拱顶位于液化地层情形下的盾构隧道设计与施工技术

(整期优先)网络出版时间:2025-01-23
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拱顶位于液化地层情形下的盾构隧道设计与施工技术

赵国智1 赵国俊2

(中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津  300000)

摘要:液化地层在地震时,土体剪力瞬间消失,很可能导致结构发生破坏,迄今为止液化地层中抗震设计和施工的相关研究成果与规范仅对液化地层的处理提出原则性要求,未针对拱顶位于液化地层提出具体的处理措施,对实际工程指导意义不够明了.本文以徐州市轨道交通某区间全断面在粉砂层中,且隧道拱顶位于液化粉砂层工程实例为研究背景,以城市轨道交通抗震规范为基础,结合数值模拟分析,给出了液化地层位于盾构隧道拱顶液化处理措施及建议.进而提出相应的抗液化处理原则.通过合理的设计与施工控制措施,既能保障隧道在施工过程中的沉降控制,又能确保运营期间的长期稳定,为今后类似工程设计与施工提供一定的参考与借鉴。

关键词:盾构隧道;全断面粉砂;拱顶液化;抗液化措施

ZHAO GuoZhi 1, ZHAO GuoJun2

(China Railway Sixth Survey and Design Institute Group Co. LTD,Tianjin300000)

Abstract: At present, the relevant research results and norms of seismic design and construction in liquefied stratum only put forward the principle requirements for the treatment of liquefied stratum, and did not put forward specific treatment measures for the vault located in liquefied stratum, which is not intuitive for the practical engineering guidance. Based on the seismic code of urban rail transit and the numerical simulation analysis, this paper gives the liquefaction treatment measures and suggestions based on the engineering example of Xuzhou rail transit with the whole section in the silty layer and the tunnel arch in the liquefied silty layer. Then the corresponding principles of anti-liquefaction treatment are put forward. Reasonable design and construction control measures can not only guarantee the settlement control of the tunnel during construction, but also ensure the long-term stability during operation, which provides certain reference and reference for the design and construction of similar projects in the future.

Key wordsShield tunnelCompletely cut off the flour sandVault liquefactionAnti liquefaction measure

引言

随着城市轨道交通线网的增加,受线路走向与埋深的影响,出现新建隧道无法避绕地震液化不良地层,在场地土液化的作用下,面临管片结构上浮,以及衬砌结构开裂的风险,液化地层对隧道建设和运营都造成一定的影响,尤其给抗震设计带来一定困难。本文基于工程实例,在成功案例的基础上从消除液化的角度出发,提出了拱顶位于液化地层,设计与构造措施相协调的抗震处理措施,使隧道遇地震后结构处于弹性工作阶段,仍能够保持其正常使用功能,不因结构的变形而影响行车安全。本文通过液化粉砂地层位于盾构隧道拱顶为研究,提出了相应的处治措施,能够有效的起到了防止施工过程中及地震液化导致管片上浮、错台、渗漏水的影响;为拱顶液化地层中区间隧道设计与施工提供参考。

工程概况

徐州市轨道交通6号线徐州一中站~奥体中心站区间为分离式单洞单线盾构法施工隧道,区间全断面位于粉砂层中,整个区间拱顶存在较厚的②-4-2液化粉砂,拱顶粉砂液化指数为中等液化,且区间位于云台路正下方,该路为徐州市交通主干道,地下管线多,周边环境复杂,施工期间无法中断交通,加之区间拱顶覆土较浅,对地面车辆荷载扰动明感,施工难度较大,本文通过合理的设计与液化地层中施工措施,有效地控制了盾构在全断面粉砂层中地表沉降、掘进纠偏以及地震液化带来的不良影响,成型隧道管片姿态、隧道轴线满足设计要求,管片未出现错台超限、破损、渗水的现象,工程质量和施工安全均处于可控范围,既能保证施工安全,又能保证设计工作年限内结构安全,为今后类似工程设计与施工提供一定的借鉴。

项目

徐州一中站~奥体中心站区间

结构形式

圆形

施工方法

盾构法

管片连接形式

弯螺栓连接

区间总长

575.395m

衬砌环直径

外径∅6200mm,内径∅5500mm

拱顶覆土厚度

9.1~10.7m

隧道内底埋深

14.95~16.55m

衬砌环分块

通用环共6块,1块封顶块+2块邻接块+3块标准块

5盾构横断面设计图-横断面设计图

本区间管片采用钢筋混凝土通用楔形衬砌环,错缝拼装。管片宽度为1.2m,管片厚度为0.35m,楔形量37.2mm(双面楔形),混凝土强度为C50,抗渗等级为P10,管片环面外侧设有弹性密封垫槽,内侧设嵌缝槽,管片采用弯螺栓连接。             

