盾构始发与到达端头加固理论与实践 专题讨论.pdf

中国中国*大学（北京）大学（北京） 建筑之家 整理建筑之家 整理 盾构始发与到达端头加固理论与实践 专 题 讨 论 盾构始发与到达端头加固理论与实践 专 题 讨 论 ?1.为什么要进行端头加固？1.为什么要进行端头加固？ ?2.端头加固的理论计算方法是什么？2.端头加固的理论计算方法是什么？ ?3.端头加固的基本要求是什么？3.端头加固的基本要求是什么？ ?4.常用的加固方法及其优缺点和适用范围。4.常用的加固方法及其优缺点和适用范围。 讨论的主要内容讨论的主要内容讨论的主要内容讨论的主要内容 ?端头加固的目的端头加固的目的与意义 满足土体强度的要求满足土体强度的要求 满足土体稳定性的要求满足土体稳定性的要求 加固土体的静态稳定，包括施工期稳定性和长期稳定性。加固土体的静态稳定，包括施工期稳定性和长期稳定性。 加固土体的扰动影响，破洞门振动过大对土体的扰动等。加固土体的扰动影响，破洞门振动过大对土体的扰动等。 满足加固（土体）的渗透性要求满足加固（土体）的渗透性要求（特别是水+沙+压力的情况）（特别是水+沙+压力的情况） 满足加固（土体）的变形特征的要求满足加固（土体）的变形特征的要求 （土压建立前和土压消失后）（土压建立前和土压消失后） 1 1 1 1、为什么要进行端头加固？、为什么要进行端头加固？、为什么要进行端头加固？、为什么要进行端头加固？ ?需要注意的问题需要注意的问题 ?强度和稳定性强度和稳定性 参数的选取，特别是土体的抗拉强度和水土压力； 稳定性验算只适合于粘性土（滑移失稳理论）； 长期稳定性问题没有解决； 加固土体的扰动问题没有解决； ?渗透性问题渗透性问题 渗透系数10-7的根据？ 水+沙+压力对加固长度的要求 ?变形特征变形特征 保持在土压建立起来之前（盾构始发）和消失之后（盾构到 达）的一段时间里，上覆土体变形的可控。 1.1.1.1.为什么要进行端头加固？为什么要进行端头加固？为什么要进行端头加固？为什么要进行端头加固？ ?传统的端头加固计算方法传统的端头加固计算方法 ?新的研究结果新的研究结果 2.2.2.2.端头加固的理论计算方法端头加固的理论计算方法端头加固的理论计算方法端头加固的理论计算方法 加固土体强度要求：薄板弯曲理论计算加固体厚度加固土体强度要求：薄板弯曲理论计算加固体厚度 传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法 土压 水压 简化 薄板理论计算模型图薄板理论计算模型图 加固土体加固土体加固土体加固土体 ?强度计算公式强度计算公式 ?国外:国外: 日本jet grout 协会（jjga）规范的计算公式，加固厚度为：日本jet grout 协会（jjga）规范的计算公式，加固厚度为： 其中：其中： p :洞门中心处的水土合力；p :洞门中心处的水土合力； d ：封门直径；d ：封门直径； t t：加固土体的极限抗拉强度；：加固土体的极限抗拉强度； 安全系数k安全系数ko o取1.52.0，计算系数取1.2。取1.52.0，计算系数取1.2。 2 0 1 2 4 t kpd t = 传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法 ?国内：（静力学理论）国内：（静力学理论） 最大弯曲应力（中心处）最大弯曲应力（中心处）： 最大剪力（支座处）：最大剪力（支座处）： () 2 max 2 1 1 . 32 3 8 t pd tk =+ max 2 4 c pd tk = 传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法 强度验算要求强度验算要求 整体稳定性验算图整体稳定性验算图 传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法 ?