专利名称：盾构进出洞口土体加固的方法
技术领域：
本发明涉及一种建筑工程技术领域的方法，具体是盾构进出洞口土体加固的 方法。
背景技术：
城市地铁施工中，为了保证盾构进出洞的安全，进出洞口土体必须要有良好 的自立性和密实性，使盾构进出洞时洞口土体不坍塌，地下水通过洞口不涌入基 坑内。当进出洞口处土体不能自稳时，就必须对靠近洞门一定范围内的土体进行 加固，采取措施改善地层的物理力学参数，提高地层的自稳能力。目前采用较多 的方法是垂直旋喷和深层搅拌桩相结合的垂直加固法或者冰冻法。从地面向地下 深处垂直加固很不经济，并且高承压水问题也较难处理；而冰冻法由于自身的先 天缺陷，如冻融可逆，冰冻中土体的体积膨胀对周围土体及既有地下空间有较大 的影响等，存在较大的风险。
水平旋喷是20世纪80年代中后期开发出来的地基加固新技术，目前在我国 的地下工程中已经得到了广泛的应用。高压水平旋喷技术可在隧道外轮廓形成拱 形预衬砌以防止地表下沉，同时由于水平旋喷桩有梁效应和土体改良的加强效 应，上部压力由水泥桩体拱棚和围岩构成的棚架体系共同支撑，提高了隧道进出 洞口土体的自立性和密实性，使盾构进出洞时土体不坍塌，防止地下水通过洞口 涌入基坑，保证了施工的安全。这种水平旋喷加固技术与以往的地铁进出洞口竖 直旋喷加固技术和冰冻法技术相比具有加固范围小、成本低、效益高的优点。为 了给盾构进出洞口加固的设计、施工提供理论指导和依据，确保加固工程安全、 优质高效的完成，需要预先通过一定的技术手段研究高压水平旋喷加固的效果， 确定所需的土体加固范围。
经对现有的技术文献检索发现，吴波等在《西南交通大学学报》2004年发 表的"地铁区间隧道水平旋喷预加固效果数值模拟"，该文针对某地铁区间隧 道，借助三维弹塑性有限元程序，对有无水平旋喷加固时隧道开挖引起的变形进
4行了对比分析，给出了有旋喷桩时，拱顶和地表最大沉降减小50%左右，洞周塑 性区范围大大縮小的结论。但是该文并没有解决如何确定水平旋喷加固体范围的 问题，所涉及的水平旋喷加固体范围是事先设定好，然后在此基础上通过相关分 析给出一些定量的结论。
对待定部分土体进行加固时时，需要确定场地土的地质分层和土性参数。 1992年，Robertson等(Estimating coefficient of consolidation from piezocone tets, Canadian Geotechnical Journal, 29(4), 551-557;加拿大国家科学委员会主办的《加 拿大岩土工程学报》，"用孔隙水压式的静力触探测定土层的固结性状与相关计算 公式")通过应用孔隙水压力的分布规律来确定土层分布及土层的固结性状与相 关计算公式(以下简称Robertson方法)。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，提出一种盾构进出洞口土体加固 的方法。该方法可针对具体工程，给出一种经济、合理、可行的加固体范围确定 方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤-
(1) 采用Robertson方法对地铁进出洞口处的隧道周围的土体进行包括土 层分布、土体物理力学指标等勘探。
(2) 通过应用工程类比方法，确定水平旋喷施工以及盾构进出洞口施工时， 隧道洞口上方地表可承受的施工设备荷载和地表材料堆载等最大活荷载大小，以 及分布情况。
(3) 现场钻孔，取出洞口预加固深度处土体作为试验用土，进行水平旋喷 注浆材料配比试验比较，根据加固体的物理力学参数选择水平旋喷注浆材料。
(4) 在现场待加固土体中进行部分试验性喷射施工，用钻孔取芯的方法取 出加固体，进行室内试验，选择符合在土体中的成桩强度施工要求的加固体，以 及施工工地的成桩的直径。
本发明在上述基础上采用步骤(1) - (4)选择的土体和加固体参数，可以 进行三维有限元计算和验证，获得安全性判断和经济性判断。 所述的进行三维有限元计算，包括以下步骤(1) 有限元的建模范围水平方向应大于(2D+2H + W)米，垂直方向应大 于(D+2H)米，其中，D为地铁隧道的顶部埋深，H为隧道的高度，W为隧道的 宽度，模型底面距隧道底距离不小于2H。
(2) 计算中边界条件设定如下四个侧面除了隧道洞口直径范围内没有任
何约束外，其余均施加水平侧向位移约束；底面施加竖向位移约束；上表面为自 由面，没有任何约束。
(3) 土体和加固体的本构关系均采用考虑弹塑性应变的莫尔库伦等面积圆模型。
(4) 对加固体采用不同厚度(包括隧道洞口封口加固体和洞圈加固体)，不 同长度(洞圈加固体)，不同形式(半圆和整圆)进行若干工况的试算。
