深圳地鐵某區(qū)間段雨水管穩(wěn)定分析驗(yàn)算與灌漿施工
摘要:地鐵隧道的施工不可避免的要對(duì)各種地下市政管線產(chǎn)生不利影響甚至破壞。主要介紹了深圳地鐵某區(qū)間段鄰近盾構(gòu)線雨水管的穩(wěn)定分析與灌漿加固施工,可為今后類(lèi)似工程提供參考。
關(guān)鍵詞:地鐵隧道;市政管線;穩(wěn)定分析;灌漿加固
1 工程概況
城市地鐵與地下設(shè)施的新建,對(duì)城市環(huán)境的影響不容忽視, 特別是地下市政管線涉及影響范圍廣,尤其要引起重視。在深圳地鐵一期工程某區(qū)間段的管線調(diào)查過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)在某車(chē)站端頭井附近有一根直徑為1850mm(內(nèi)徑為1650mm) 的雨水管,管邊緣距離盾構(gòu)端頭井10m ,其底部到地表的距離為4m ,距離設(shè)計(jì)的隧道中心線只有3. 744m ,即盾構(gòu)機(jī)通過(guò)雨水管下方時(shí),盾構(gòu)機(jī)拱頂與雨水管底僅有0. 744m 的垂直距離(如圖1 所示) 。對(duì)于這么薄的土層,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)將無(wú)法保持土層穩(wěn)定,并有可能造成雨水管線下沉和管節(jié)拉脫,導(dǎo)致城市地下排水系統(tǒng)的中斷以及水涌隧道和端頭井,淹沒(méi)盾構(gòu)機(jī),造成重大事故。為了保證隧道施工和管線的安全,對(duì)雨水管采用了注漿加固與管道內(nèi)接頭處加固的措施。
圖1 盾構(gòu)隧道與雨水管位置關(guān)系
2 工程地質(zhì)概況
深圳地鐵沿線跨越了海積平原、海積沖積平原、沖積平原和臺(tái)地幾大地貌單元,因此地層復(fù)雜,包括了上覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層、海積層、海沖積層及第四系殘積層,下伏燕山期花崗巖。地層從上至下依次分布情況及其巖性特征如下:
(1) 素填土(粘土): 層厚約為1. 5m ,地層高程為3. 51～ 2. 01m。肉紅色,灰白色;硬塑,混砂,0. 6m ,以上為水泥路面與砂墊層。
(2) 礫砂:層厚約為3. 30m ,地層高程為2. 01～ -1. 29m。
(3) 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土:層厚約為1. 70m ,地層高程為-～ -2. 99m ,灰黑色;流塑,含貝殼,具有臭味,局部夾中砂。
(4) 中砂:層厚約5. 50m ,地層高程為-2. 99～ -8. 49m ,灰色,灰黑色;松散,飽和,含淤泥質(zhì)土,為地震可液化層,9. 0m 以下灰色,灰黃色。
(5) 中砂質(zhì)粘性土: 厚約1. 2m , 地層高程為-8. 49 ～ -9. 69m ,黃褐,肉紅,灰白色;硬塑。
表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)
3 管道安全性的檢驗(yàn)計(jì)算
地下管線分為剛性管線與柔性管線。對(duì)于剛性地下管線,地層位移不大時(shí)可以正常使用,位移幅度超過(guò)一定限度時(shí),則管道將發(fā)生斷裂破壞。當(dāng)?shù)叵滤淼劳ㄟ^(guò)管線下方時(shí),不可避免的要對(duì)其周?chē)馏w產(chǎn)生擾動(dòng),地層產(chǎn)生沉降,對(duì)于本工程而言由于隧道與雨水管之間土層相當(dāng)薄,地層沉降(變形) 的影響尤為明顯,因此需要在工程施工前對(duì)管線進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算。
3. 1 管道剛性與柔性的判斷
對(duì)于剛性與柔性管道而言,它們之間除了結(jié)構(gòu)與施工上的差異外,地層沉降對(duì)其影響也表現(xiàn)出不同形狀,從而影響到加固的措施,因此對(duì)于管線剛性與柔性的判斷非常重要。對(duì)敷設(shè)于地下的圓形或拱形管道來(lái)說(shuō),我們可以通過(guò)管道與土之間的剛度比,來(lái)判斷管道的剛、柔性。按以下公式確定比值:
αs= Ep( t )3/Es r0= (100×2. 80 ×104/ 5. 5 = 7. 6875) 3 式中: Ep 管道材料的彈性模量, MPa , C25 混凝土彈模為2. 80 ×104MPa ; Es 土的壓縮模量,MPa ;灰色,灰黑色;松散,飽和,含貝殼,具有臭味。心線到管壁中心線的距離為: 1. 29t ———管壁厚,此工程中管壁厚為100mm ; r0 ———計(jì)算半徑(自管中875mm) 。上式中αs> 1 ,所以此工程中的地下管線可以作為剛性管線分析。
