深圳地铁某区间段雨水管稳定分析验算与灌浆施工
摘要:地铁隧道的施工不可避免的要对各种地下市政管线产生不利影响甚至破坏。主要介绍了深圳地铁某区间段邻近盾构线雨水管的稳定分析与灌浆加固施工,可为今后类似工程提供参考。
关键词:地铁隧道;市政管线;稳定分析;灌浆加固
1 工程概况
城市地铁与地下设施的新建,对城市环境的影响不容忽视, 特别是地下市政管线涉及影响范围广,尤其要引起重视。在深圳地铁一期工程某区间段的管线调查过程中,发现在某车站端头井附近有一根直径为1850mm(内径为1650mm) 的雨水管,管边缘距离盾构端头井10m ,其底部到地表的距离为4m ,距离设计的隧道中心线只有3. 744m ,即盾构机通过雨水管下方时,盾构机拱顶与雨水管底仅有0. 744m 的垂直距离(如图1 所示) 。对于这么薄的土层,当盾构机通过时将无法保持土层稳定,并有可能造成雨水管线下沉和管节拉脱,导致城市地下排水系统的中断以及水涌隧道和端头井,淹没盾构机,造成重大事故。为了保证隧道施工和管线的安全,对雨水管采用了注浆加固与管道内接头处加固的措施。
图1 盾构隧道与雨水管位置关系
2 工程地质概况
深圳地铁沿线跨越了海积平原、海积冲积平原、冲积平原和台地几大地貌单元,因此地层复杂,包括了上覆第四系全新统人工堆积层、海积层、海冲积层及第四系残积层,下伏燕山期花岗岩。地层从上至下依次分布情况及其岩性特征如下:
(1) 素填土(粘土): 层厚约为1. 5m ,地层高程为3. 51～ 2. 01m。肉红色,灰白色;硬塑,混砂,0. 6m ,以上为水泥路面与砂垫层。
(2) 砾砂:层厚约为3. 30m ,地层高程为2. 01～ -1. 29m。
(3) 淤泥质粉质粘土:层厚约为1. 70m ,地层高程为-～ -2. 99m ,灰黑色;流塑,含贝壳,具有臭味,局部夹中砂。
(4) 中砂:层厚约5. 50m ,地层高程为-2. 99～ -8. 49m ,灰色,灰黑色;松散,饱和,含淤泥质土,为地震可液化层,9. 0m 以下灰色,灰黄色。
(5) 中砂质粘性土: 厚约1. 2m , 地层高程为-8. 49 ～ -9. 69m ,黄褐,肉红,灰白色;硬塑。
表1 各土层物理力学性质指标
3 管道安全性的检验计算
地下管线分为刚性管线与柔性管线。对于刚性地下管线,地层位移不大时可以正常使用,位移幅度超过一定限度时,则管道将发生断裂破坏。当地下隧道通过管线下方时,不可避免的要对其周围土体产生扰动,地层产生沉降,对于本工程而言由于隧道与雨水管之间土层相当薄,地层沉降(变形) 的影响尤为明显,因此需要在工程施工前对管线进行检验计算。
3. 1 管道刚性与柔性的判断
对于刚性与柔性管道而言,它们之间除了结构与施工上的差异外,地层沉降对其影响也表现出不同形状,从而影响到加固的措施,因此对于管线刚性与柔性的判断非常重要。对敷设于地下的圆形或拱形管道来说,我们可以通过管道与土之间的刚度比,来判断管道的刚、柔性。按以下公式确定比值:
αs= Ep( t )3/Es r0= (100×2. 80 ×104/ 5. 5 = 7. 6875) 3 式中: Ep 管道材料的弹性模量, MPa , C25 混凝土弹模为2. 80 ×104MPa ; Es 土的压缩模量,MPa ;灰色,灰黑色;松散,饱和,含贝壳,具有臭味。心线到管壁中心线的距离为: 1. 29t ———管壁厚,此工程中管壁厚为100mm ; r0 ———计算半径(自管中875mm) 。上式中αs> 1 ,所以此工程中的地下管线可以作为刚性管线分析。
