

底部水平荷載e2=158.8kN/m2

底部垂直荷載q2=158.8kN/m2

2)盾構(gòu)殼體有限元網(wǎng)格劃分

盾構(gòu)殼體應(yīng)力按有限元法進行分析，盾殼受力及網(wǎng)格劃分如下圖所示。

圖4盾殼受力及網(wǎng)格劃分圖

3)應(yīng)力分析

盾構(gòu)殼體最大應(yīng)力為120N/mm2，<鋼板設(shè)計強度210 N/mm2。盾構(gòu)殼體位移分布如圖所。最大位移為0.9cm。最小安全系數(shù)為1.787。

圖5　盾構(gòu)殼體圖

3.2.2盾構(gòu)推進力計算

盾構(gòu)推進力主要考慮盾構(gòu)殼體與土體摩擦力F1和盾構(gòu)切口環(huán)切入土體阻力F2。

在黏性土中：

F1=BLC

(2)

式中：B為盾構(gòu)殼體周長，m；L為盾構(gòu)殼體長度，m；C為土體內(nèi)聚力，kN/m2；F1=BLC=5393kN

土體壓力(20kN/m3，60m計算)：

20×60=200kN/m2=1200KPa

切口插入土壤的貫入時外周阻力

F2(l×L×C)+[l×0.05×1200]=2971 kN

F2=(23×0.5×42.8)+

[(23+5.9+7.6)×0.05×1200]=2971 kN

l厚度×P=2190kN

(3)

式中：l為貫入面周長長度，m；T為刃腳貫入深度，0.2m；kP為被動土壓力系數(shù)，0.4；Pw為作用在盾構(gòu)上的平均土壓，kPa；F=F1+F2=8364kN

綜合以上計算，推力取10000KN。

3.2.3推進液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓缸取200/110～800mm，系統(tǒng)壓力300bar，液壓缸個數(shù)14個。

單只液壓缸推力為：

(4)

所有液壓缸總推力：

942×14=13188>10000

滿足工程要求。

3.2.4推進液壓系統(tǒng)分區(qū)控制

在掘進施工中，盾構(gòu)機需要按照指定的路線軸向前進，但整個盾構(gòu)盾體受到地層的阻力往往不均，使盾構(gòu)的掘進方向發(fā)生偏離，這就需要通過協(xié)調(diào)精確控制推進液壓缸來實現(xiàn)盾構(gòu)的糾偏，達到盾構(gòu)沿設(shè)計路線軌跡推進的目的。

盾構(gòu)進行曲線推進時，有時要左右擺動、有時要前傾、有時要后仰或向其復(fù)合方向上的掘進，這也需要通過協(xié)調(diào)精確控制液壓缸來實現(xiàn)。由于一般的推進系統(tǒng)液壓缸數(shù)量比較多，每個油缸都進行單獨控制較為復(fù)雜且成本高，可采用分區(qū)控制，即將為數(shù)眾多的推進液壓缸按圓周均勻分成幾區(qū)，對每區(qū)推進液壓缸分別進行控制。這樣既可以節(jié)約成本、減少控制復(fù)雜程度，又可以達到盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整、糾偏的精確控制的目的。

本系統(tǒng)根據(jù)需要分為4個區(qū)，分別為紅藍綠黑四個區(qū)，可以分別控制4個分區(qū)的推力的大小，從而調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。見圖6所示。

圖6推進液壓系統(tǒng)分區(qū)控制圖

3.2.5推進系統(tǒng)后靠

推進系統(tǒng)后靠由多個成U型結(jié)構(gòu)的鋼管片組成，上端通過槽鋼進行連接成框架結(jié)構(gòu)。鋼管片寬5m，長度為0.6m。總后靠長度為10m。10：5=2沒有壓桿穩(wěn)定性問題。后靠系統(tǒng)穩(wěn)定。

3　小　結(jié)

本方案盾構(gòu)機頂進時，推力最終作用在已澆筑的永久混凝土襯砌上，而受鋼桁架自身能力所限，頂進長度達10m即需停止開挖，安排混凝土襯砌，待混凝土達到強度后方可繼續(xù)頂進。開挖支護與混凝土襯砌工序表現(xiàn)為依次作業(yè)，施工環(huán)節(jié)較多，施工速度平均可達到20m/月。

由于盾構(gòu)機本身為封閉的鋼殼體，可有效限制圍土變形。鋼支撐預(yù)先拼裝，施工質(zhì)量好，而盾尾圍土出露后可在短時間內(nèi)實現(xiàn)封閉，對控制超挖、避免土體擾動都有積極作用。應(yīng)用本方案，工程質(zhì)量保證度高，施工較安全，施工前期投入相對較少。

[1]中華人民共和國水利部.DL/T 5195—2004水工隧洞設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2004.

[2]熊啟鈞.隧洞[M].北京：中國水利水電出版社，2002：20-60.

[3]謝德榮.水利水電工程地質(zhì)特征淺析[J].長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2002(03)：8-11 .

Practice and Exploration of Steel Truss Jacking Shield Technology Applied in Soft Foundation of Hydraulic Tunnel

LIU Jing-dong

(Meizhou City Municipal Construction Group Company, Meizhou 514021, China)

In recent years, China's large scale water conservancy infrastructure projects continue to increase investment, and the technical difficulties under special geographical conditions always limit seriously the progress of whole project. This paper analyzes and summaries in details the steel truss jacking shield technology scheme applied in the hydraulic tunnel of a water conservancy project located in silt loam soft foundation area from two aspects of theory and Practice, so as to provide valuable experiences for similar projects.

hydraulic construction; tunnel; shield technology; practice

1007-7596(2016)07-0054-05

2016-06-17

劉競東(1984-)，男，廣東五華人，工程師，從事水利工程施工管理工作。

TV52

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