单位文秘网 2021-07-24 08:11:56 点击: 次
摘要:以佛山轨道三号线为例,分析软弱地层及液化砂层对地铁车站和盾构区间隧道的不利影响,提出采取加强围护结构设计、洞内同步注浆加固等措施,有效解决了地铁线路通过软弱地层及液化砂层下地铁车站和盾构区间的问题。
关键词:软弱地层;液化砂层;地铁车站;盾构区间
Abstract: Taking Foshan Metro Line Three as an example, this paper analyzes the unfavorable influence of soft layer and liquefying sand layer of metro station and shield zone, put forward to strengthen design of enclosure structure, adopt tunnel synchronous to grout reinforcement and so on, effectively solves the problems of metro station and shield zone under the condition of soft layer and liquefying sand layer.
Keywords: soft layer; liquefying sand layer; metro station; shield zone
1 工程概况
佛山市城市轨道交通三号线工程为贯通佛山市中心组团的南北主干线,与佛山已建地铁及其他城市地铁相比,佛山三号线工程地质的特点如下[1]:
1.1 沿线分布非常软弱的深厚淤泥及淤泥质土层
沿线分布的软弱土层为第四系海陆交互相淤泥<2-1A>、淤泥质土层<2-1B>,主要分布在顺德段,淤泥、淤泥质土层具有含水量高,孔隙比大,压缩性高,抗剪强度低,灵敏度高的特点。
1.2 沿线分布易液化的淤泥质粉细砂层
沿线分布海陆交互相淤泥质粉细砂层<2-2>、海陆交互相淤泥质中粗砂层<2-3>和冲洪积粉细砂层<3-1>、冲洪积中粗砂<3-2>,分布全线绝大部分地段(南海北段除外),采用标准贯入试验方法对砂层进行液化判别,沿线<2-2>砂层会产生地震液化,液化等级多为“中等~严重”。
1.3 沿线地层分布差异性较大
沿线从上至下分布主要有:人工填土层、第四系海陆交互相淤泥<2-1A>、淤泥质土层<2-1B>、海陆交互相淤泥质粉细砂层<2-2>、海陆交互相沉积淤泥质中粗砂层<2-3>、海陆交互相粉质粘土层<2-4>、冲洪积粉细砂层<3-1>、冲洪积中粗砂层<3-2>、冲洪积粗砾砂层<3-3>、冲洪积卵石土层<3-4>、冲积~洪积粉质粘土层<4N-3>、河湖相淤泥质土层<4-2B>、可塑或稍密状残积土层<5H-1>、硬塑或中密状残积土层<5H-2>、全风化岩<6>、强风化岩<7>、中风化岩<8>、微风化岩<9>。本工程岩面起伏非常大,总体来说,顺德段岩面较深,南海段岩面较浅。而同样在顺德段,岩面也是起伏不定,呈波浪起伏状。
2 软弱地层及液化砂层对地铁车站和盾构区间隧道的不利影响
2.1 盾构隧道在施工过程中引起周边建构筑沉降
盾构法施工引起土体变形和地面沉降,会导致四周一定范围内建筑物和管线的沉降,这是盾构法施工的主要风险[2]。
2.2 盾构隧道在施工过程中的不利影响
盾构隧道在施工过程中,管片脱出盾尾后,由于隧道所处软弱地层含水量大,管片收到浮力而产生上浮。如上浮超过100mm,则衬砌结构侵入建筑限界。另外由于施工过程中,盾构机操作不当,纠偏过激,容易出现蛇形隧道[3]。
2.3 盾构隧道周边的土体扰动下引起隧道的平移或收敛变形
