深圳地鐵某區間段雨水管穩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生不利影響甚至破壞。主要介紹了深圳地鐵某區間段鄰近盾構線雨水管的穩定分析與灌漿加固施工,可為今后類似工程提供參考。
關鍵詞:地鐵隧道;市政管線;穩定分析;灌漿加固
1 　工程概況
城市地鐵與地下設施的新建,對城市環境的影響不容忽視, 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間段的管線調查過程中,發現在某車站端頭井附近有一根直徑為1850mm(內徑為1650mm) 的雨水管,管邊緣距離盾構端頭井10m ,其底部到地表的距離為4m ,距離設計的隧道中心線只有3. 744m ,即盾構機通過雨水管下方時,盾構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,當盾構機通過時將無法保持土層穩定,并有可能造成雨水管線下沉和管節拉脫,導致城市地下排水系統的中斷以及水涌隧道和端頭井,淹沒盾構機,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接頭處加固的措施。

圖1 　盾構隧道與雨水管位置關系
2 　工程地質概況
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,因此地層復雜,包括了上覆第四系全新統人工堆積層、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) 淤泥質粉質粘土: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,含淤泥質土,為地震可液化層,9. 0m 以下灰色,灰黃色。
(5) 中砂質粘性土: 厚約1. 2m , 地層高程為-8. 49 ～ -9. 69m ,黃褐,肉紅,灰白色;硬塑。

表1 各土層物理力學性質指標

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,則管道將發生斷裂破壞。當地下隧道通過管線下方時,不可避免的要對其周圍土體產生擾動,地層產生沉降,對于本工程而言由于隧道與雨水管之間土層相當薄,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,它們之間除了結構與施工上的差異外,地層沉降對其影響也表現出不同形狀,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:
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。盾構穿越管底以下土層時,管道因為地層的擾動及變形而產生彎曲應力σ。當σ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) 超過預計幅度,管道中的最大彎曲應力σ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: d4Wp q (1)
dx4 + 4λ4Wp = EpIp λ=式中:4IpKEp ,K為基床系數(kN/ m3) ,Ip 為管道截面慣性矩(m4) ;
q ———作用在管道上的壓力,根據文克爾地基模型理論q 應等于基床系數與地層變形量的乘積。對于本工程,當地層無沉陷時,q = KWp;當地層發生沉降W 時,q = K(Wp -W) 。對于地層沉降量W 的值,當盾構與管道軸線正交時可直接由派克公式給出,如下:

W = V1 exp(-x) (2)
2πl0 2l2
式中:x ——與隧道中心線的距離,m ;
—
l0 沉降寬度系數,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)/
對于地層損失量,在工程實踐中,它與盾構種類、操作方法、地層條件、地面環境及施工管理嚴格程度等因素有關,一般很難估計,故常根據實際施工條件直接按規定所給的表選取。
將(2) 式與發生沉降時的q 代入(1) 式,則可得如下表達式:
2
d4Wp = -V1 K exp(-x
dx4 EpIp 2πl0 2l2 (3)
0
對(3) 式積分,但是考慮到(3) 式中的exp 函數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,簡化為多項式的形式,并兩次積分得如下表達式:
d2Wp
24
x
dx2 = C(x2 -24l2) + C1x + C2(略去更高次項) (4)
0
式中:C = -EpIpV1 K2πl0=-0. 23 ×45 ;
2. 8 ×104 ×0. 214 × 2π×4. 5 C1 、C2 常數。
根據上式可以導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生的應變: DC2x4 DC1DC2
εx=D52Wp=2(x -x + (6)
25x2 2 24l20)+ 2 2 式中:D ——為雨水管的直徑?！?BR>
在盾構掘進影響范圍以外,雨水管可以看作不受土體擾動的影響,以此為邊界條件來確定C1 、C2 的值。根據派克公式當x = ±2. 5l0時地面沉降為零,因此雨水管的應變也應為零,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力也是最大的,因此最大應力可以表示為:
DC2σw= Epεx = 0 = Ep = 117. 84MPa
2 由上式可知σw 遠大于雨水管的抗拉強度,即受盾構擾動的影響,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[2 ][3 ]
4. 1 　施工方案的確定
對地下工程所引起的環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:在盾構掘進前通過預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生過大的變形而破壞。在盾構掘進時,為了彌補因盾構注漿不足而產生的地層損失,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,因此設計在管道內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深度淺,數量較多,移位頻繁,而且工期緊,我們采用了風鉆成孔。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,而且成孔質量好。只是在城區施工無法控制噪音,對環境有不利影響。
整個加固區域長度為22m ,在雨水管兩側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。成孔作業的順序為先施工外圍鉆孔,然后內圍鉆孔并隔孔跳打,成孔之后插入注漿管?？紤]到盾構機通過之后對土體有很大的擾動,在雨水管兩側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量。當水泥漿攪制完成之后,連接好注漿管與注漿泵以0. 7MPa 的壓力持續注漿,注漿結束保持5min 左右的穩壓和回壓時間,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層的順序,并且隔孔跳注的方法,每孔注漿設定的水泥用量為1000kg(20 袋×50kg) 。另外,在充填注漿時應根據監測情況迅速及時的注漿。
在注漿施工中經常出現三種問題: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,當出現串漿情況時,應停止灌漿,停12h 以上待水泥終凝以后繼續補灌余漿。在注漿過程之中,因為攪拌機、注漿泵等故障而導致注漿中斷,應立即采取措施修復或調換設備,盡量縮短中斷時間。當中斷時間不超過水泥初凝時間的可以繼續灌漿。
4. 5 　內支撐的安裝
盾構機掘進時雨水管最可能出現的情況是由于不均勻沉陷而導致管節脫裂,為了防止這種情況的發生,在雨水管內接頭處安裝了鋼架支撐以增強其剛度,這樣做也為出現意外情況時的搶險贏得時間。
5 　結束語
雖然雨水管的驗算涉及到地層參數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。對于本工程通過對雨水管進行灌漿加固以及配裝內支撐,確保了地鐵隧道的順利施工,同時也保護了地下管線免于破壞。此種施工方法簡單易行同時又能滿足工程要求,具有良好的經濟與社會效應。

參考文獻:
[1 ] 　侯學淵,錢達仁,楊林德,等. 軟土工程施工新技術[ M ]. 合肥:安徽科學技術出版社,1999.
[2 ] 　程驍,張鳳祥. 土建注漿施工與效果檢測[ M ]. 上海:同濟大學出版社,1998.
[3 ] 　彭振斌. 注漿工程設計計算與施工[ M ]. 武漢:中國地質大學出版, 1997.