CN106499407B - 一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，包括：获取隧道设计参数，确定施工现场地质情况并进行土层划分，判断施工现场是否为砂土岩溶地层，确定各土层的工程地质参数；确定隧道沿线溶洞的分布情况，并确定溶洞与隧道之间各土层的厚度；根据溶洞边界面上的力学平衡，建立溶洞安全平衡公式；根据溶洞安全平衡公式，确定安全传递压力的计算公式，计算各溶洞的安全传递压力；计算各溶洞的安全注浆压力，则各溶洞施工段的安全盾尾注浆压力为安全注浆压力，若两个及其以上溶洞处于同一溶洞施工段，则取安全注浆压力中的最小值。本发明保证了岩溶地区盾构隧道施工注浆压力的合理性，防止了注浆压力过大导致的溶洞塌陷破坏。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道工程技术领域中施工参数的确定方法，具体地，涉及一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法。
背景技术
由于我国经济高速发展和地下工程大规模建设，在岩溶地区出现了大量的隧道施工需求。盾构法是隧道施工的常用方法，采用盾构法施工时，在盾构机推进过程中，盾构脱离管片后管片外会出现超挖间隙，此时以一定压力向超挖间隙注入适量的浆液以填充空隙，最大限度地避免超挖间隙对围岩的扰动，控制沉降和变形，从而保证隧道和地面建筑物的稳定性，这一隧道施工的关键环节称为盾尾注浆。在岩溶地区进行盾尾注浆施工时，注浆浆液在一定压力下注入周围土层中，若注浆压力过大，则会导致浆液切入围岩，造成“劈裂现象”，使附近溶洞发生劈裂破坏并进一步形成塌陷破坏，地面产生较大沉降。因而确定岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力，避免溶洞发生劈裂破坏，在岩溶地区的盾构施工中尤为重要。现有盾构注浆压力的确定方法适用于普通地质条件，没有考虑岩溶地区隧道附近溶洞对盾尾注浆压力的影响，目前尚缺乏针对岩溶地区特殊地质情况的安全盾尾注浆压力的确定方法。
经对现有技术检索发现，现有的盾构注浆压力的确定通常采用经验公式，主要考虑注浆压力与开挖面水土压力之和的平衡，并在此基础上考虑管片性能、浆液特征及盾构机性能等因素进行修正。由中国铁道出版社于2013年出版，由中铁二局股份有限公司、卿三惠等人编著的《隧道及地铁工程(第2版)》一书，基于注浆压力与开挖面水土压力之和的平衡，给出了盾构注浆压力的具体计算公式，并提出了常见土体性质下的注浆压力范围以及采用混凝土盾构管片时的注浆压力最大值。然而在岩溶地区，当溶洞与隧道距离较近时，对于盾尾注浆压力的确定，关键影响因素为注浆压力过大导致的隧道附近溶洞发生劈裂、张开，从而导致溶洞的坍塌破坏，上述公式没有考虑隧道附近溶洞对盾尾注浆压力极限值的影响，因而无法确定岩溶地区盾构隧道的安全盾尾注浆压力，不能指导岩溶地区盾构隧道盾尾注浆的工程实践。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提出一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注压力的确定方法。针对岩溶地区盾构隧道盾尾注浆施工，根据溶洞洞壁的力学平衡和盾尾注浆压力在围岩中的传递规律，提出了安全盾尾注浆压力的具体的确定方法。本发明不仅克服了现有技术不适用于岩溶地区盾构隧道施工的问题，保证了岩溶地区盾构隧道施工注浆压力的合理性，防止了注浆压力过大导致的溶洞塌陷破坏，而且简单、实用，便于推广。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，所述方法包括如下步骤：
第一步、根据隧道设计与施工方案，确定隧道埋深h、隧道直径R；在隧道沿线获取施工现场土样，对施工现场土样进行重度试验、内摩擦角和粘聚力试验、静止侧压力试验，以确定施工现场各土层的重度γa、内摩擦角内粘聚力ca和静止侧压力系数K0a；确定施工现场地质情况并对施工现场进行土层划分，判断施工现场是否为上覆软土岩溶地区；a为由地面向下第a层土层；
