專利名稱：盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建筑工程技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固的 方法。
背景技術(shù)：
城市地鐵施工中，為了保證盾構(gòu)進(jìn)出洞的安全，進(jìn)出洞口土體必須要有良好 的自立性和密實(shí)性，使盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)洞口土體不坍塌，地下水通過洞口不涌入基 坑內(nèi)。當(dāng)進(jìn)出洞口處土體不能自穩(wěn)時(shí)，就必須對靠近洞門一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行 加固，采取措施改善地層的物理力學(xué)參數(shù)，提高地層的自穩(wěn)能力。目前采用較多 的方法是垂直旋噴和深層攪拌樁相結(jié)合的垂直加固法或者冰凍法。從地面向地下 深處垂直加固很不經(jīng)濟(jì)，并且高承壓水問題也較難處理；而冰凍法由于自身的先 天缺陷，如凍融可逆，冰凍中土體的體積膨脹對周圍土體及既有地下空間有較大 的影響等，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。
水平旋噴是20世紀(jì)80年代中后期開發(fā)出來的地基加固新技術(shù)，目前在我國 的地下工程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。高壓水平旋噴技術(shù)可在隧道外輪廓形成拱 形預(yù)襯砌以防止地表下沉，同時(shí)由于水平旋噴樁有梁效應(yīng)和土體改良的加強(qiáng)效 應(yīng)，上部壓力由水泥樁體拱棚和圍巖構(gòu)成的棚架體系共同支撐，提高了隧道進(jìn)出 洞口土體的自立性和密實(shí)性，使盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)土體不坍塌，防止地下水通過洞口 涌入基坑，保證了施工的安全。這種水平旋噴加固技術(shù)與以往的地鐵進(jìn)出洞口豎 直旋噴加固技術(shù)和冰凍法技術(shù)相比具有加固范圍小、成本低、效益高的優(yōu)點(diǎn)。為 了給盾構(gòu)進(jìn)出洞口加固的設(shè)計(jì)、施工提供理論指導(dǎo)和依據(jù)，確保加固工程安全、 優(yōu)質(zhì)高效的完成，需要預(yù)先通過一定的技術(shù)手段研究高壓水平旋噴加固的效果， 確定所需的土體加固范圍。
經(jīng)對現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，吳波等在《西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)》2004年發(fā) 表的"地鐵區(qū)間隧道水平旋噴預(yù)加固效果數(shù)值模擬"，該文針對某地鐵區(qū)間隧 道，借助三維彈塑性有限元程序，對有無水平旋噴加固時(shí)隧道開挖引起的變形進(jìn)
4行了對比分析，給出了有旋噴樁時(shí)，拱頂和地表最大沉降減小50%左右，洞周塑 性區(qū)范圍大大縮小的結(jié)論。但是該文并沒有解決如何確定水平旋噴加固體范圍的 問題，所涉及的水平旋噴加固體范圍是事先設(shè)定好，然后在此基礎(chǔ)上通過相關(guān)分 析給出一些定量的結(jié)論。
對待定部分土體進(jìn)行加固時(shí)時(shí)，需要確定場地土的地質(zhì)分層和土性參數(shù)。 1992年，Robertson等(Estimating coefficient of consolidation from piezocone tets, Canadian Geotechnical Journal, 29(4), 551-557;加拿大國家科學(xué)委員會主辦的《加 拿大巖土工程學(xué)報(bào)》，"用孔隙水壓式的靜力觸探測定土層的固結(jié)性狀與相關(guān)計(jì)算 公式")通過應(yīng)用孔隙水壓力的分布規(guī)律來確定土層分布及土層的固結(jié)性狀與相 關(guān)計(jì)算公式(以下簡稱Robertson方法)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，提出一種盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固 的方法。該方法可針對具體工程，給出一種經(jīng)濟(jì)、合理、可行的加固體范圍確定 方法。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括以下步驟-
