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岩土工程勘察

1管幕法设计施工中的岩土工程

1.1对岩土工程情况的要求

管幕-箱涵法施工的方法很多,且适用不同的地质条件及各种工程场地。从岩土工程角度考虑,它有如下的要求:

1)由于它适用于各种地质条件,所以要求调查相关的地质、岩性、地下水等情况;

2)除主体工程外,辅助场地也需要作岩土工程分析;

3)工作井(基坑)与接收井需重点探查。

1.2地基土的加固

管幕段在软土地层中需要加固。地基土加固的目的为:降低地表沉降、减少管幕段上方土体的沉降、降低管幕段的侧向变形、增加管幕段开挖面的稳定。软土地区若设置预制箱涵工作井,如考虑不用抗浮构件,可考虑采用地基土加固处理方案,以提高地基土的强度。

2岩土工程勘察要求

应根据工程项目了解工程实施方案的特点,明确工作井与接受井的布设方式,掌握和控制与岩土有关的施工难点问题。工程的主体段应查清场地地层分布、岩土特性,特别是软土地区土层的性质;工程埋深很浅,需查明浅层市政设施分布等情况,同时应查明场地地下水类型及对工程的影响,并判定对建筑材料的腐蚀性等。

3勘察方案的布设

3.1布孔原则

工程主体段宽度≥20m,布置2排孔;主体段宽度<20m,两侧交叉布置;勘探孔间距≤30m,勘探孔布置在管幕外侧3~5m。接收井应专门布孔,工作井布孔应加密至15~20m。辅助工作井(或预制场地)布孔同工作井。

3.2孔深确定

勘探孔一般布设控制性孔和一般性孔。结合《公路工程地质勘察规范》和《市政工程勘察规范》管涵相关条文,确定一般性孔深为箱涵埋深下8~10m,当地基土主要为软土时,应适当加深。控制性孔深为箱涵埋深+压缩层厚度。勘探手段主要为静力触探和钻探,其比例可控制为2∶1。同时,软土地区可沿管幕外侧布置小螺纹钻,以查明不良地质发育、分布情况。管幕段视其长度选取不少于2个孔,在管幕以上2m至以下2m范围内连续取土样。接收井、工作井井深依据基坑工程勘察情况来考虑。对设立预制箱涵的工作井,需考虑设立桩抗浮或根据围护结构方案(工作井一般属一、二级深基坑,支护结构可采用地下连续墙或型钢水泥土搅拌墙等)综合考虑确定孔深,即孔深应满足围护结构稳定验算的要求,一般不宜小于工作井、接收井基坑深度的2.5倍。

3.3箱涵荷重的确定

地下工程一般情况下,下部土体不存在承受附加压力问题。对管幕-箱涵法工程,管幕完成后的一段时间其内部形成封闭状态,可根据几个工程实例估算管幕内每平方米的箱涵荷重。如:北京首都机场T2—T3航站楼箱涵荷重约为84.0kPa;上海北虹路箱涵荷重约为80.9kPa;台北复兴路穿机场地道箱涵荷重为96.9kPa。箱涵下的管体间锁口相连,可不看作为刚性层,估算上述管幕内相应土体(饱和状态)荷重分别约为:60.2kPa(北京)、55.5kPa(上海)、71.7kPa(台北),即箱涵荷重均大于相应部位饱和土体质量,施工期间的附加应力分别为23.8,25.4,25.2kPa,压力范围处于弹性阶段,但箱涵宽度大,长宽比约为3.6~10。以上海北虹路箱涵为例,箱涵宽度34m左右,估算压缩层厚约20m左右。

4原位测试及土工试验

在管幕段和工作井部位需测量承压水头,软土地区需做管幕内地基土开挖稳定及基坑稳定验算所需的三轴CU试验及土层的渗透系数K、侧压力系数K0试验。工作井处在软土地层中应布置“十”字板孔。

5勘察实施中的问题

1)对拟建场地管线的分布,应收集调查相应资料,全面了解管线类别、走向、埋深等,一般可考虑采用物探手段加以探明;

2)进行专门的水文地质调查,特别是工作井和接收井处在地下水位比较高的粉性土与砂性土中应作抽水试验,并了解地下水补给与排泄情况;

3)布置于管幕范围的孔,勘探结束后,应用黏土球填没。

6勘察成果

勘察成果应满足设计和施工要求,同时还要满足除常规的管幕顶管及箱涵支撑、开挖、顶进所需要的施工要求外,设计计算模型所需要的参数及反馈分析计算所需参数的要求。

岩土工程问题

1管幕内开挖边坡的稳定性

软土地区对管幕内土体不加固的箱涵推进方案,出洞时需要对土体稳定性进行验算。

2管幕内土体的加固

国外软土地区的管幕内箱涵施工,一般都要进行管幕施工前的垂直向加固,或管幕施工后的水平向加固。在软土地区管幕内土体不进行加固,但要对出洞地段在箱涵长度方向1倍左右高度范围内的土体进行加固,目的是为了减少顶进箱涵时管幕挠曲变形,进而有利地表的环境保护。一般近井口处采用水泥搅拌桩,稍远处采用压密注浆加固,并进行稳定性验算,以保证开挖面的稳定。