第二步、对隧道沿线进行地质钻探，确定隧道沿线溶洞的分布情况，并确定溶洞与隧道之间各土层的厚度le；e为由隧道底部起至溶洞顶部第e层土层；
第三步、根据溶洞边界面上的力学平衡，建立关于溶洞顶托力M、土体摩擦力F、土体重力G和注浆传递力T的溶洞安全平衡公式：M+F＝G+T；
第四步、根据溶洞安全平衡公式，确定安全传递压力t的计算公式，计算各溶洞的安全传递压力；其中：所述安全传递压力t的计算公式为：
式中：K0为溶洞顶部土层的静止侧压力系数；γ为溶洞顶部土层的重度，kN/m3；le为溶洞与隧道之间各土层的厚度，m；为溶洞顶部土层的内摩擦角，°；c为溶洞顶部土层的内粘聚力，kN/m2；γ'e为溶洞与隧道之间各土层的重度，kN/m3；
第五步、计算各溶洞的安全注浆压力P，则各溶洞施工段的安全盾尾注浆压力为安全注浆压力P，若两个及其以上溶洞处于同一溶洞施工段，则取安全注浆压力P中的最小值；
所述安全注浆压力P的计算方法为建立如下关系式，求解安全注浆压力P的值：
式中：t为特征传递压力，kPa；Re表示取实部；Z为复变函数，Z＝x+iy，其中，x、y为自变量；φ(Z)和ψ(Z)为解析函数；φ'(Z)为解析函数φ(Z)的一阶导数；φ”(Z)为解析函数φ(Z)的二阶导数；ψ'(Z)为解析函数ψ(Z)的一阶导数；i为虚数单位；m、n、q为计算参数，不具有实际意义；r为隧道半径，m；i为虚数单位；d为隧道轴线至地表的竖直距离，m；P为安全注浆压力，kPa；
求解上述关系式，然后令x的值为0，令y的值为溶洞埋深h'，得安全注浆压力P的值。
优选地，第一步中，所述获取施工现场土样采用钻孔取土的方法，取土深度为H，取土量满足每层土的取土量制作不少于三个的三轴试验仪试件。
更优选地，所述取土深度H按下式计算：
H＝h+2R
式中：h为隧道埋深，m；R为隧道直径，m。
优选地，第一步中，所述重度试验为：采用环刀密度试验法测得各土层的湿密度ρi，并计算各土层重度γi＝ρig，其中g为重力加速度，g取9.81m/s2。
优选地，第一步中，所述内摩擦角和粘聚力试验为：把施工现场土样制成圆柱体试件，每层土不少于三个圆柱体试件，圆柱体试件的直径和高度由三轴试验仪的技术参数确定；对圆柱体试件进行三轴压缩试验，得到多组破坏时主应力差σ1a-σ3a与围压σ3a的数据；根据得到的多组数据确定多个破坏莫尔圆，再根据摩尔-库伦破坏准则确定破坏包络线，其中：破坏包络线与水平方向的夹角为内摩擦角破坏包络线在纵轴上截距的大小为内粘聚力ca。
优选地，第一步中，所述静止侧压力试验为把施工现场土样制成圆柱体试件，每层土不少于三个圆柱体试件，圆柱体试件的直径和高度由三轴试验仪的技术参数确定；对圆柱体试件进行三轴侧压力仪试验，得到轴向压力σ′1a、侧向压力σ'3a和孔隙水压力ua，计算静止侧压力系数K0a＝(σ′1a-ua)/(σ'3a-ua)。
优选地，第一步中，所述a为由地面向下第a层土层。
优选地，第一步中，所述土层划分的标准通过查阅《土的工程分类标准》(GB/T50145-2007)确定。
优选地，第一步中，所述上覆软土岩溶地区为：岩溶岩层上面覆盖有砂土或粘土的地区。
优选地，第二步中，所述溶洞与隧道之间各土层的厚度le为：隧道底部至溶洞顶部之间区域内各土层的厚度，其中：e为由隧道底部起至溶洞顶部第e层土层。
优选地，第三步中，所述溶洞顶托力M的表达式为：
M＝Y/b
式中：Y为托力；b为溶洞宽度。
优选地，第三步中，所述土体摩擦力F的表达式为：
F＝bf
式中：f为单位宽度摩擦力；b为溶洞宽度。
更优选地，所述单位宽度摩擦力f的表达式为
式中：K0为溶洞顶部土层的静止侧压力系数；γ为溶洞顶部土层的重度；le为溶洞与隧道之间各土层的厚度；为溶洞顶部土层的内摩擦角；c为溶洞顶部土层的内粘聚力。
优选地，第三步中，所述土体重力G的表达式为：
G＝Σ(bleγ'e)
式中：b为溶洞宽度；le为溶洞与隧道之间各土层的厚度；γ'e为溶洞与隧道之间各土层的重度。