稳定性计算公式稳定性计算公式 ?纵向加固范围（粘性土滑移失稳理论）纵向加固范围（粘性土滑移失稳理论） 抗滑安全要求：抗滑安全要求： 其中：其中：m：滑动力矩；：滑动力矩； m抗 抗：抗滑力矩； ：抗滑力矩； c：加固前土体的粘结力； ：加固前土体的粘结力； c：加固后土体的粘结力；：加固后土体的粘结力； h： 上覆土体的厚度；： 上覆土体的厚度； p1： 地面荷载： 地面荷载 3 1.5 m k m = 抗 3 2 () sin k mm rad c d td = = 抗 传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法 ?横向加固范围（土体扰动极限平衡理论）横向加固范围（土体扰动极限平衡理论） ? ?式中式中 ?r:松动圈半径；r:松动圈半径； ?a:盾构隧道半径。a:盾构隧道半径。 传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法 2sin 1 sin 1 cot m ra c =+ 松动圈松动圈松动圈松动圈 隧道隧道隧道隧道 ar cos() () 42 a c ah = + ?横向加固范围计算公式横向加固范围计算公式 () cosla ha=+ () 1 hk ra= 传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法传统端头加固的理论计算方法 加固范围的确定加固范围的确定 端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果 计计计计 算算算算 模模模模 型型型型 水土合力梯形荷载水土合力梯形荷载水土合力梯形荷载水土合力梯形荷载 矩形均布荷载矩形均布荷载矩形均布荷载矩形均布荷载三角形反对称荷载三角形反对称荷载三角形反对称荷载三角形反对称荷载 弹性薄板理论弹性薄板理论弹性薄板理论弹性薄板理论弹性薄板理论弹性薄板理论弹性薄板理论弹性薄板理论 叠加后梯形荷载作用下加固土体内力叠加后梯形荷载作用下加固土体内力叠加后梯形荷载作用下加固土体内力叠加后梯形荷载作用下加固土体内力 加固土体纵向加固厚度加固土体纵向加固厚度加固土体纵向加固厚度加固土体纵向加固厚度 剪应力理论剪应力理论剪应力理论剪应力理论 拉应力理论拉应力理论拉应力理论拉应力理论 荷载等效荷载等效荷载等效荷载等效 内力叠加内力叠加内力叠加内力叠加 加固计算示意图： 端头土体纵向加固厚度： 加固计算示意图： 端头土体纵向加固厚度： 331 122 123 max, , 1616 ttc kkk tt t t = 梯形荷载加固土体 a y x o a t x z qa b q 极坐标转化 端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果 ?最大拉应力理论最大拉应力理论 ?径向弯曲应力径向弯曲应力 当时， 取 纵向加固厚度：纵向加固厚度： 端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果 2 1111 1 1 0 4 2 bbac a = = 1 0 ()()()() 2 1 1 22 max 13 3(5) 16 abba a qqaqq ta =+ 1 1 1 16 t k t ?最大拉应力理论最大拉应力理论 ?