把洞圈旋喷加固体的形式简化为步骤(4)确定出的厚度为H的等效拱壳。 采用土体或加固体的等效塑性应变区是否贯通和土体或加固体的变形是否
满足要求的综合判定方法，某一工况下两者必须都满足，才认为此工况是安全的。
其中，地表土体的最大位移值不超过30mm，加固体的最大位移值不超过20mm。 对筛选出的满足安全性要求的各工况，采用有限元强度折减法求出其安全系
数，需满足1.5-2.0的要求，通过安全系数的再次筛选，可得到一最经济的加固
体范围工况。
由此确定出的加固体工况既能满足安全性要求，又能满足经济性要求的加固 体范围工况就是实际工程所需的预加固体。
本发明综合考虑了土体加固范围的各参数及影响既有地铁进出洞口土体加 固效果的各因素，通过室内试验、现场试验、有限元计算、有限元计算结果分析 判断的相结合的综合方法确定了高压水平旋喷加固地铁进出洞口所需的加固体 范围。本发明简单可靠，经济实用，可适用于各种土体的加固范围的确定，为地 铁进出洞口加固工程顺利完成提供了 一项重要的技术保证。
图l为三维有限元网格图2为本发明确定的加固体范围示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方
6案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。 实施例
上海某地铁区间盾构在一端头井进洞，盾构隧道的进洞部位为软土地基，为 防止盾构进洞时的地层塌陷，需进行地基加固处理，确定加固体的范围。加固体 设计目标强度为l.OMPa，固化剂采用普通波特兰水泥和无环境污染的硅酸盐类 速凝剂水玻璃。
具体实施步骤如下
(1) 经详细地质勘探，该部分土上部由杂填土、素填土、淤泥质填土组成。 该部分土结构松散、天然含水量高，压縮性大，抗剪强度低，物理状态多呈软塑
至流塑，因此工程性能较差，7m到15m为淤泥质粘土，重度为17. lkN/m3,含水 量为48. 5%，变形模量为2. 23MPa，内聚力为20kPa，内摩擦角为20度。为上海 地区第④层土，水平旋喷主要在该土层中实施。
(2) 根据实际施工时，地表的施工设备和堆载情况，确定地表活荷载取为 均布载10kN/m3。
(3) 现场钻孔至7m到15m的水平旋喷施工深度，取出淤泥质粘土，做注 浆材料配比试验。用所取土样与水泥浆、水玻璃溶液在试验室混合确定达到目标 强度的水灰比为1: 1，水泥用量为243.7kg/m3。过大的水玻璃含用量不但不经 济，而且会引起加固土含水量的增加导致各个龄期抗压强度的减小，通过比较确 定水泥和水玻璃的比例为4: 1时较为合适。加固体的容重比原状土略有减小， 为16.7kg/m3，因此不会因为加固体本身的荷载的增加而对下部未加固部分产生 附加荷载。加固体的变形模量为150MPa，泊松比为0.3，加固体的粘聚力为500 kPa，内摩擦角为35度。
(4) 现场进行试喷射试验14天后，钻孔取出加固体芯样，在试验室养护 至28天后，做无侧限抗压强度试验，测得加固体芯样强度达到l.OMPa以上，满 足预定要求。现场通过静力触探试验测得两根复喷旋喷桩直径为1.2m。
(5) 新建地铁进洞口隧道顶部埋深8.3m，隧道直径6.7m，三维有限元模型 长度取为90m，宽50m，高40m，有限元计算网格如附图1所示。计算中边界条 件设定如下四个侧面除了隧道洞口直径范围内没有任何约束外，其余均施加水
7平侧向位移约束；底面施加竖向位移约束；上表面为自由面，没有任何约束。软 土地层的本构关系采用考虑弹塑性应变的莫尔库伦等面积圆模型。
1) 安全性判断
对多种工况进行若干试算后，满足安全性要求的工况有以下两种
工况一洞口封口加固体厚度为lm，洞圈加固体长度为6m (半圆)，厚度 为1.2ra (两层旋喷)，加固体范围如附图2所示。
此工况下，地表最大位移为6.0mm，满足小于30mm最大位移要求；洞圈加 固体最大位移为9.7mm，洞口封口加固体的最大位移为14.8mm，均满足小于 20mm最大位移要求。
土体和加固体的等效塑性应变区均未贯通。
工况二洞口封口加固体厚度为lm，洞圈加固体长度为6m (整圆)，厚度 为1.2m (两层旋喷)。
此工况下，地表最大位移为4.6mm，满足小于30mm最大位移要求；洞圈加 固体最大位移为7.4mm，洞口封口加固体的最大位移为4.2mm，均满足小于20mm 最大位移要求。
土体和加固体的等效塑性应变区均未贯通。
2) 经济性判断
某工况下，将土体和加固体的粘聚力和内摩擦角值同时除以一个折减系数， 得到一组新的值，然后作为新的资料参数输入，再进行试算，当计算不收敛时(采 用土体或加固体的等效塑性应变区是否贯通和土体或加固体的变形是否满足要 求的综合判定方法)，对应的折减系数就是此工况的安全系数。