(1) 采用Robertson方法對地鐵進(jìn)出洞口處的隧道周圍的土體進(jìn)行包括土 層分布、土體物理力學(xué)指標(biāo)等勘探。
(2) 通過應(yīng)用工程類比方法，確定水平旋噴施工以及盾構(gòu)進(jìn)出洞口施工時(shí)， 隧道洞口上方地表可承受的施工設(shè)備荷載和地表材料堆載等最大活荷載大小，以 及分布情況。
(3) 現(xiàn)場鉆孔，取出洞口預(yù)加固深度處土體作為試驗(yàn)用土，進(jìn)行水平旋噴 注漿材料配比試驗(yàn)比較，根據(jù)加固體的物理力學(xué)參數(shù)選擇水平旋噴注漿材料。
(4) 在現(xiàn)場待加固土體中進(jìn)行部分試驗(yàn)性噴射施工，用鉆孔取芯的方法取 出加固體，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，選擇符合在土體中的成樁強(qiáng)度施工要求的加固體，以 及施工工地的成樁的直徑。
本發(fā)明在上述基礎(chǔ)上采用步驟(1) - (4)選擇的土體和加固體參數(shù)，可以 進(jìn)行三維有限元計(jì)算和驗(yàn)證，獲得安全性判斷和經(jīng)濟(jì)性判斷。 所述的進(jìn)行三維有限元計(jì)算，包括以下步驟(1) 有限元的建模范圍水平方向應(yīng)大于(2D+2H + W)米，垂直方向應(yīng)大 于(D+2H)米，其中，D為地鐵隧道的頂部埋深，H為隧道的高度，W為隧道的 寬度，模型底面距隧道底距離不小于2H。
(2) 計(jì)算中邊界條件設(shè)定如下四個(gè)側(cè)面除了隧道洞口直徑范圍內(nèi)沒有任
何約束外，其余均施加水平側(cè)向位移約束；底面施加豎向位移約束；上表面為自 由面，沒有任何約束。
(3) 土體和加固體的本構(gòu)關(guān)系均采用考慮彈塑性應(yīng)變的莫爾庫倫等面積圓模型。
(4) 對加固體采用不同厚度(包括隧道洞口封口加固體和洞圈加固體)，不 同長度(洞圈加固體)，不同形式(半圓和整圓)進(jìn)行若干工況的試算。
把洞圈旋噴加固體的形式簡化為步驟(4)確定出的厚度為H的等效拱殼。 采用土體或加固體的等效塑性應(yīng)變區(qū)是否貫通和土體或加固體的變形是否
滿足要求的綜合判定方法，某一工況下兩者必須都滿足，才認(rèn)為此工況是安全的。
其中，地表土體的最大位移值不超過30mm，加固體的最大位移值不超過20mm。 對篩選出的滿足安全性要求的各工況，采用有限元強(qiáng)度折減法求出其安全系
數(shù)，需滿足1.5-2.0的要求，通過安全系數(shù)的再次篩選，可得到一最經(jīng)濟(jì)的加固
體范圍工況。
由此確定出的加固體工況既能滿足安全性要求，又能滿足經(jīng)濟(jì)性要求的加固 體范圍工況就是實(shí)際工程所需的預(yù)加固體。
本發(fā)明綜合考慮了土體加固范圍的各參數(shù)及影響既有地鐵進(jìn)出洞口土體加 固效果的各因素，通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)、有限元計(jì)算、有限元計(jì)算結(jié)果分析 判斷的相結(jié)合的綜合方法確定了高壓水平旋噴加固地鐵進(jìn)出洞口所需的加固體 范圍。本發(fā)明簡單可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可適用于各種土體的加固范圍的確定，為地 鐵進(jìn)出洞口加固工程順利完成提供了 一項(xiàng)重要的技術(shù)保證。


圖l為三維有限元網(wǎng)格圖2為本發(fā)明確定的加固體范圍示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方
6案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限 于下述的實(shí)施例。 實(shí)施例
上海某地鐵區(qū)間盾構(gòu)在一端頭井進(jìn)洞，盾構(gòu)隧道的進(jìn)洞部位為軟土地基，為 防止盾構(gòu)進(jìn)洞時(shí)的地層塌陷，需進(jìn)行地基加固處理，確定加固體的范圍。加固體 設(shè)計(jì)目標(biāo)強(qiáng)度為l.OMPa，固化劑采用普通波特蘭水泥和無環(huán)境污染的硅酸鹽類 速凝劑水玻璃。
具體實(shí)施步驟如下
(1) 經(jīng)詳細(xì)地質(zhì)勘探，該部分土上部由雜填土、素填土、淤泥質(zhì)填土組成。 該部分土結(jié)構(gòu)松散、天然含水量高，壓縮性大，抗剪強(qiáng)度低，物理狀態(tài)多呈軟塑
至流塑，因此工程性能較差，7m到15m為淤泥質(zhì)粘土，重度為17. lkN/m3,含水 量為48. 5%，變形模量為2. 23MPa，內(nèi)聚力為20kPa，內(nèi)摩擦角為20度。為上海 地區(qū)第④層土，水平旋噴主要在該土層中實(shí)施。