环向弯曲应力环向弯曲应力 当时， 取 纵向加固厚度：纵向加固厚度： 端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果 2 0 2 2222 2 2 0 4 2 bba c a = = () () () ()()() 2 22 2 22 2222 max 351 3 3(1 3 )(1 5 ) 16163 abba qq aqqa tata + =+ + + + 22 2 16 t k t ?最大剪应力理论最大剪应力理论 当时当时 纵向加固厚度：纵向加固厚度： 端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果端头加固计算方法的新结果 ()() 2 max 35 416243 baba ab qqqq aqq aa ttt + =+ + 0 a = = 33 3 c k t ?端头土体纵向加固长度要求端头土体纵向加固长度要求 ?盾构始发 无水 有水（特别是水+沙+压力） ?盾构到达 无水 有水（特别是水+沙+压力） 3.3.3.3.端头加固基本的设计要求端头加固基本的设计要求端头加固基本的设计要求端头加固基本的设计要求 管片 帘 布 橡 胶 板 车 站 内 衬 围护结 构 加固土体长度 同步注浆液 满足条件：满足条件：满足条件：满足条件：强度强度+ +稳定性稳定性+ +变形特征（土压建立前）变形特征（土压建立前） 盾构始发端头加固长度（无地下水）盾构始发端头加固长度（无地下水）盾构始发端头加固长度（无地下水）盾构始发端头加固长度（无地下水） 无水始发无水始发 加固土体长度 挡土墙 车 站 内 衬 帘 布 橡 胶 板 管片 盾构长度+1.5-2 管片 帘 布 橡 胶 板 车 站 内 衬 挡土墙 加固土体长度 沙子+水 同步注浆液 同步注浆液 满足条件：满足条件：满足条件：满足条件： 强度强度+ +稳定性稳定性+ +变形特征（土压建立前）变形特征（土压建立前）+ +渗透性（水渗透性（水+ +沙沙+ +压力）压力） 盾构始发端头加固长度（有地下水）盾构始发端头加固长度（有地下水）盾构始发端头加固长度（有地下水）盾构始发端头加固长度（有地下水） 有水始发有水始发 管 片 挡 土 墙 车 站 内 衬 帘 布 橡 胶 板 加 固 土 体 长 度 满足条件：满足条件：满足条件：满足条件： 地层条件较差：必须加固 端头土体，加固土体满足强 度+稳定性+变形特征要求（ 土压消失后）。 地层条件较好：可以不加 固或者局部加固端头土体， 但必须采取相应措施，如合 理控制盾构到达时掘进参数 ，增加封门处喷射混凝土厚 度，待盾构刀盘顶至围护桩 时再破除洞门等。 盾构到达端头加固长度（无地下水）盾构到达端头加固长度（无地下水）盾构到达端头加固长度（无地下水）盾构到达端头加固长度（无地下水） 无水到达无水到达 管片 挡土墙 车 站 内 衬 沙子+水 沙子+水 帘 布 橡 胶 板 帘 布 橡 胶 板 车 站 内 衬 挡土墙 管片 加固土体长度 盾构长度+1.5-2 满足条件：满足条件：满足条件：满足条件： 强度强度+ +稳定性稳定性+ +变形可控特征（土压消失后）变形可控特征（土压消失后）+ +渗透性（水渗透性（水+ +沙沙+ +压力）压力） 盾构到达端头加固长度（有地下水）盾构到达端头加固长度（有地下水）盾构到达端头加固长度（有地下水）盾构到达端头加固长度（有地下水） 有水到达有水到达 直径/m 范围/m d1 1d 3 3d55d8 简图 b1.01.01.52.0 h11.01.52.02.5 h21.01.01.01.0 ?端头土体横向加固要求 土体横向加固最小尺寸表 3 3 3 3、端头加固设计基本要求、端头加固设计基本要求、端头加固设计基本要求、端头加固设计基本要求 ?旋喷桩加固旋喷桩加固 ?袖阀管注浆加固袖阀管注浆加固 ?水平注浆加固水平注浆加固 4.典型加固方法及其优缺点和适用范围4.