同濟 地下工程概論 第四章 地下工程施工之輔助工法2010

1、第四章 地下工程的施工同濟大學地下系 謝雄耀 副教授地下工程的輔助工法物理方法：凍結法、降水法、動力壓密法、深層擠密樁法、土的加筋法化學方法：注漿法、深層攪拌樁、粉噴樁1 注漿法施工2 凍結法施工工藝3 降水法施工地下工程的輔助工法1 注漿法施工1.1 注漿法定義1.2 注漿類型1.3 注漿的作用1.4 常用注漿技術1 注漿法施工1.1 注漿法定義機械壓力漿液土粒間或裂隙松散土（天然地基）“人造石”1 注漿法1.2 注漿類型按照注漿材料水泥漿液化學漿液優(yōu)點：強度高、耐久性好、 材料豐富、工藝簡單 成本低；優(yōu)點：可注性好；缺點：強度低、耐久性差、 環(huán)境污染、成本高缺點：容易離析和沉淀 穩(wěn)定性差1

2、.2 注漿法類型按工藝原理滲透性注漿：劈裂注漿：壓密注漿噴射注漿法1 注漿法施工附加應力土體剪切裂縫超孔隙水壓力消散固結土層結構不受擾動, 0.3-0.5MPa惰性漿液材料均勻凝固膠體 &壓密周圍土體1 注漿法施工粉砂夾層中滲透擴散階段的凝固漿液粉砂夾層中滲透擴散階段的凝固漿液1 注漿法施工一次劈裂流動階段一次劈裂流動階段劈裂注漿1漿液；2注漿孔；3滲透滲入的漿液(通過劈裂面和注漿孔邊緣)；4漿液擠壓作用；5劈裂面1 注漿法施工擠密擴展階段擠密擴展階段壓密注漿1注漿管；2球狀漿泡；3壓密帶1 注漿法施工噴射注漿法原松散狀土體經(jīng)過高壓噴射注漿后，變成圓柱形、板壁形和扇型固結體，并且有良好

3、的強度、抗?jié)B性、耐久性。從而可提高抗剪強度、地基承載力，降低土體壓縮性。1 注漿法施工噴射注漿法1.3 常用注漿方法1 注漿法施工閥管注漿花管注漿套管護壁注漿法邊鉆邊注1 注漿法施工花管注漿步驟：1、打入一下部帶尖頭的花管圖a ；2、沖洗進入管中的砂土 圖b；3、最后自下而上分段拔管灌漿 圖c特點：1、工法簡單2、遇卵石及塊石時打管很困難，故只適用于較淺的砂土層；3、灌漿時容易沿管壁冒漿1 注漿法施工套管護壁注漿步驟：1、邊鉆孔邊打入護壁套管，直至預定的灌漿深度 圖 a；2、接著下入灌漿管 圖 b ；3、然后拔套管灌注第一灌漿段 圖c；4、再用同法灌注第二段 及其余各段，直至孔頂 圖 d 。特

4、點： 打管較困難，為使套管達到預定的灌漿深度，常需在同一鉆孔中采用幾種不同直徑的套管。 1 注漿法施工邊鉆邊注步驟： 在地表埋設護壁管，上而下鉆完一段灌注一段，直至預定深度為止。特點： 1、無需在砂礫層中打管； 2、是容易冒漿，而且由于是全孔灌漿，灌漿壓力難以按深度提高，灌漿質(zhì)量難以保證。 1 注漿法施工袖閥管注漿 簡介：又稱 Soletanche 方法，于 20 世紀 90 年代開始廣泛用于國際土木工程界。在砂礫地基灌漿中，袖閥管法用得最多。 1 注漿法施工閥管注漿 4、灌漿。待套殼料具有一定強度后，在袖閥管內(nèi)放入帶雙塞的灌漿管進行灌漿；1、鉆孔。通常用優(yōu)質(zhì)泥漿，如膨潤土造漿；2、插入袖閥管

