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1、淺析盾構(gòu)隧道端頭加固洪俊杰摘要：第一節(jié)課，老師就說，21世紀(jì)是屬于地下工程的一個世紀(jì)，而盾構(gòu)隧道將是以后的主流。的確，進(jìn)入21世紀(jì)以來，城市人口聚集與地面交通基礎(chǔ)設(shè)施落后的矛盾日益突出，為了緩解這一矛盾，現(xiàn)代化城市建設(shè)逐步開始發(fā)展立體式交通，這使得城市地下空間的開發(fā)和利用越來越多的關(guān)注和重視。盾構(gòu)法開挖隧道因其具有機(jī)械化程度高、掘進(jìn)速度快、對周圍環(huán)境影響小、施工安全性較高等優(yōu)點(diǎn)，在城市地鐵、市政、電力等地下隧道修建過程中得到廣泛的應(yīng)用。盾構(gòu)法隧道施工中，端頭土體加固是盾構(gòu)機(jī)始發(fā)與到達(dá)技術(shù)的一個重要組成部分，也是盾構(gòu)機(jī)始發(fā)與到達(dá)事故多發(fā)地帶，端頭土體加固的
2、成功與否直接關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)能否安全始發(fā)與到達(dá)。因此，研究盾構(gòu)隧道端頭加固，合理選擇端頭加固方法和進(jìn)行必要的加固監(jiān)測，是保證盾構(gòu)法隧道順利施工的非常重要的環(huán)節(jié)。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)；始發(fā)與到達(dá)；端頭加固1、前言我們都知道，盾構(gòu)法作為城市地鐵區(qū)間隧道施工的工法之一，因?yàn)榫哂袡C(jī)械化程度高、掘進(jìn)速度快、對周圍環(huán)境影響小、施工安全性較高等眾多優(yōu)點(diǎn)，已成為世界城市線形地下空間開發(fā)利用的主流施工技術(shù)。盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)是整個盾構(gòu)施工中關(guān)鍵的兩個環(huán)節(jié)，也是盾構(gòu)施工中最容易發(fā)生風(fēng)險事故的兩道工序，近些年以來，我國盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)施工過程中時有事故發(fā)生。盾構(gòu)自工作井始發(fā)進(jìn)入隧道地層或自隧道
3、末端推出進(jìn)入工作井，首先要解決洞門區(qū)域地層封閉加固問題。當(dāng)盾構(gòu)工作井周圍地層為自穩(wěn)能力差、透水性強(qiáng)的松散砂土或飽和含水粘土?xí)r，如不對其進(jìn)行加固處理，則在工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)后必將會有大量的土體和地下水向工作井內(nèi)塌陷導(dǎo)致洞周大面積地表下沉，危及地下管線和附近建筑物。因此在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞前必須對洞門處地層進(jìn)行加固處理，即進(jìn)行端頭加固。2、盾構(gòu)端頭加固原理盾構(gòu)隧道端頭地層加固的目的是防止拆除臨時圍護(hù)結(jié)構(gòu)時的振動影響，在盾構(gòu)刀盤頂?shù)蕉祟^掌子面并建立土壓之前，能使得圍巖自穩(wěn)以及防止地下水流失，以防止開挖面坍塌，出現(xiàn)地表沉降過大或坍方等，概括起來盾構(gòu)端頭加固的目的主要有以下
4、幾點(diǎn)。（1）加固土體滿足強(qiáng)度的要求。（2）加固土體滿足整體穩(wěn)定性的要求，其中整體穩(wěn)定性包括：加固土體的靜態(tài)穩(wěn)定，包括施工期穩(wěn)定和長期穩(wěn)定性；加固土體在振動作用下的穩(wěn)定，即破除洞門時振動對加固土體的擾動影響。（3）加固土體滿足止水和滲透性的要求，特別對于富水砂土地層。（4）加固土體滿足變形特征的要求，通常指盾構(gòu)土艙內(nèi)土壓建立前。3、目前盾構(gòu)端頭加固土體強(qiáng)度及穩(wěn)定性研究我查閱了大量論文，總結(jié)起來，目前對于盾構(gòu)隧道端頭加固的理論研究主要有以下兩種理論。3.1彈性薄板理論盾構(gòu)的始發(fā)與到達(dá)端頭加固土體受力機(jī)理的分析和研究，往往將加固土體簡化圓形薄板，圓形薄板的受力
5、情況如下圖所示：彈性理論模型假設(shè)端頭土體的縱向加固范圍為t，洞門周邊自由支撐的彈性圓形薄板為加固土體。將加固土體側(cè)向水土合力的梯形荷載簡化為均布荷載，在均布荷載的作用下，加同土體中心處的彎曲應(yīng)力最大，由拉應(yīng)力理論求得強(qiáng)度驗(yàn)算公式：式中:D為洞門直徑；t為縱向加固范圍；P為作用于洞門中心處的側(cè)向水土合壓力；為加同土體的泊松比；σt為加固土體的極限抗拉強(qiáng)度；k為安全系數(shù)。由均布荷載的作用特征可知，周邊自由支撐的圓形薄板支座處的剪應(yīng)力最大，由剪應(yīng)力理論可得抗剪切強(qiáng)度的驗(yàn)算公式：式中：τc為加固土體極限抗剪強(qiáng)度。因此，根據(jù)靜力學(xué)強(qiáng)度準(zhǔn)則，端頭土體加固后應(yīng)同時滿足
6、抗拉和抗剪強(qiáng)度的要求，則端頭土體的縱向加固范圍應(yīng)為：3.2滑移失穩(wěn)模型盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)施工時，破除洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)后掌子面土體完全暴露，至刀盤頂上圍護(hù)結(jié)構(gòu)之前有一定的時間間隔，此時端頭土體在地面荷載、隧道上覆土體和側(cè)向水土壓力共同作用下，可能沿著某個滑移面從開挖面向盾構(gòu)工作井內(nèi)滑動，發(fā)生滑移失穩(wěn)破壞。目前，基于黏土的滑移失穩(wěn)理論假定滑動面為以頂點(diǎn)O為圓心，洞徑D為半徑的圓弧面，如下圖所示。對于黏土地層，假設(shè)抗滑力矩完全由土體黏聚力提供，可得:由幾何知識可知，滿足穩(wěn)定性要求的縱向加固范圍為：4、盾構(gòu)端頭加固方法4.1目前常用盾構(gòu)端頭加固方法查閱大量論文及書籍后，
7、得知端頭加固的方法由地質(zhì)條件、地下水、埋深、盾構(gòu)的機(jī)型與直徑、作業(yè)環(huán)境等條件決定，同時考慮安全性、施工方便性、經(jīng)濟(jì)性、工期等因素。目前盾構(gòu)端頭加固的方法主要有：滲透注漿法、劈裂注漿法、高壓旋噴注漿法、深層攪拌法、凍結(jié)法、擋土結(jié)構(gòu)(素混凝土墻或鉆孔樁)、降水等。下表是國內(nèi)常用的幾種加固方法的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)比較。端頭加固方法比較加固方法適用地層對環(huán)境的要求及影響使用效果造價工期注漿法適用于多種地層，尤其是深度較大的砂質(zhì)地層、砂礫層占地面積?。辉肼暫驼駝虞^??；引起地表隆起加固質(zhì)量可靠差，單獨(dú)使用風(fēng)險大低較短深層攪拌法最適用于飽和軟粘土，也適用于淤泥質(zhì)土、粉土、
8、粘土層和無流動地下水的飽和松散砂土施工占地面積較大；對周圍地層擾動小，地層不產(chǎn)生