3. 2 雨水管的檢驗(yàn)計(jì)算[1 ]
為了描述土層與雨水管之間的相互作用,即確定土層反力與地層變形之間的關(guān)系,采用了文克爾地基模型,在此工程中把剛性管道按彈性地基梁進(jìn)行分析計(jì)算。盾構(gòu)穿越管底以下土層時(shí),管道因?yàn)榈貙拥臄_動(dòng)及變形而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力σ。當(dāng)σ小于管材允許的抗拉(壓) 強(qiáng)度時(shí),一般不需要加固。如地層變形(沉降) 超過(guò)預(yù)計(jì)幅度,管道中的最大彎曲應(yīng)力σ大于允許值時(shí),則需要對(duì)管道及其周?chē)貙舆M(jìn)行加固。
如果將管道位移記為Wp ,則有: d4Wp q (1)
dx4 + 4λ4Wp = EpIp λ=式中:4IpKEp ,K為基床系數(shù)(kN/ m3) ,Ip 為管道截面慣性矩(m4) ;
q ———作用在管道上的壓力,根據(jù)文克爾地基模型理論q 應(yīng)等于基床系數(shù)與地層變形量的乘積。對(duì)于本工程,當(dāng)?shù)貙訜o(wú)沉陷時(shí),q = KWp;當(dāng)?shù)貙影l(fā)生沉降W 時(shí),q = K(Wp -W) 。對(duì)于地層沉降量W 的值,當(dāng)盾構(gòu)與管道軸線正交時(shí)可直接由派克公式給出,如下:
W = V1 exp(-x) (2)
2πl(wèi)0 2l2
式中:x ——與隧道中心線的距離,m ;
—
l0 沉降寬度系數(shù),m ;
V1 ———地層損失量,m。
H + R 4. 744 + 3
l0= = = 4. 5(m)
φ
2πtg(45°-2) 2πtg(45°-21°2)/
對(duì)于地層損失量,在工程實(shí)踐中,它與盾構(gòu)種類(lèi)、操作方法、地層條件、地面環(huán)境及施工管理嚴(yán)格程度等因素有關(guān),一般很難估計(jì),故常根據(jù)實(shí)際施工條件直接按規(guī)定所給的表選取。
將(2) 式與發(fā)生沉降時(shí)的q 代入(1) 式,則可得如下表達(dá)式:
2
d4Wp = -V1 K exp(-x
dx4 EpIp 2πl(wèi)0 2l2 (3)
0
對(duì)(3) 式積分,但是考慮到(3) 式中的exp 函數(shù)積分不能得到解析式,因此這里采用泰勒公式將其在x = 0 處展開(kāi),簡(jiǎn)化為多項(xiàng)式的形式,并兩次積分得如下表達(dá)式:
d2Wp
24
x
dx2 = C(x2 -24l2) + C1x + C2(略去更高次項(xiàng)) (4)
0
式中:C = -EpIpV1 K2πl(wèi)0=-0. 23 ×45 ;
2. 8 ×104 ×0. 214 × 2π×4. 5 C1 、C2 常數(shù)。
根據(jù)上式可以導(dǎo)出作用在雨水管上的彎矩M :
52Wp
M = EpIp (5)
5x2 由上式(5) 可以得到雨水管由于地層沉降而產(chǎn)生的應(yīng)變: DC2x4 DC1DC2
εx=D52Wp=2(x -x + (6)
25x2 2 24l20)+ 2 2 式中:D ——為雨水管的直徑。—
在盾構(gòu)掘進(jìn)影響范圍以外,雨水管可以看作不受土體擾動(dòng)的影響,以此為邊界條件來(lái)確定C1 、C2 的值。根據(jù)派克公式當(dāng)x = ±2. 5l0時(shí)地面沉降為零,因此雨水管的應(yīng)變也應(yīng)為零,代入
(6) 式即可得到C1 = 0 、C2 = 4. 55 ×10-3 。
由派克公式可知,在隧道中心線上出現(xiàn)最大沉降,因此此處(x = 0) 雨水管的變形也是最大的,即此處由變形引起的管道應(yīng)力也是最大的,因此最大應(yīng)力可以表示為:
DC2σw= Epεx = 0 = Ep = 117. 84MPa
2 由上式可知σw 遠(yuǎn)大于雨水管的抗拉強(qiáng)度,即受盾構(gòu)擾動(dòng)的影響,在沒(méi)有任何加固措施的情況下雨水管因拉裂而破壞,所以對(duì)雨水管采取加固是必須的。
4 施工方案[2 ][3 ]
4. 1 施工方案的確定