工程重难点

液化地层在地震作用下,引起的超静孔压上升使得地下结构上浮是饱和粉土地基中地下结构破坏的一种常见形式,一方面导致土体抗剪强度下降,另一方面由于超孔隙水压力产生浮力引起隧道结构在竖直方向受力不平衡,因此防止地下结构因液化导致上浮是关键的问题。目前规范规定及相关科研成果消除结构上浮或沉陷的措施主要有:1)对因土层液化而产生上浮或沉陷的结构,设置压重板;2)采用加密法加固时,应处理至液化深度下界;3)加强地下结构单体的整体性和刚度;4)采用加密法或换填法处理;5)选择合适的地下结构埋置深度;6)采用注浆、旋喷或深层搅拌等方法进行加固时,处理深度应达到饱和砂土、粉土层的下界;7)对液化土层采取注浆加固和换土等消除或减轻液化的措施。

鉴于盾构隧道的施工工艺特点,并考虑到城市轨道交通受既有线、市政管线、地面交通、周边建(构)筑物的影响,不宜采用强夯、振冲、挤密碎石桩,不能大范围的采用换填、地面加固处置措施,结合同步注浆及二次注浆采用多孔管片进行洞内加固方式更为合理可行,因此盾构区间采用洞内拱顶注浆,消除隧道上浮和沉陷的可能性。本工程通过管片增设注浆孔注浆,有效改善结构与地层之间的受力,降低土体孔隙水压力、有利于减小盾构掘进期间的地层损失率,有效控制沉降。注浆采用均匀、多点、适量、多次的原则,增加同步注浆量与拱顶二次注浆量+加强防水+提高管片配筋以及连接螺栓刚度,使隧道内力与径向位移差呈减小趋势,对控制隧道变形有利,有效的防止了液化地层带来的不良影响。

盾构始发与接收段加固,区间与车站衔接处受地震液化影响最为显著,本区间结合盾构始发与接收端头加固,根据液化土层分布,采用三轴搅拌桩地面加固,接缝处采用一排高压旋喷桩进行加固,对液化地层进行加固处理,始发加固长度为9m,接收加固长度为3m辅以刚套筒接收;除端头加固区以外地段通过管片增设注浆孔进行多点位二次注浆。每环管片由原来的6个注浆孔,增设至16个注浆孔,确保全方位,多角度注浆,使注浆更加均匀,并适当提高二次注浆压力,增加注浆量,扩大地层固结范围,以保护成型隧道质量为宗旨,重点要防止成型隧道因注浆引起的管片姿态超限、防止因注浆导致管片错台新增渗漏水点,施工单位通过粉细砂洞内注浆试验结果,从施工时序、浆液配置、施工参数根据现场实际试验进行优化,在施工过程中能有效的控制成型隧道在液化地层中由于注浆引起的管片破损和变形,从而得出以下结论:

盾构掘进实际参数

盾构推力(KNm)

刀盘转速(rpm)

进速度(mm/min)

扭矩(KN.m)

压力(bar)

注浆压力(bar)

泡沫注入量

出土量(斗)

注浆量(m3)

11000~13000

1.3~1.5

40~60

1500~2500

1.5~1.7

1.6~3.0

15%

≤3.0

4.3~5.2

对于液化粉砂地层施工过程中应(1)加强掘进参数控制,控制土仓压力保持开挖面稳定,通过调节螺旋机闸门开度及螺旋机转速,控制出土速度,必要时将螺旋机反转,一旦出现螺机喷涌或盾尾涌水时,可在中盾及盾尾注入高分子材料封堵。同时使盾构机保持匀速连续掘进,调节浆液凝结时间,使浆液注入管片壁后能快速固结,及时有效填充管片脱出盾尾后壁后空隙,并及时进行二次注浆,充分填充地层与盾构管片之间的空隙,使围岩与衬砌之间共同作用以利于抗震。(2)渣土改良:加入泡沫或高分子材料,使渣土保持较好的和易性和不透水性,防止开挖面的水在土仓和螺机中形成流水通道。(3)背填注浆:正常掘进时采用同步单液注浆,当管片出盾尾后,每隔五环进行双液补充注浆,形成环箍建立盾尾封堵环,防止地下水沿隧道外壁渗透到盾尾或土仓。