3. 2 雨水管的检验计算[1 ]
为了描述土层与雨水管之间的相互作用,即确定土层反力与地层变形之间的关系,采用了文克尔地基模型,在此工程中把刚性管道按弹性地基梁进行分析计算。盾构穿越管底以下土层时,管道因为地层的扰动及变形而产生弯曲应力σ。当σ小于管材允许的抗拉(压) 强度时,一般不需要加固。如地层变形(沉降) 超过预计幅度,管道中的最大弯曲应力σ大于允许值时,则需要对管道及其周围地层进行加固。
如果将管道位移记为Wp ,则有: d4Wp q (1)
dx4 + 4λ4Wp = EpIp λ=式中:4IpKEp ,K为基床系数(kN/ m3) ,Ip 为管道截面惯性矩(m4) ;
q ———作用在管道上的压力,根据文克尔地基模型理论q 应等于基床系数与地层变形量的乘积。对于本工程,当地层无沉陷时,q = KWp;当地层发生沉降W 时,q = K(Wp -W) 。对于地层沉降量W 的值,当盾构与管道轴线正交时可直接由派克公式给出,如下:
W = V1 exp(-x) (2)
2πl0 2l2
式中:x ——与隧道中心线的距离,m ;
—
l0 沉降宽度系数,m ;
V1 ———地层损失量,m。
H + R 4. 744 + 3
l0= = = 4. 5(m)
φ
2πtg(45°-2) 2πtg(45°-21°2)/
对于地层损失量,在工程实践中,它与盾构种类、操作方法、地层条件、地面环境及施工管理严格程度等因素有关,一般很难估计,故常根据实际施工条件直接按规定所给的表选取。
将(2) 式与发生沉降时的q 代入(1) 式,则可得如下表达式:
2
d4Wp = -V1 K exp(-x
dx4 EpIp 2πl0 2l2 (3)
0
对(3) 式积分,但是考虑到(3) 式中的exp 函数积分不能得到解析式,因此这里采用泰勒公式将其在x = 0 处展开,简化为多项式的形式,并两次积分得如下表达式:
d2Wp
24
x
dx2 = C(x2 -24l2) + C1x + C2(略去更高次项) (4)
0
式中:C = -EpIpV1 K2πl0=-0. 23 ×45 ;
2. 8 ×104 ×0. 214 × 2π×4. 5 C1 、C2 常数。
根据上式可以导出作用在雨水管上的弯矩M :
52Wp
M = EpIp (5)
5x2 由上式(5) 可以得到雨水管由于地层沉降而产生的应变: DC2x4 DC1DC2
εx=D52Wp=2(x -x + (6)
25x2 2 24l20)+ 2 2 式中:D ——为雨水管的直径。—
在盾构掘进影响范围以外,雨水管可以看作不受土体扰动的影响,以此为边界条件来确定C1 、C2 的值。根据派克公式当x = ±2. 5l0时地面沉降为零,因此雨水管的应变也应为零,代入
(6) 式即可得到C1 = 0 、C2 = 4. 55 ×10-3 。
由派克公式可知,在隧道中心线上出现最大沉降,因此此处(x = 0) 雨水管的变形也是最大的,即此处由变形引起的管道应力也是最大的,因此最大应力可以表示为:
DC2σw= Epεx = 0 = Ep = 117. 84MPa
2 由上式可知σw 远大于雨水管的抗拉强度,即受盾构扰动的影响,在没有任何加固措施的情况下雨水管因拉裂而破坏,所以对雨水管采取加固是必须的。
4 施工方案[2 ][3 ]
4. 1 施工方案的确定