對(duì)地下工程所引起的環(huán)境問(wèn)題有本體保護(hù)與積極保護(hù)法之分,在此工程中采用灌漿托換加跟蹤注漿的本體保護(hù)法。具體的方法是:在盾構(gòu)掘進(jìn)前通過(guò)預(yù)加固灌漿把雨水管與地鐵隧道之間的土層加固,形成具有一定形狀、一定強(qiáng)度且均勻的粘結(jié)體,使之在雨水管與地鐵隧道之間形成平板狀加固層,以免雨水管在隧道穿越時(shí)不致產(chǎn)生過(guò)大的變形而破壞。在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),為了彌補(bǔ)因盾構(gòu)注漿不足而產(chǎn)生的地層損失,采用充填注漿來(lái)進(jìn)一步加固雨水管下的土層。另外,在以上的分析驗(yàn)算中沒(méi)有考慮管道接頭處剛度的突變,因此設(shè)計(jì)在管道內(nèi)部接頭處加剛支撐以增強(qiáng)管道接頭承受變形的能力。
4. 2 鉆孔施工
對(duì)于土層灌漿鉆孔,理論上可用很多種鉆機(jī)與鉆進(jìn)方法成孔。但是考慮到此次施工所要求的鉆孔深度淺,數(shù)量較多,移位頻繁,而且工期緊,我們采用了風(fēng)鉆成孔。實(shí)踐證明這種鉆孔方法是可行的,不僅鉆孔速度較快移動(dòng)方便,而且成孔質(zhì)量好。只是在城區(qū)施工無(wú)法控制噪音,對(duì)環(huán)境有不利影響。
整個(gè)加固區(qū)域長(zhǎng)度為22m ,在雨水管兩側(cè)各布置兩排斜向注漿孔,孔距為800mm ,排距為693mm ,采用梅花型布置方式,孔與水平面呈50°角。成孔作業(yè)的順序?yàn)橄仁┕ね鈬@孔,然后內(nèi)圍鉆孔并隔孔跳打,成孔之后插入注漿管。考慮到盾構(gòu)機(jī)通過(guò)之后對(duì)土體有很大的擾動(dòng),在雨水管兩側(cè)又分別布置了一排垂直充填注漿孔以加固受擾動(dòng)土體。充填注漿孔的布置為:距管壁邊緣500mm ,孔距為1000mm。
4. 3 注漿材料制備
對(duì)于預(yù)加固注漿采用42. 5R 普通水泥,另外摻入水泥用量3 %～5 %的速凝劑,水灰比為0. 5 。對(duì)于充填注漿采用42. 5R 普通水泥,摻入水泥用量1 %～2 %的膨潤(rùn)土,水灰比為1 。成孔后即可開(kāi)始攪制水泥漿,水泥漿攪拌時(shí)間≥5min ,水泥漿攪拌好后,過(guò)5mm 篩孔濾篩,放至儲(chǔ)漿桶備用,待注漿系統(tǒng)連接好之后即可以開(kāi)始注漿。
4. 4 注漿施工
注漿施工是靜壓注漿工程的兩大工序之一,直接影響到注漿加固的質(zhì)量。當(dāng)水泥漿攪制完成之后,連接好注漿管與注漿泵以0. 7MPa 的壓力持續(xù)注漿,注漿結(jié)束保持5min 左右的穩(wěn)壓和回壓時(shí)間,并用少量清水替換水泥漿清洗泵及連接管。注漿采用先外圍再內(nèi)層的順序,并且隔孔跳注的方法,每孔注漿設(shè)定的水泥用量為1000kg(20 袋×50kg) 。另外,在充填注漿時(shí)應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況迅速及時(shí)的注漿。
在注漿施工中經(jīng)常出現(xiàn)三種問(wèn)題:冒漿、串漿與注漿中斷。對(duì)于防止冒漿,首先要檢查絲扣的密封情況,其次切實(shí)作好注漿管與鉆孔的密封。對(duì)于串漿,采用跳注就是其防范措施之一,另外注漿壓力不能過(guò)大,當(dāng)出現(xiàn)串漿情況時(shí),應(yīng)停止灌漿,停12h 以上待水泥終凝以后繼續(xù)補(bǔ)灌余漿。在注漿過(guò)程之中,因?yàn)閿嚢铏C(jī)、注漿泵等故障而導(dǎo)致注漿中斷,應(yīng)立即采取措施修復(fù)或調(diào)換設(shè)備,盡量縮短中斷時(shí)間。當(dāng)中斷時(shí)間不超過(guò)水泥初凝時(shí)間的可以繼續(xù)灌漿。
4. 5 內(nèi)支撐的安裝
盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)雨水管最可能出現(xiàn)的情況是由于不均勻沉陷而導(dǎo)致管節(jié)脫裂,為了防止這種情況的發(fā)生,在雨水管內(nèi)接頭處安裝了鋼架支撐以增強(qiáng)其剛度,這樣做也為出現(xiàn)意外情況時(shí)的搶險(xiǎn)贏得時(shí)間。
5 結(jié)束語(yǔ)
雖然雨水管的驗(yàn)算涉及到地層參數(shù)的不確定性以及模型的簡(jiǎn)化等多方面的問(wèn)題,但是它提供了一種簡(jiǎn)單可行的定量分析方法,而且能夠滿足工程要求。對(duì)于本工程通過(guò)對(duì)雨水管進(jìn)行灌漿加固以及配裝內(nèi)支撐,確保了地鐵隧道的順利施工,同時(shí)也保護(hù)了地下管線免于破壞。此種施工方法簡(jiǎn)單易行同時(shí)又能滿足工程要求,具有良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效應(yīng)。
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