典型加固方法及其优缺点和适用范围 垂直袖阀管垂直袖阀管垂直袖阀管垂直袖阀管 水平袖阀管水平袖阀管水平袖阀管水平袖阀管 前进式注浆前进式注浆前进式注浆前进式注浆 后退式注浆后退式注浆后退式注浆后退式注浆 关于旋喷和搅拌加固问题关于旋喷和搅拌加固问题 旋喷加固提高土体的强度: 0.8-1.2mpa，0.5-1.0mpa，旋喷范围内是没有 问题的； 土体的标惯值n：目前的旋喷技术很难达到设计的旋喷加固 范围！ 旋喷垂直度误差问题 - 1%： 建筑桩基技术规范垂直度1% （适合于设计和施工） 20米0.2米 建筑基坑支护技术规程 垂直度0.5% （适合于设计和施工） 20米 0.1米 旋喷加固降低土体的渗透系数,理论上可以,由于上述误差的存在，实施起来困难， 因此不建议在深度超过20米时还采用旋喷或搅拌加固方法，深度在15-20 米之间应 慎用！ 盾构开挖引起的震动仍能对加固土体的渗透系数和强度产生劣化影响； 当水沙压力大于1.5bar时，目前土压平衡盾构采用的普通橡胶帘布和压板 在下部有可能损坏的情况下，是很难发挥作用的！ 关于冻结法关于冻结法：是一种不得已的办法，但仍需充分考虑盾构设备本身的要求。 搅拌加固的问题与旋喷类似，在此不再赘述搅拌加固的问题与旋喷类似，在此不再赘述 旋喷桩加固效果图旋喷桩加固效果图（搭接良好）（搭接良好） 旋喷桩布置图旋喷桩布置图旋喷桩布置图旋喷桩布置图搭接详图搭接详图搭接详图搭接详图 旋喷桩加固效果图旋喷桩加固效果图（搭接一般）（搭接一般） 旋喷桩布置图旋喷桩布置图旋喷桩布置图旋喷桩布置图搭接详图搭接详图搭接详图搭接详图 旋喷桩加固效果图旋喷桩加固效果图（无搭接）（无搭接） 旋喷桩布置图旋喷桩布置图旋喷桩布置图旋喷桩布置图搭接详图搭接详图搭接详图搭接详图 掉落的旋喷桩掉落的旋喷桩掉落的旋喷桩掉落的旋喷桩 盾构到达时的旋喷桩盾构到达时的旋喷桩盾构到达时的旋喷桩盾构到达时的旋喷桩 盾构始发时的旋喷桩盾构始发时的旋喷桩盾构始发时的旋喷桩盾构始发时的旋喷桩 ?优点：优点： ?设用地层较广、设备轻便机动性强。设用地层较广、设备轻便机动性强。 ?旋喷加固范围较大，最大可达到旋喷加固范围较大，最大可达到10倍孔径。倍孔径。 ?加固体本身止水效果明显。加固体本身止水效果明显。 ?缺点：缺点： ?操作不当容易造成桩与桩间搭接不连续，不紧密， 达不到理想的止水效果，整体止水效果欠佳。 操作不当容易造成桩与桩间搭接不连续，不紧密， 达不到理想的止水效果，整体止水效果欠佳。 ?有些土体不容易旋喷成桩。有些土体不容易旋喷成桩。 旋喷加固优缺点和适用范围旋喷加固优缺点和适用范围 垂直袖阀管垂直袖阀管垂直袖阀管垂直袖阀管 浆液浆液浆液浆液 土体土体土体土体 浆液浆液浆液浆液 底部注浆底部注浆底部注浆底部注浆二次注浆二次注浆二次注浆二次注浆 注浆注浆注浆注浆 水水水水 平平平平 袖袖袖袖 阀阀阀阀 管管管管 一次注浆一次注浆一次注浆一次注浆 二次注浆二次注浆二次注浆二次注浆 ?优点：优点： ?根据需要可分段式注浆，重复注浆；根据需要可分段式注浆，重复注浆； ?冒浆液、串浆可能性小；冒浆液、串浆可能性小； ?一根注浆管内可采用不同的注浆材料 ,选用不同的 注浆参数进行注浆施工。 一根注浆管内可采用不同的注浆材料 ,选用不同的 注浆参数进行注浆施工。 ?缺点：缺点： ?注浆工法封孔工艺复杂 ；注浆工法封孔工艺复杂 ； ?控制不当容易堵孔、卡管，而且是端头加固中最常 见的弊病，加固效果差，导致始发与到达失败。 控制不当容易堵孔、卡管，而且是端头加固中最常 见的弊病，加固效果差，导致始发与到达失败。 ?适用地层：适用地层： 砂层、粉土、淤泥层，广深地区应用较多。砂层、粉土、淤泥层，广深地区应用较多。 袖阀管注浆加固优缺点和适用范围袖阀管注浆加固优缺点和适用范围 水平注浆加固水平