(2) 根據(jù)實(shí)際施工時(shí)，地表的施工設(shè)備和堆載情況，確定地表活荷載取為 均布載10kN/m3。
(3) 現(xiàn)場鉆孔至7m到15m的水平旋噴施工深度，取出淤泥質(zhì)粘土，做注 漿材料配比試驗(yàn)。用所取土樣與水泥漿、水玻璃溶液在試驗(yàn)室混合確定達(dá)到目標(biāo) 強(qiáng)度的水灰比為1: 1，水泥用量為243.7kg/m3。過大的水玻璃含用量不但不經(jīng) 濟(jì)，而且會引起加固土含水量的增加導(dǎo)致各個(gè)齡期抗壓強(qiáng)度的減小，通過比較確 定水泥和水玻璃的比例為4: 1時(shí)較為合適。加固體的容重比原狀土略有減小， 為16.7kg/m3，因此不會因?yàn)榧庸腆w本身的荷載的增加而對下部未加固部分產(chǎn)生 附加荷載。加固體的變形模量為150MPa，泊松比為0.3，加固體的粘聚力為500 kPa，內(nèi)摩擦角為35度。
(4) 現(xiàn)場進(jìn)行試噴射試驗(yàn)14天后，鉆孔取出加固體芯樣，在試驗(yàn)室養(yǎng)護(hù) 至28天后，做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測得加固體芯樣強(qiáng)度達(dá)到l.OMPa以上，滿 足預(yù)定要求?，F(xiàn)場通過靜力觸探試驗(yàn)測得兩根復(fù)噴旋噴樁直徑為1.2m。
(5) 新建地鐵進(jìn)洞口隧道頂部埋深8.3m，隧道直徑6.7m，三維有限元模型 長度取為90m，寬50m，高40m，有限元計(jì)算網(wǎng)格如附圖1所示。計(jì)算中邊界條 件設(shè)定如下四個(gè)側(cè)面除了隧道洞口直徑范圍內(nèi)沒有任何約束外，其余均施加水
7平側(cè)向位移約束；底面施加豎向位移約束；上表面為自由面，沒有任何約束。軟 土地層的本構(gòu)關(guān)系采用考慮彈塑性應(yīng)變的莫爾庫倫等面積圓模型。
1) 安全性判斷
對多種工況進(jìn)行若干試算后，滿足安全性要求的工況有以下兩種
工況一洞口封口加固體厚度為lm，洞圈加固體長度為6m (半圓)，厚度 為1.2ra (兩層旋噴)，加固體范圍如附圖2所示。
此工況下，地表最大位移為6.0mm，滿足小于30mm最大位移要求；洞圈加 固體最大位移為9.7mm，洞口封口加固體的最大位移為14.8mm，均滿足小于 20mm最大位移要求。
土體和加固體的等效塑性應(yīng)變區(qū)均未貫通。
工況二洞口封口加固體厚度為lm，洞圈加固體長度為6m (整圓)，厚度 為1.2m (兩層旋噴)。
此工況下，地表最大位移為4.6mm，滿足小于30mm最大位移要求；洞圈加 固體最大位移為7.4mm，洞口封口加固體的最大位移為4.2mm，均滿足小于20mm 最大位移要求。
土體和加固體的等效塑性應(yīng)變區(qū)均未貫通。
2) 經(jīng)濟(jì)性判斷
某工況下，將土體和加固體的粘聚力和內(nèi)摩擦角值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)， 得到一組新的值，然后作為新的資料參數(shù)輸入，再進(jìn)行試算，當(dāng)計(jì)算不收斂時(shí)(采 用土體或加固體的等效塑性應(yīng)變區(qū)是否貫通和土體或加固體的變形是否滿足要 求的綜合判定方法)，對應(yīng)的折減系數(shù)就是此工況的安全系數(shù)。
用此方法可求得工況一的安全系數(shù)為1. 7,滿足1. 5-2. 0的經(jīng)濟(jì)性要求；工 況一的安全系數(shù)為2. 1不滿足經(jīng)濟(jì)性要求，因此工況一所確定的加固體范圍為 本發(fā)明方法所確定的滿足安全、經(jīng)濟(jì)要求的最佳加固體范圍。
通常采用的垂直加固范圍分盾構(gòu)出洞和盾構(gòu)進(jìn)洞兩種情況，結(jié)合實(shí)例中的區(qū) 間盾構(gòu)洞口，盾構(gòu)進(jìn)洞情況時(shí)所需垂直加固體體積為484m3;盾構(gòu)出洞情況時(shí)所 需垂直加固體體積為968m3。本方法所確定的加固體體積為214m3，與垂直加固 相比，利用本發(fā)明方法所確定的水平旋噴加固范圍進(jìn)行加固具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。對盾構(gòu)進(jìn)洞口的加固可以使加固體的體積節(jié)省55%以上，對出洞口的加固可以 使加固體的體積節(jié)省75%以上。
權(quán)利要求