液化粉土含水率高、强度低、易受扰动,浆液配合比以及注浆时序、注浆压力对注浆效果都有很大的影响,该区间洞内注浆采用隔环施工,同一环管片先对管片两侧注浆孔进行注浆,再对管片中间吊装孔进行注浆,先对拱顶两侧管片进行注浆,再对中间管片进行注浆,以先形成一排注浆墙体再由外向内注浆,在确保注浆效果的前提下有利于控制浆液的流失,保证形成整体加固区域,通过注浆处理,提前消除其可液化性质,防止地震液化。由于粉细砂粘聚力非常小,粉细砂在注浆过程中,浆液会四处扩散,形成浆脉,造成注浆量大于设定的值,二次注浆采用双液浆,能有效减少粉细砂的流动性,但当水灰比太大时,浆液颗粒也随之变大,浆液难以注入到粉细砂中;当水玻璃配比较大时,双液浆的初凝时间会缩短,造成浆液尚未在粉细砂中完全扩散开就已经凝固, 会导致注浆量偏小,消除液化效果不宜保证,且容易堵注浆管,当水灰比太大、水玻璃配比太多都会导致注浆量偏小。若按设定注浆量作为停止注浆标准,这需要加大注浆压力,注浆压力过大导致盾构下部产生较大的膨胀力,而该力由于浆液扩散的随机性而不均匀,从而造成盾构管片上移及侧移变形,管片环之间位移不同步而发生错台,错台量过大时防水胶条会发生移位,致使局部管片接缝出现不同程度的渗漏水问题;局部管片产生沿幅宽方向的偏转,相邻两环管片沿纵向不同轴,造成管片环间接触不良,管片接头部位应力集中,管片端部发生压剪性破坏。根据地表沉降监测反馈,注浆压力控制在3.0bar内,水泥水灰比根据试验调整为0.6~1.0,水泥与水玻璃体积比为1:1,水玻璃采用35Be,每环拱顶注浆量控制在0.8~1.2m³,注浆结束标准按照浆量与注浆压力双控,若达不到设计注浆量,能稳压3min也可停止注浆;注浆坚持注浆压力先低后高、逐步提升,平稳注入的原则

,使管片与周围地层形成更好的握裹,并通过优化浆液配合比,对周围液化土层起到改良作用,防止地震液化对隧道本体的影响。

    然而,盾构的始发和接收一直以来都是盾构法施工风险较大的环节,尤其是液化粉砂层中接收事故尤为频繁,故在盾构进出洞前对端头土体进行加固。加固的目的主要有两个方面:一方面是提高洞门挡墙后土体的强度和稳定性,防止洞门破除墙后土体失稳,造成地层变形引发地面沉降甚至塌陷;另一方面是加固后的土体在洞口一定范围内可以形成有效的止水帷幕,防止开洞后地下水从洞口涌入盾构井内,尤其是在地下水位高、渗透性较大的粉砂层中,若采取主动降水使地下水损失较多会造成地面沉降。我国端头加固的形式主要包括注浆加固、旋喷加固、搅拌桩加固及冷冻法加固,但在实际工程中,地层比较复杂,各种加固工艺及加固检测手段具有一定的局限性,渗透性较大的粉砂层中端头加固效果不宜保证,盾构进出洞风险得不到完全控制,鉴于此本区间富水液化地层中在全线首次推广采用钢套筒接收,钢套筒接收基于平衡到达理念,以小空间换取大空间、循环利用的节约性为核心,采用安全经济的方式降低接收风险。密闭钢套与洞门密闭连接,钢套筒后盖和反力架连接,并在钢套筒两侧每间隔2m安装一根工字钢横撑和三角架,防止盾构机盾体和钢套筒整体发生扭转、倾覆。钢套筒安装完成后向钢套筒内填砂,将整个钢套筒填充满,在填充过程中适当加水,保证砂的密实,接收过程始终保持土压平衡状态,使盾构通过洞门安全进入钢套内,待盾构机完全进入钢套筒后,钢套桶卸压开盖,盾构解体并吊出。

反应位移法计算模型及计算

   在结构周围施加土体弹簧;将结构顶点与底点的土层一维反应的最大位移差时刻的沿深度方向的位移分布作为地震荷载施加在弹簧上;把此时刻的土体与结构接触面位置的土层的剪应力施加在节点上;假设结构和相同深度土层的加速度一致,把此时刻的加速度施加在结构上;计算模型如下图所示。该法假定:结构与土体均为各向同性的线弹性体;忽略土体之间的相互影响;忽略结构阻尼的影响。

圆形隧道反应位移法计算模型

在计算模型中以集中地基弹簧来反映一定面积的土层作用,因此需要将基床系数乘以作用面积换算为相应的地基弹簧刚度。土层在地震作用下的反应位移可以采用加利福尼亚大学开发的EERA计算程序求解此一维波动方程。在得到了土层反应位移后,加载到上述模型上,便可得到结构的内力及变形。

土体分层表

序号

土层

土层名称

层厚

分界面

1

1

①-1杂填土

1.0

2

1

1.0

3

1

1.0

4

2

②-4-2砂质粉土

1.0

...