3管排锁口处及时注浆

在管排锁口处抹滑润止水浆液,起到减阻作用,管顶后浆液遇水固结。在箱涵顶进中其外壁注入钠基膨润土和其他聚合物制成的复合触变泥浆,使其四周形成泥浆套润滑减阻,减少土体扰动及支承上覆土体,同时合理控制好泥浆量、压力及注浆点,也有利于顶进时减阻及减少地表沉降。例如上海北虹路地道工程形成泥浆套后的注浆压力为0.1~0.2MPa。为避免钢管局部应力集中而屈服,造成大的先期沉降,在钢管内可充填混凝土,以加大纵向刚度。

4管幕-箱涵法工程的沉降

管幕-箱涵法工程的沉降由两部分组成,即管排顶进形成管幕时的变形,以及在管幕内推进预制箱涵或现浇钢筋混凝土结构施工时形成的沉降。对于用支撑现浇构筑施工的,其引起的沉降较大。

4.1管幕施工过程中的沉降

管幕施工中主要的控制因素是地面沉降。对管幕变形量目前尚无统一标准。日本的管幕法允许变形量[δ]=5mm。北京机场T2—T3管幕顶进完成后,钢管在自重作用下,中间最大下沉量达到6.5mm。控制管幕顶进变形主要是选用合适的管排顶进施工顺序,即先下排后侧排,最后顶排施工。从实践和理论分析都表明顶排管幕施工是减少沉降的关键。避免逐一单管顶进引起地面沉降递加效应,以减少沉降;同时必须提高顶进施工精度,且注意管幕顶进过程的速度与出土量的平衡。总变形中必须考虑土体扰动超孔隙压力消失后形成的压密变形。减少顶进引起的变形,其措施为选用合适的润滑材料及其背后注浆和二次注浆。

4.2箱涵施工过程中的沉降

一般说,地表变形控制或地表沉降是管幕-箱涵施工引起的综合沉降,而管幕施工引起的沉降是较快完成的。地表的下沉主要是管幕的厚度及刚度有限;管幕工程上覆土较浅,不能形成卸力拱,上方土体随管幕下沉而下沉,即使是支撑下现浇箱涵或顶进预制箱涵,同时采取注浆措施,但土体开挖引起的顶部管幕仍有下沉。在管幕封闭施工期间,其内土体排除后置换箱涵结构,基底的附加应力很小,产生的沉降很小,箱涵基层下土体基本上处于回弹压缩状态;施工完成后仍处在饱和环境下,理论上不产生沉降,而且也未见过箱涵施工引起的单独变形观测资料。

地表变形与施工方法密切有关,更为确切的是与施工出土有关,以管幕-箱涵施工为例,在箱涵顶进过程中有管幕变形效应产生。例如上海北虹路工程即在施工切口前15m和切口后10m范围内有隆起变形,一般达50mm,分析认为与土体固结时间有关,3d后孔压消失土体固结,地表基本不隆起。将网格挤土顶进与网格内挖土顶进比较,前者的固结沉降是后者的1/3。北京的管幕下土体虽经水平向加固,但理论分析结果认为,工作面前方5~40m范围内钢管最大隆起1.5mm,开挖时仍引起箱涵上方管幕继续下沉,地表最大下沉14mm。

控制地表的沉降,最主要的是提高管幕施工精度及尽可能缩小箱涵与管幕间的建筑空间;其次是上覆土不大时,需控制箱涵网格抬头,在网格内控制出土,减少地面隆起,而受两侧向管排约束隆起量则中间大,两边小。施工中控制箱涵推进速度、调节泥浆套注浆压力是控制地表变形的有效手段。控制浆液均匀、连续地注入,保证钢管锁口间及塘口处的密封性,以及后续水泥浆置换膨润土,应当在推进全部结束后,在管幕与箱涵间压注固化材料,以减少后期沉降。从实测地表变形分析,箱涵推进过程中地表的变形在靠近切口处沉降速率大,而在切口后的沉降速率小。

1节制箱涵推进的地面隆起量可达40mm,见图1。4岩土工程监测在设计分析及施工预测中许多不确定因素需要通过现场观测进行监控和合理的调整,以求得设计合理和施工安全。作为施工阶段实行全过程的岩土工程监测,应将土层特性、出土量的分析、地面沉降监测数据整理后,反馈给施工人员,实时调整顶进机械的推进参数,指导施工。管幕监测分3个部分:

1)一般性施工监测。其内容为地层变形、地表沉降与附近建筑物安全观测,地下水位及其水头观测。

2)管幕内施工监测。其内容为管幕下沉、底层管幕的隆起及侧向管幕位移观测,对设立支撑的则测其轴力。

3)箱涵推进统计时网格前方土压力以及网格壁与土体的摩阻力的测定。各观测点的布点数量及观测频率由场地土质、施工进度及资料的重要性来确定,并在实施中作调整,但必须满足指导施工与回馈分析需要。

结语

对于大断面、短距离的隧道(如下立交道路),不可能采用明挖法施工,而盾构法又不经济的特殊断面隧道,选用管幕法施工较为合适。管幕法施工对地表的影响很小,对周围建(构)筑物影响不大。管幕法设计施工前应查明管幕段和工作井、接收井处土层分布情况,详细进行岩土工程勘察,为管幕法设计提供相应参数,同时分析可能产生的岩土工程问题,提出处理建议,在施工期间加强监测,才能保证工程顺利进行。

作者:李民 龚启昌 龚宇煦 单位:上海市城市建设设计研究总院 中船第九设计研究院工程有限公司

机建建筑岩土工程探新责任编辑:陈老师    阅读:人次
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