5、。為使套殼料的厚度均勻，應設法使袖閥管位于鉆孔的中心；3、澆注套殼料。用套殼料置換孔內(nèi)泥漿 ，澆注時應避免套殼料進入袖閥管內(nèi)，并嚴防孔內(nèi)泥漿混入套殼料中； 步驟：特點：1、可根據(jù)需要灌注任何一個灌漿段；2、可以進行重復灌漿；3、可使用較高的灌漿壓力，灌漿時冒漿和串漿的可能性?。?、鉆孔和灌漿作業(yè)可以分開，使鉆孔設備利用率提高。 5、缺點：耗費管材較多；每一個灌漿段長度固定為 33 50cm ，不能根據(jù)地層的實際情況調(diào)整灌漿段長度。 1.3 注漿設計 對于有管涌和水土流失危險之處則更須預先進行可靠的預防性地基處理。必須加固的位置和范圍要選在可能引起突發(fā)性災害事故的地質(zhì)或環(huán)境條件之處，包括但不限于

6、以下條件： 液性指數(shù)大于1.0的觸變性及流變性較大的粘土層，基坑開挖較深，墻前土體有可能發(fā)生過大的塑性破壞； 地下水豐富的松散砂性土或粉砂土層； 坑邊設備重載區(qū)或坑外有較大的超載，或坑外有局部的松土或空洞； 基坑附近有重要的保護設施或?qū)Τ两递^敏感的建筑設施： 坑周邊有較大的邊坡或較大的水位差； 坑內(nèi)局部加深區(qū)域的加固。1.3 注漿設計1）應考慮注漿的目的：用于防滲、加固、提高地基承載力，增加土體穩(wěn)定性，還是降低土體的壓縮性。2）注漿標準的確定；3）選擇適宜的注漿材料，有水泥基漿材，化學漿材（水玻璃類、環(huán)氧樹脂類）4) 注漿參數(shù)，包括注漿壓力、漿液擴散半徑、漿液濃度以及凝膠時間。 樁位滿膛式布置

7、圖(a) 樁位墻肋式布置圖(b)樁位格柵式布置圖(c) 基坑土體加固樁位排列布置形式基坑土體加固樁位排列布置形式搶險類加固2 人工地層凍結法土中土中水的凍結水的凍結了解土的組成： 固體土顆粒，不考慮其凍結 氣體 含少量水蒸氣，不考慮其凍結 液體水。包括自由水、結合水土的凍結土的凍結凍結機理凍結機理2 人工地層凍結法人工地層凍結法人工地層凍結法(Artificial Ground Freezing, AGF)(Artificial Ground Freezing, AGF)（簡稱（簡稱“凍結法凍結法”），是利用人工制冷技術），是利用人工制冷技術, ,使地層中的使地層中的水水結冰結冰, ,把把天然

8、巖土變成凍土天然巖土變成凍土, ,增加其強度和穩(wěn)定性增加其強度和穩(wěn)定性, ,隔絕地下水隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系與地下工程的聯(lián)系, ,以便在凍結壁的保護下進行地下工程掘以便在凍結壁的保護下進行地下工程掘砌施工的特殊施工技術。其實質(zhì)是利用人工砌施工的特殊施工技術。其實質(zhì)是利用人工制冷臨時改變巖制冷臨時改變巖土性質(zhì)以固結地層土性質(zhì)以固結地層。基本原理基本原理2 人工地層凍結法基本原理基本原理凍土形成過程2 人工地層凍結法制冷方法制冷方法間接式：間接式：鹽水制冷鹽水制冷-30 -35 直接式：直接式： 液氮制冷液氮制冷-196 冷卻塔回路干管去路干管液氮車氣體排放2 人工地層凍結法絕對的封水性絕對的

9、封水性較高的強度較高的強度:-8，2.7MPa;-30 ,5.54MPa安全性安全性可知性可知性變化性變化性凍土特點凍土特點2 人工地層凍結法凍結法應用土木工程 礦山鑿井：豎井、斜井隧道施工：隧道掘進；盾構、頂管進出洞、聯(lián)絡通道基坑工程穿越地下對接管線工程事故處理基礎加固邊坡加固環(huán)境保護：污染物處理土工試驗：原狀土取樣凍結法的應用凍結法的應用Boston：隧道通過俄式百年建筑：隧道通過俄式百年建筑 隧道隧道1 1凍結法的應用凍結法的應用瑞士：瑞士：Limmat河底隧道河底隧道 隧道隧道2 2凍土加固范圍破洞范圍凍土加固范圍破洞范圍ab凍結法的應用凍結法的應用盾構進出洞凍結盾構進出洞凍結3 3凍