10

2

1.0

11

3

②-4-3砂质粉土

0.047

拱顶

12

3

0.140

13

3

0.228

14

3

0.309

15

3

0.381

16

3

0.442

17

3

0.489

18

3

0.521

19

3

0.537

20

3

0.537

21

3

0.521

22

3

0.489

23

3

0.442

24

3

0.381

25

3

0.309

26

3

0.228

27

3

0.140

28

3

0.047

拱底

29

4

⑤-3A-4A含砂姜黏土

1.0

...

35

4

1.0

36

5

⑦-2强风化粉砂岩

1.0

...

44

5

1.0

    

土体分层图                  

根据《徐州市轨道交通6号线抗震专项设计地震动参数报告》基岩处地震动加速度时程采用50年超越概率10%(峰值加速度0.079g)和50年超越概率2%(峰值加速度0.134g)两个概率水准的基岩水平向地震波,每概率水准一组,每组三条,计6条,如下图所示。

徐~奥区间 50年10%地震加速度曲线

徐~奥区间 50年2%地震加速度曲线

根据地震安评报告所提供场地土的动剪切模量及阻尼比与剪应变关系,即G/Gmax~γ和λ~γ的关系曲线。本工程采用“荷载-结构”模型进行分析,区间纵向取1米结构作为计算单元,采用弹簧模拟周边地层土对区间主体结构水平位移、垂直位移的约束作用,弹簧只承受压力。计算采用SAP2000结构计算软件,计算结果如下。

E2地震工况弯矩图           E2地震工况剪力图       E2地震工况轴力图        E2地震工况位移图

  根据区间结构抗震分析和计算、抗震性能验算,区间结构总体满足抗震设防性能要求,抗震设计的重点则是加强构造措施。

  时程分析法计算

采用MIDAS GTSNX软件建立计算建模。依据《城市轨道交通结构抗震设计规范》6.9.2节之规定,当采用时程分析法时,计算模型的侧面人工边界距离地下结构的距离不宜小于3倍地下结构水平有效跨度,地面人工边界宜取至设计地震作用基准面且距结构的距离不小于3倍地下结构竖向有效高度。

弯矩图                              轴力图                         管片水平位移

经时程分析法验算E3地震作用下管片最大弯矩239.3 kN.m,隧道最大水平变形3.14mm。50年超越概率10%地震工况隧道所在地层相对变形约为0.3mm,此地震工况下隧道结构最大变形为2.5mm;50年超越概率2%地震工况隧道所在地层相对变形约为0.5mm,此地震工况下隧道结构最大变形为3.14mm。地震时地下结构变形受周围地层控制,同时根据计算可知,隧道变形与周围地层的响应是接近的,可见地震工况下变形量满足变形限制要求和防水要求,区间结构满足抗震设防性能要求。

结论

根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》,针对液化地层的处理需结合结构类型以及液化程度进行选择,对于区间隧道,通过采取合理的加固方法以及施工参数,对液化地层进行处理,完全消除或减轻液化影响,保证隧道施工质量与运营安全,同时适当的考虑结构自身的加强。针对区间隧道,对拱顶存在液化地层时,提高同步注浆浆液性能,并结合盾构同步注浆通过加大同步注浆量,粉砂层中浆液填充系数提高至2.0,以便扩大地层固结范围;同时考虑到区间隧道为柔性结构,对液化地层结构及连接螺栓强度进行加强,将管片配筋提高一级,连接螺栓机械性能等级提高至8.8级,环缝衬砌接缝弹性橡胶密封垫增设一道3mm厚的遇水膨胀橡胶,加强管片连接螺栓强度及接缝防水性能,采用增设注浆孔管片,对拱顶120°范围内进行补充注浆,每环注浆量建议值1m³;通过区间隧道下穿粉砂层且拱顶位于液化地层所采取的措施进行设计研究,技术可行、经济合理,能够有效的控制地表沉降、保证地下管线的正常使用,提高了区间整体抗震变形能力,有效防止液化带来的影响。成功案例能够为今后全断面粉砂层中且拱顶处于液化地层盾构隧道施工提供一定的理论依据与技术支撑,有助于提升区间隧道拱顶液化地层设计与施工技术水平,为今后类似工程建设提供一定的依据和借鉴。

参考文献:

《地铁设计规范》(GB50157-2013)[S].

《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909-2014) [S].

徐州一中站~奥体中心站区间施工图《中铁第六勘察设计院集团有限公司》[M].