盾构区间隧道建成后,由于受到周边地块的开挖,进行基坑开挖,会对盾构隧道产生较大的影响,特别是在欠固结地层,基坑开挖对盾构隧道的影响更大。另一种情况,区间隧道上方进行堆载,也会产生很大的影响。上述两种情况均会对盾构隧道造成平移、椭变、管片开裂等不利影响。
2.4 地震中饱和砂土地层的液化,对地铁结构可能产生衬砌震害、底板开裂与仰拱起鼓、初期支护震害、地震洞内坍方等不利影响[4]。
3 软弱地层及液化砂层条件下工程设计存在的主要问题
3.1 深厚极软地层基坑围护方案和变形控制措施
地铁车站结构和箱型结构隧道施工一般采用明挖法施作。沿线穿越极软的淤泥质土层和淤泥质粉细砂层,土体强度低、压缩性高、稳定性差,深、长基坑稳定性和变形控制是深厚极软地层施工控制的重点和难点。根据基坑周边环境的保护要求,结合极软地层工程风险、施工难度和作业可靠性,选取经济合理的基坑围护结构和支撑形式、设计必要的变形控制方案(地基加固)成为本工程的技术难点之一。
3.2 深厚极软地层地铁区间结构合理形式和辅助措施
一般软土地层地铁区间隧道常采用工期短、成本小且机械化程度较高的盾构工法。但与盾构工法相匹配的预制分块管片衬砌由于接头连接方式的存在,业界普遍认为盾构隧道结构为横、纵向刚度相对较小的柔性结构[5]。本工程区间建设大范围、大深度遭遇最低40kPa的极软土和外荷载下易液化土,一般的单层预制管片衬砌设计能否满足设计和使用要求亟待研究,且沿线既有建(构)筑物、后续开发和地铁营运自身附加荷载会进一步加剧满足设计和使用要求的难度,故在设计阶段联合考虑地层、周边环境和后期结构养护维修,明确地铁区间隧道结构合理形式是本工程遇到的难题之一。
3.3 易液化地层处理措施
佛山三号线工程存在可液化的砂层,主要为淤泥质粉细砂层<2-2>,由于环境及建构筑物原因,盾构区间不可能全部从地面进行加固。而盾构区间一般埋深较大,应研究确定可液化砂层处理的深度与盾构沉降的关系,确保可液化砂层在进行处理后结构不会发生较大的沉降,影响行车安全。
4 佛山三号线砂性土层的液化情况和处理措施
根据工可勘察报告,采用标准贯入试验方法对砂层进行液化判别,表明海陆交互相粉细砂层<2-2>会产生“中等~严重”液化,局部“轻微”,冲积-洪积砂层<3-1>、<3-2>砂层一般不会产生液化。工可勘察共计162个钻孔,有96个钻孔进行了液化判别,其中严重液化有个47钻孔,中等液化有个20钻孔,轻微液化有个15钻孔,不液化有23个钻孔。液化砂层分布在大部分地段。本文针对佛山三号线液化土层广泛分布分的特点,从以下几个方面提出措施来控制地震液化对于地铁结构的不利影响:
4.1 控制结构埋深
根据地震液化的影响因素分析,结构的覆土埋深是激发地震液化的重要方面,适当的加大车站及隧道的覆土埋深,可以增大基底以下土层的竖向限制压力,液化土层需要更大的孔隙水压力才能产生砂土液化,液化难度增大。埋深的增加也可以减少地铁地下结构由于土体液化所导致的结构上浮。
对于区间结构而言,加大结构埋深,避开液化土层,应作为区间结构抵抗地震液化灾害的主要措施和手段,施工阶段,覆土深度加大,有利于盾构施工的地面沉降控制。
4.2 坑底存在液化层的车站基坑采用地下连续墙
工程实践表明,主体结构外侧设置截断地下水的连续墙对抑制饱和砂土的地震液化,降低地下结构地震液化上浮有明显效果。地下连续墙整体刚度较大,抗渗性能较好,施工工艺成熟,能够有效地隔断液化土层,切断基坑内外水力联系,有效地控制基坑安全风险。同时,由于地下连续墙穿越液化土层,并嵌入其下不透水层一定的深度,可以利用地下连续墙于车站顶板上方设置压顶梁,根本上解决结构抗浮问题。
4.3 加强结构抗浮能力