对地下工程所引起的环境问题有本体保护与积极保护法之分,在此工程中采用灌浆托换加跟踪注浆的本体保护法。具体的方法是:在盾构掘进前通过预加固灌浆把雨水管与地铁隧道之间的土层加固,形成具有一定形状、一定强度且均匀的粘结体,使之在雨水管与地铁隧道之间形成平板状加固层,以免雨水管在隧道穿越时不致产生过大的变形而破坏。在盾构掘进时,为了弥补因盾构注浆不足而产生的地层损失,采用充填注浆来进一步加固雨水管下的土层。另外,在以上的分析验算中没有考虑管道接头处刚度的突变,因此设计在管道内部接头处加刚支撑以增强管道接头承受变形的能力。
4. 2 钻孔施工
对于土层灌浆钻孔,理论上可用很多种钻机与钻进方法成孔。但是考虑到此次施工所要求的钻孔深度浅,数量较多,移位频繁,而且工期紧,我们采用了风钻成孔。实践证明这种钻孔方法是可行的,不仅钻孔速度较快移动方便,而且成孔质量好。只是在城区施工无法控制噪音,对环境有不利影响。
整个加固区域长度为22m ,在雨水管两侧各布置两排斜向注浆孔,孔距为800mm ,排距为693mm ,采用梅花型布置方式,孔与水平面呈50°角。成孔作业的顺序为先施工外围钻孔,然后内围钻孔并隔孔跳打,成孔之后插入注浆管。考虑到盾构机通过之后对土体有很大的扰动,在雨水管两侧又分别布置了一排垂直充填注浆孔以加固受扰动土体。充填注浆孔的布置为:距管壁边缘500mm ,孔距为1000mm。
4. 3 注浆材料制备
对于预加固注浆采用42. 5R 普通水泥,另外掺入水泥用量3 %～5 %的速凝剂,水灰比为0. 5 。对于充填注浆采用42. 5R 普通水泥,掺入水泥用量1 %～2 %的膨润土,水灰比为1 。成孔后即可开始搅制水泥浆,水泥浆搅拌时间≥5min ,水泥浆搅拌好后,过5mm 筛孔滤筛,放至储浆桶备用,待注浆系统连接好之后即可以开始注浆。
4. 4 注浆施工
注浆施工是静压注浆工程的两大工序之一,直接影响到注浆加固的质量。当水泥浆搅制完成之后,连接好注浆管与注浆泵以0. 7MPa 的压力持续注浆,注浆结束保持5min 左右的稳压和回压时间,并用少量清水替换水泥浆清洗泵及连接管。注浆采用先外围再内层的顺序,并且隔孔跳注的方法,每孔注浆设定的水泥用量为1000kg(20 袋×50kg) 。另外,在充填注浆时应根据监测情况迅速及时的注浆。
在注浆施工中经常出现三种问题:冒浆、串浆与注浆中断。对于防止冒浆,首先要检查丝扣的密封情况,其次切实作好注浆管与钻孔的密封。对于串浆,采用跳注就是其防范措施之一,另外注浆压力不能过大,当出现串浆情况时,应停止灌浆,停12h 以上待水泥终凝以后继续补灌余浆。在注浆过程之中,因为搅拌机、注浆泵等故障而导致注浆中断,应立即采取措施修复或调换设备,尽量缩短中断时间。当中断时间不超过水泥初凝时间的可以继续灌浆。
4. 5 内支撑的安装
盾构机掘进时雨水管最可能出现的情况是由于不均匀沉陷而导致管节脱裂,为了防止这种情况的发生,在雨水管内接头处安装了钢架支撑以增强其刚度,这样做也为出现意外情况时的抢险赢得时间。
5 结束语
虽然雨水管的验算涉及到地层参数的不确定性以及模型的简化等多方面的问题,但是它提供了一种简单可行的定量分析方法,而且能够满足工程要求。对于本工程通过对雨水管进行灌浆加固以及配装内支撑,确保了地铁隧道的顺利施工,同时也保护了地下管线免于破坏。此种施工方法简单易行同时又能满足工程要求,具有良好的经济与社会效应。
参考文献:
[1 ] 侯学渊,钱达仁,杨林德,等. 软土工程施工新技术[ M ]. 合肥:安徽科学技术出版社,1999.
[2 ] 程骁,张凤祥. 土建注浆施工与效果检测[ M ]. 上海:同济大学出版社,1998.
[3 ] 彭振斌. 注浆工程设计计算与施工[ M ]. 武汉:中国地质大学出版, 1997.