用此方法可求得工况一的安全系数为1. 7,满足1. 5-2. 0的经济性要求；工 况一的安全系数为2. 1不满足经济性要求，因此工况一所确定的加固体范围为 本发明方法所确定的满足安全、经济要求的最佳加固体范围。
通常采用的垂直加固范围分盾构出洞和盾构进洞两种情况，结合实例中的区 间盾构洞口，盾构进洞情况时所需垂直加固体体积为484m3;盾构出洞情况时所 需垂直加固体体积为968m3。本方法所确定的加固体体积为214m3，与垂直加固 相比，利用本发明方法所确定的水平旋喷加固范围进行加固具有明显的经济性。对盾构进洞口的加固可以使加固体的体积节省55%以上，对出洞口的加固可以 使加固体的体积节省75%以上。
权利要求
1、一种盾构进出洞口土体加固的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)采用Robertson方法对地铁进出洞口处的隧道周围的土体进行包括土层分布、土体物理力学指标勘探；(2)通过应用工程类比方法，确定水平旋喷施工以及盾构进出洞口施工时，隧道洞口上方地表可承受的施工设备荷载和地表材料堆载最大活荷载大小，以及分布情况；(3)现场钻孔，取出洞口预加固深度处土体作为试验用土，进行水平旋喷注浆材料配比试验比较，根据加固体的物理力学参数选择水平旋喷注浆材料；(4)在现场待加固土体中进行部分试验性喷射施工，用钻孔取芯的方法取出加固体，进行室内试验，选择符合在土体中的成桩强度施工要求的加固体，以及施工工地的成桩的直径。
2、 根据权利要求1所述的盾构进出洞口土体加固的方法，其特征是，对步 骤(1) - (4)选择的土体和加固体参数，进行三维有限元计算和验证，获得安 全性判断和经济性判断。
3、 根据权利要求2所述的盾构进出洞口土体加固的方法，其特征是，所述 的进行三维有限元计算，包括以下步骤(1) 有限元的建模范围水平方向应大于(2D+2H+W)米，垂直方向应大 于(D+2H)米，其中，D为地铁隧道的顶部埋深，H为隧道的高度，W为隧道的 宽度，模型底面距隧道底距离不小于2H;(2) 计算中边界条件设定如下四个侧面除了隧道洞口直径范围内没有任 何约束外，其余均施加水平侧向位移约束；(3) 土体和加固体的本构关系均采用考虑弹塑性应变的莫尔库伦等面积圆模型；(4) 对加固体采用包括隧道洞口封口加固体和洞圈加固体各种厚度、洞圈 加固体的长度，半圆和整圆的形式进行若干工况的试算。
4、 根据权利要求3所述的盾构进出洞口土体加固的方法，其特征是，所述 的边界条件，底面施加竖向位移约束；上表面为自由面。
5、 根据权利要求3所述的盾构进出洞口土体加固的方法，其特征是，所述 的洞圈旋喷加固体，形式简化为步骤(4)的厚度为H的等效拱壳。
6、 根据权利要求2所述的盾构进出洞口土体加固的方法，其特征是，所述的安全性判断，是指采用土体或加固体的等效塑性应变区是否贯通和土体或加固体的变形是否满足要求的综合判定方法，某一工况下两者必须都满足，才认为 此工况是安全的。
7、 根据权利要求6所述的盾构进出洞口土体加固的方法，其特征是，所述 的安全性，是地表土体的最大位移值小于等于30mra，加固体的最大位移值小于 等于20mm。
8、 根据权利要求2所述的盾构进出洞口土体加固的方法，其特征是，所述 的经济性判断，是指对筛选出的满足安全性要求的各工况，采用有限元强度折 减法求出其安全系数，满足1.5-2.0的要求，通过安全系数的筛选，获得最经济 的加固体工况。
全文摘要
本发明涉及一种建筑工程技术领域的方法，具体是盾构进出洞口土体加固的方法。包括以下步骤采用Robertson方法对地铁进出洞口处的隧道周围的土体进行勘探；通过应用工程类比方法，确定可承受的最大活荷载大小，以及分布情况；现场钻孔，根据加固体的物理力学参数选择水平旋喷注浆材料；在现场待加固土体中进行部分试验性喷射施工，选择符合在土体中的成桩强度施工要求的加固体，以及施工工地的成桩的直径。本发明综合考虑了各因素，通过分析判断的相结合的综合方法确定了高压水平旋喷加固地铁进出洞口所需的加固体范围。本发明简单可靠，经济实用，可适用于各种土体的加固范围的确定，为地铁进出洞口加固工程顺利完成提供了一项重要的技术保证。
文档编号E21D9/00GK101566063SQ200910052460
公开日2009年10月28日 申请日期2009年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者阳 孙, 沈水龙, 罗春泳 申请人:上海交通大学