深圳地鐵某區(qū)間段雨水管穩(wěn)定分析驗算與灌漿施工

1、深圳地鐵某區(qū)間段雨水管穩(wěn)定分析驗算與灌漿施工摘要:地鐵隧道的施工不可避免的要對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)查過程中,發(fā)現(xiàn)在某車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)計的隧道中心線只有3.744m,即盾構(gòu)機通過雨水管

2、下方時,盾構(gòu)機拱頂與雨水管底僅有0.744m的垂直距離(如圖1所示)。對于這么薄的土層,當(dāng)盾構(gòu)機通過時將無法保持土層穩(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,淹沒盾構(gòu)機,造成重大事故。為了保證隧道施工和管線的安全,對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

3、,地層高程為3.512.01m。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管道安全性的檢驗計算地下管線分為剛性管線與柔性管線。對于剛性地下管

4、線,地層位移不大時可以正常使用,位移幅度超過一定限度時,則管道將發(fā)生斷裂破壞。當(dāng)?shù)叵滤淼劳ㄟ^管線下方時,不可避免的要對其周圍土體產(chǎn)生擾動,地層產(chǎn)生沉降,對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管線進行檢驗計算。3.1管道剛性與柔性的判斷對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,因此對于管線剛性與柔性的判斷非常重要。對敷設(shè)于地下的圓形或拱形管道來說,我們可以通過管道與土之間的剛度比,來判斷管道的剛、柔性。按以下公式確定比值:s=Ep(t)3/Esr0=(100&am

5、p;#215;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計算半徑(自管中875mm)。上式中s1,所以此工程中的地下管線可以作為剛性管線分析。3.2雨水管的檢驗計算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行分析計算。盾構(gòu)穿越管底以下土層時,管道因為

6、地層的擾動及變形而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。當(dāng)小于管材允許的抗拉(壓)強度時,一般不需要加固。如地層變形(沉降)超過預(yù)計幅度,管道中的最大彎曲應(yīng)力大于允許值時,則需要對管道及其周圍地層進行加固。如果將管道位移記為Wp,則有:d4Wpq(1)dx4+44Wp=EpIp=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。對于本工程,當(dāng)?shù)貙訜o沉陷時,q=KWp;當(dāng)?shù)貙影l(fā)生沉降W時,q=K(Wp-W)。對于地層沉降量W的值,當(dāng)盾構(gòu)與管道軸線正交時可直接由派克公式給出,如下:W=V1exp(-x)(2)2l0

7、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+R4.744+3l0=4.5(m)2tg(45°-2)2tg(45°-21°2)/對于地層損失量,在工程實踐中,它與盾構(gòu)種類、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,故常根據(jù)實際施工條件直接按規(guī)定所給的表選取。將(2)式與發(fā)生沉降時的q代入(1)式,則可得如下表達式:2d4Wp=-V1Kexp(-xdx4EpIp2l02l2(3)0對(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

8、=0處展開,簡化為多項式的形式,并兩次積分得如下表達式:d2Wp24xdx2=C(x2-24l2)+C1x+C2(略去更高次項)(4)0式中:C=-EpIpV1K2l0=-0.23×45;2.8×104×0.214×2×4.5C1、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:52WpM=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:DC2x4DC1DC2x=D52Wp=2(x-x+(6)25x2224l20)+22式中:D為雨水管的直徑。在盾構(gòu)掘進影響范圍以外,雨水管可以看

9、作不受土體擾動的影響,以此為邊界條件來確定C1、C2的值。根據(jù)派克公式當(dāng)x=±2.5l0時地面沉降為零,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:DC2w=Epx=0=Ep=117.84MPa2由上式可知w遠大于雨水管的抗拉強度,即受盾構(gòu)擾動的影響,在沒有任何加固措施的情況下雨水管因拉裂而破壞,所以對雨水管采取加固是必須的。4施工方案234.1施工方案的確定對地下工程所引起

10、的環(huán)境問題有本體保護與積極保護法之分,在此工程中采用灌漿托換加跟蹤注漿的本體保護法。具體的方法是:在盾構(gòu)掘進前通過預(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不致產(chǎn)生過大的變形而破壞。在盾構(gòu)掘進時,為了彌補因盾構(gòu)注漿不足而產(chǎn)生的地層損失,采用充填注漿來進一步加固雨水管下的土層。另外,在以上的分析驗算中沒有考慮管道接頭處剛度的突變,因此設(shè)計在管道內(nèi)部接頭處加剛支撐以增強管道接頭承受變形的能力。4.2鉆孔施工對于土層灌漿鉆孔,理論上可用很多種鉆機與鉆進方法成孔。但是考慮到此次施工所要求的鉆孔

11、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。實踐證明這種鉆孔方法是可行的,不僅鉆孔速度較快移動方便,而且成孔質(zhì)量好。只是在城區(qū)施工無法控制噪音,對環(huán)境有不利影響。整個加固區(qū)域長度為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)的順序為先施工外圍鉆孔,然后內(nèi)圍鉆孔并隔孔跳打,成孔之后插入注漿管?？紤]到盾構(gòu)機通過之后對土體有很大的擾動,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注漿材料制備對于預(yù)加固

12、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。對于充填注漿采用42.5R普通水泥,摻入水泥用量1%2%的膨潤土,水灰比為1。成孔后即可開始攪制水泥漿,水泥漿攪拌時間5min,水泥漿攪拌好后,過5mm篩孔濾篩,放至儲漿桶備用,待注漿系統(tǒng)連接好之后即可以開始注漿。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100

13、0kg(20袋×50kg)。另外,在充填注漿時應(yīng)根據(jù)監(jiān)測情況迅速及時的注漿。在注漿施工中經(jīng)常出現(xiàn)三種問題:冒漿、串漿與注漿中斷。對于防止冒漿,首先要檢查絲扣的密封情況,其次切實作好注漿管與鉆孔的密封。對于串漿,采用跳注就是其防范措施之一,另外注漿壓力不能過大,當(dāng)出現(xiàn)串漿情況時,應(yīng)停止灌漿,停12h以上待水泥終凝以后繼續(xù)補灌余漿。在注漿過程之中,因為攪拌機、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,盡量縮短中斷時間。當(dāng)中斷時間不超過水泥初凝時間的可以繼續(xù)灌漿。4.5內(nèi)支撐的安裝盾構(gòu)機掘進時雨水管最可能出現(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其剛度,這樣做也為出現(xiàn)意外情況時的搶險贏得時間。5結(jié)束語雖然雨水管的驗算涉及到地層參數(shù)的不確定性以及模型的簡化等多方面的問題,但是它提供了一種簡單可行的定量分析方法,而且能夠滿足工程要求