10、結法的應用凍結法的應用頂管進出洞頂管進出洞4 4凍結法的應用凍結法的應用地鐵聯(lián)絡通道（帶集水井）地鐵聯(lián)絡通道（帶集水井）隧道聯(lián)絡通道凍結法施工隧道聯(lián)絡通道凍結法施工5 5110001100350044004800R310056403001000290020003300600600R2750140070011002000R1800R2200R2400R2800R3000643.3凍結法的應用凍結法的應用復興東路隧道聯(lián)絡通道復興東路隧道聯(lián)絡通道隧道聯(lián)絡通道凍結法施工隧道聯(lián)絡通道凍結法施工5 5凍結法的應用凍結法的應用上海長江隧道聯(lián)絡通道上海長江隧道聯(lián)絡通道隧道聯(lián)絡通道凍結法施工隧道聯(lián)絡通道凍結法施

11、工5 58 條聯(lián)絡通道條聯(lián)絡通道, 間距間距 800 m, 長度長度15 m, 圓形圓形斷面，開挖直徑斷面，開挖直徑4m, 襯砌厚襯砌厚300mm, 臨時支臨時支護噴混凝土厚護噴混凝土厚300mm凍結法的應用凍結法的應用基坑基坑6 6凍結法的應用凍結法的應用日本日本 9.8m泥水盾構泥水盾構水下對接水下對接地下對接地下對接7 7凍結法的應用凍結法的應用上海地鐵上海地鐵4號線號線董家渡董家渡坍塌隧道修復坍塌隧道修復隧道修復隧道修復8 8凍結塞子凍結塞子凍結法的應用凍結法的應用南京地鐵南京地鐵2號線號線“中中元元”區(qū)間坍塌隧道區(qū)間坍塌隧道事故修復事故修復8 8一號線一號線左線隧道尚未施工左線隧道尚

12、未施工一號線元通站一號線元通站二號線元通站二號線元通站 完好隧道清理完好隧道清理二號線元通站二號線元通站展覽中心展覽中心金奧大廈金奧大廈破損隧道范圍修復破損隧道范圍修復約約150m二號線中和村站二號線中和村站凍結加固區(qū)域凍結加固區(qū)域凍結法的應用凍結法的應用川氣東送武漢長江隧道川氣東送武漢長江隧道進洞坍塌進洞坍塌事故修復事故修復8 8凍結法的應用凍結法的應用盾構長距離推進盾尾密封鋼絲刷磨損后的更換盾構長距離推進盾尾密封鋼絲刷磨損后的更換（上海長江隧道）（上海長江隧道）盾尾刷更換盾尾刷更換1010凍結法的應用凍結法的應用管線工程管線工程1111凍結法的應用凍結法的應用基礎加固基礎加固1212凍結法

13、的應用凍結法的應用隔水屏障隔水屏障1414凍結法的應用凍結法的應用污染隔離屏障污染隔離屏障1515凍結法的應用凍結法的應用污染隔離屏障污染隔離屏障1515凍結法的應用凍結法的應用污染隔離屏障污染隔離屏障15152 人工地層凍結法土凍結的階段第一階段先形成很小的分子集團，稱為結晶中心或生長點；第二階段再由這些分子集團生長變成稍大的團粒，稱為晶核；第三階段最后由這些小團粒結合或生長，產(chǎn)生冰晶。2 人工地層凍結法土土土凍結過程的溫度特征土凍結過程的溫度特征1、過冷。土中水處于負溫但無冰晶存在，原因是結晶中心在比冰點更低的溫度下才能形成；過冷過冷跳躍恒定遞降遞降2、跳躍。土中水形成冰晶和冰晶生長時，放

14、出結晶潛熱，使土溫驟然升高；3、恒定。冰晶不斷生長，因潛熱釋放，土溫保持基本不變；4、遞降。土中大部分水完成結晶，潛熱釋放基本停止，土溫繼續(xù)下降2 人工地層凍結法影響土凍結的因素分散度越大，土的粘性越大，則凍結溫度越低。 （砂土（砂土 粉土粉土 黏土）黏土）含水量越大，則凍結溫度越高。（含水量越高越接近清水）含鹽量越高，則凍結溫度越低（結冰溫度下降） 重塑土凍結溫度鹽度曲線-2.5-2-1.5-1-0.500510152025鹽度凍結溫度()凍結溫度2 人工地層凍結法凍土壁設計l 凍土抗拉強度規(guī)律與抗壓強度相同。強度隨著溫度的降低增長，同時取決于土的成分、含水量等因素。數(shù)值上，抗壓強度比抗拉強