饱和土地震液化对于地下结构主要不利影响之一即为导致结构上浮,这主要是因为地震作用下,地下水位升高,液化土层的孔隙水压力大幅上升。急剧上升的水浮力将破坏地铁主体结构,导致地铁结构发生不均匀变形,结构构件开裂,结构渗漏水,严重地影响地铁主体结构安全以及行车运营安全。因此地铁结构的抗浮设计应为结构抗液化设计中重要组成部分。
加强结构抗浮措施较多,加大结构埋深,采取地下连续墙隔断液化土层均能很好的控制结构上浮。作为承担结构抗浮主要能力的地下连续墙锚固体,应嵌入非液化土层一定的深度,保证墙体锚固能力。同时,设置压顶梁、压底梁、抗拔桩等措施也能较好地增强结构的抗浮能力。
4.4 一定的加固措施
对于明挖车站结构而言,若大幅增加结构埋深来避开液化土层,则带来明挖基坑深度增加,围护结构增长,基坑深度增加,基坑安全风险及施工难度、施工周期、工程投资都大幅增大等问题,因此在采用截断墙隔绝液化层水力联系的情况下,地下结构底板可不穿越液化土层,适当的保留基底一定深度的液化土层,采用适当措施加固基底局部软弱土层,通过这种方式,可以在控制明挖结构埋深、控制施工安全风险、控制工程投资的同时,有效地降低地震液化的不利影响。
对盾构区间,由于其施工的特殊性,采取振冲加密、挤密砂桩、直接振密和爆炸加密等方法很难实现。因此,可考虑在盾构区间穿越液土层时,加强同步注浆和二次注浆,来提高土体的抗液化强度,达到消除液化的目的,对水泥的掺入量则通过实验确定。
5 结论
5.1车站设计措施
5.1.1 加强围护结构设计
(1)软土地区优先采用刚度较大的连续墙作为围护结构,第一道支撑支撑采用混凝土支撑,以下的支撑采用双拼钢支撑,并采用倒换钢支撑,减小支撑的竖向间距,同时可减小连续墙的变形。同时要求连续墙进入软弱土层以下较好的土层或岩层,达到增强围护结构稳定性及变形控制的目的。对车站的钻孔图揭露未进入岩层(仍在砂层范围),下一阶段应根据初勘的成果进行调整。如地面以下50米能进入岩层或较好的土层,优先采用连续墙封闭的方案,否则可考虑对车站进行满堂加固止水方案。现阶段暂按满堂加固的方案进行计算。
(2)标准车站不设置钢立柱,采用双拼钢支撑,可增加施工速度。
(3)对粉细砂厚度较大的区域,连续墙考虑在墙缝交接处预埋注浆管,防止基坑发生涌砂涌水情况。连续墙较深时考虑在墙缝处加设旋喷桩止水措施。
5.1.2 车站基底加固设计
优先采用裙边+抽条三轴搅拌桩加固方式进行加固,裙边宽度为3米,抽条宽度及间距均为3米。搅拌桩直径为850mm,间距为600mm,加固深度为基底以下5米,基底以上部分为空桩,掺入一定量的水泥,以方便基坑的开挖。
5.2 盾构区间隧道的设计措施
(1)通过对盾构隧道洞内注浆加固处理,减少施工过程中周边建筑物的沉降,同时也减小运营后期沉降的不利影响。
(2)通过对同步注浆浆液的调配和注浆系统的改造,加强同步注浆,减少施工过程中周边建筑物的沉降,同时有效控制隧道的上浮等不利影响。
(3)通过加大盾构隧道的内径,给隧道后期运营过程中的较大沉降预留处理空间。
(4)应对佛山市轨道交通三号线的地铁保护予以重视。地铁隧道位于软弱地层范围,应加强地铁与周边地块的衔接以及与周边规划的衔接,必要时可适当改变工法,减少后期由于地块开发造成的地铁隧道变形、开裂等不利影响。在运营阶段,地铁保护部门应重视对周边环境(基坑开挖、堆载等)的改变对盾构隧道的不利影响。
参考文献:
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作者简介:
丁乐(1984年2月-),女,汉族,湖南常德,工程师,市政工程硕士;从事结构方面的设计研究工作
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