1、一種盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)采用Robertson方法對地鐵進(jìn)出洞口處的隧道周圍的土體進(jìn)行包括土層分布、土體物理力學(xué)指標(biāo)勘探；(2)通過應(yīng)用工程類比方法，確定水平旋噴施工以及盾構(gòu)進(jìn)出洞口施工時(shí)，隧道洞口上方地表可承受的施工設(shè)備荷載和地表材料堆載最大活荷載大小，以及分布情況；(3)現(xiàn)場鉆孔，取出洞口預(yù)加固深度處土體作為試驗(yàn)用土，進(jìn)行水平旋噴注漿材料配比試驗(yàn)比較，根據(jù)加固體的物理力學(xué)參數(shù)選擇水平旋噴注漿材料；(4)在現(xiàn)場待加固土體中進(jìn)行部分試驗(yàn)性噴射施工，用鉆孔取芯的方法取出加固體，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，選擇符合在土體中的成樁強(qiáng)度施工要求的加固體，以及施工工地的成樁的直徑。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固的方法，其特征是，對步 驟(1) - (4)選擇的土體和加固體參數(shù)，進(jìn)行三維有限元計(jì)算和驗(yàn)證，獲得安 全性判斷和經(jīng)濟(jì)性判斷。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固的方法，其特征是，所述 的進(jìn)行三維有限元計(jì)算，包括以下步驟(1) 有限元的建模范圍水平方向應(yīng)大于(2D+2H+W)米，垂直方向應(yīng)大 于(D+2H)米，其中，D為地鐵隧道的頂部埋深，H為隧道的高度，W為隧道的 寬度，模型底面距隧道底距離不小于2H;(2) 計(jì)算中邊界條件設(shè)定如下四個(gè)側(cè)面除了隧道洞口直徑范圍內(nèi)沒有任 何約束外，其余均施加水平側(cè)向位移約束；(3) 土體和加固體的本構(gòu)關(guān)系均采用考慮彈塑性應(yīng)變的莫爾庫倫等面積圓模型；(4) 對加固體采用包括隧道洞口封口加固體和洞圈加固體各種厚度、洞圈 加固體的長度，半圓和整圓的形式進(jìn)行若干工況的試算。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固的方法，其特征是，所述 的邊界條件，底面施加豎向位移約束；上表面為自由面。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固的方法，其特征是，所述 的洞圈旋噴加固體，形式簡化為步驟(4)的厚度為H的等效拱殼。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固的方法，其特征是，所述的安全性判斷，是指采用土體或加固體的等效塑性應(yīng)變區(qū)是否貫通和土體或加固體的變形是否滿足要求的綜合判定方法，某一工況下兩者必須都滿足，才認(rèn)為 此工況是安全的。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固的方法，其特征是，所述 的安全性，是地表土體的最大位移值小于等于30mra，加固體的最大位移值小于 等于20mm。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固的方法，其特征是，所述 的經(jīng)濟(jì)性判斷，是指對篩選出的滿足安全性要求的各工況，采用有限元強(qiáng)度折 減法求出其安全系數(shù)，滿足1.5-2.0的要求，通過安全系數(shù)的篩選，獲得最經(jīng)濟(jì) 的加固體工況。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種建筑工程技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是盾構(gòu)進(jìn)出洞口土體加固的方法。包括以下步驟采用Robertson方法對地鐵進(jìn)出洞口處的隧道周圍的土體進(jìn)行勘探；通過應(yīng)用工程類比方法，確定可承受的最大活荷載大小，以及分布情況；現(xiàn)場鉆孔，根據(jù)加固體的物理力學(xué)參數(shù)選擇水平旋噴注漿材料；在現(xiàn)場待加固土體中進(jìn)行部分試驗(yàn)性噴射施工，選擇符合在土體中的成樁強(qiáng)度施工要求的加固體，以及施工工地的成樁的直徑。本發(fā)明綜合考慮了各因素，通過分析判斷的相結(jié)合的綜合方法確定了高壓水平旋噴加固地鐵進(jìn)出洞口所需的加固體范圍。本發(fā)明簡單可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可適用于各種土體的加固范圍的確定，為地鐵進(jìn)出洞口加固工程順利完成提供了一項(xiàng)重要的技術(shù)保證。
文檔編號E21D9/00GK101566063SQ200910052460
公開日2009年10月28日 申請日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
發(fā)明者陽 孫, 沈水龍, 羅春泳 申請人:上海交通大學(xué)