15、度高26倍。l 凍土壁形狀。根據(jù)工程需要，由凍結管布置，設計凍土帷幕2 人工地層凍結法雙排水平管凍結過程（縱截面）盾構隧道凍結管位置2 人工地層凍結法雙排水平管凍結過程（橫截面截面）內(nèi)、外凍結管位置聯(lián)絡通道中心3 降水法3.1 降水原理3.2 常用降水方法3.3降水法選擇3.1 降水原理實質(zhì)：降低土層中自由水的水面高程，提高地基土體抗剪強度。工程實踐表明，夾薄層粉砂（Kh10-5cm/sec）的粘性土層，在降水3周后，含水量減少30%，土體體抗剪強度增加3050%。3 降水法3 降水法 3.2 常用降水方法明排法-7.301:1.51:1.5排水溝300200排水溝1:1.5-2.45噴100

16、mm厚C20混凝土6.5200200鋼筋網(wǎng)片3 降水法 3.2 常用降水方法明排法3 降水法 3.2 常用降水方法輕型井點降水1）定義輕型井點就是沿基坑的四周將許多井點管埋入地下蓄水層內(nèi)，井點管的上端通過彎聯(lián)管與總管相連接，利用抽水設備將地下水從井點管內(nèi)不斷抽出，這樣便可將原有地下水位降至坑底以下。 2）所需抽水設備 真空泵、離心泵和水氣分離器3 降水法 3.2 常用降水方法輕型井點降水3）輕型井點布置 3 降水法 3.2 常用降水方法輕型井點降水 4）井點施工 井點系統(tǒng)的安裝順序是：挖井點溝槽、鋪設集水總管；沖孔，沉設井點管，灌填砂濾料；彎聯(lián)管將井點管與集水總管連接；安裝抽水設備；試抽。 井

17、點系統(tǒng)施工時，各工序間應緊密銜接，以保證施工質(zhì)量。各部件連接頭均應安裝嚴密，以防止接頭漏氣，影響降水效果。3 降水法 3.2 常用降水方法輕型井點降水5）施工注意a)輕型井點使用時，一般應連續(xù)抽水，（特別是開始階段）。時抽時停，濾網(wǎng)易堵塞，也容易抽出土粒，使出水混濁，并會引起附近建筑物由于土粒流失而沉降開裂；同時由于中途停抽，地下水回升，也會引起土方邊坡坍塌等事故； b)輕型井點的正常出水規(guī)律是“先大后小，先混后清”，否則應立即檢查糾正。必須經(jīng)常觀測真空度，如發(fā)現(xiàn)不足，則應立即檢查井點系統(tǒng)有無漏氣并采取相應的措施；c)采用井點降水時，應對附近的建筑物進行沉降觀測，以便采取防護措施；d)在抽水過

18、程中，應調(diào)節(jié)離心泵的出水閥以控制出水量，使抽吸排水保持均勻，達到細水長流。在抽水過程中，還應檢查有無“死井”（即井點管淤塞）。如死井太多，嚴重影響降水效果時，應逐個用高壓水反向沖洗或拔出重埋。3 降水法 3.2 常用降水方法噴射井點降水1）適用范圍當基坑開挖要求降水深度大于6m時，如用輕型井點就必須用多級井點。這會增加井點設備數(shù)量和基坑挖土量，延長工期等，往往不是經(jīng)濟的。因此，當降水深度超過6m，土層為滲透系數(shù)為0.12.0m/d的弱透水層時，以采用噴射井點為宜，其降水深度可達20m。 2）噴射井點設備在排水總管處加設一個射流泵，可以提高抽水深度達30m, 稱為射流-噴射井點。 3 降水法 3.2 常用降水方法噴射井點降水 3） 噴射井點設備與井點布置 在排水總管處加設一個射流泵，可以提高抽水深度達30m, 稱為射流-噴射井點。3 降水法 3.2 常用降水方法管井井點1） 適用條件 管井井點就是沿基坑每隔一定距離設置一個管井，每個管井單獨用一臺水泵不斷抽水來降低地下水位。在土的