优选地，第三步中，所述注浆传递力T的表达式为：
T＝tb
式中：t为安全传递压力；b为溶洞宽度。
优选地，第四步中，所述安全传递压力t的计算公式的确定方法为：
根据溶洞边界处的力学平衡得到溶洞安全平衡公式M+F＝G+T，由溶洞安全平衡公式得到：
令得到安全传递压力t的计算公式：
其中：M为溶洞顶托力，F为土体摩擦力，G为土体重力，T为注浆传递力，t为安全传递压力，Y为托力，b为溶洞宽度，f为单位宽度摩擦力，le为溶洞与隧道之间各土层的厚度，γ'e为溶洞与隧道之间各土层的重度，γ为溶洞顶部土层的重度，K0为溶洞顶部土层的静止侧压力系数，为溶洞顶部土层的内摩擦角，c为溶洞顶部土层的内粘聚力。
优选地，第五步中，所述隧道半径r按下式计算：
r＝R/2
式中：R为隧道直径，m。
优选地，第五步中，所述隧道轴线至地表的竖直距离d按下式计算：
d＝h+r
式中：h为隧道埋深，m；r为隧道半径，m。
优选地，第五步中，所述溶洞施工段为：在隧道横截面上有该溶洞分布的隧道施工段。
优选地，第五步中，所述溶洞埋深h'按下式计算：
h'＝d+r+Σle
式中：d为隧道轴线至地表的竖直距离，m；r为隧道半径，m；le为溶洞与隧道之间各土层的厚度，m。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供了一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，考虑了隧道附近溶洞对盾构隧道施工盾构注浆压力的影响，防止注浆压力过大导致隧道临近溶洞的破坏，保障施工安全，且本发明简单、实用，便于推广。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一优选实施例中地层横截面图；
图2为本发明一优选实施例中溶洞施工段纵截面图；
图中：
1为砂土层，2为粉质粘土层，3为微风化灰岩层，4为隧道，5为溶洞，6为溶洞施工段。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，用于岩溶地区的盾构隧道施工，工程地质为上覆砂土、粉质粘土下卧微风化灰岩的岩溶地区，如图1所示，砂土层1的厚度为8.6m，粉质粘土层2的厚度为13m，隧道4位于粉质粘土层2中，其中：隧道4埋深11m、隧道4直径6m；取隧道4的一段施工段，溶洞5位于微风化灰岩层3，溶洞5的截面近似圆形并位于隧道4左下方，并与隧道4的垂直距离为4.6m。
所述方法的具体施工步骤如下：
步骤一、根据隧道设计与施工方案，确定隧道埋深h＝11m、隧道直径R＝6m；在隧道沿线获取施工现场土样，取土深度H满足公式：H＝h+2R(式中：h为隧道埋深，取11m；R为隧道直径，取6m)，得到：H＝h+2R＝11+2×6＝23m；对施工现场土样进行重度试验、内摩擦角和粘聚力试验、静止侧压力试验，依据《土的工程分类标准》(GB/T 50145-2007)确定隧道施工现场为上覆砂土、粉质粘土下卧微风化灰岩的岩溶地区，可采用所述方法，确定：
砂土层的重度γ1＝19.6kN/m3、内摩擦角内粘聚力c1＝0kPa、静止侧压力系数K01＝0.4，
粉质粘土的重度γ2＝19.1kN/m3、内摩擦角内粘聚力c2＝31kPa、静止侧压力系数K02＝0.51。
步骤二、对隧道沿线进行地质钻探，确定隧道沿线分布有溶洞一个，溶洞位于微风化灰岩层中，隧道与溶洞之间有一层地层，为粉质粘土层(如图1所示)，确定溶洞与隧道之间粉质粘土层的厚度l1＝4.2m；
步骤三、根据溶洞边界面上的力学平衡，建立关于溶洞顶托力M、土体摩擦力F、土体重力G和注浆传递力T的溶洞安全平衡公式：M+F＝G+T。
步骤四、根据溶洞安全平衡公式：M+F＝G+T确定安全传递压力t的计算公式，计算该溶洞的安全传递压力t；
所述安全传递压力t满足公式：
式中：K0为溶洞顶部土层的静止侧压力系数，取K0＝K02＝0.51；γ为溶洞顶部土层的重度，取γ＝γ2＝19.1kN/m3；le为溶洞与隧道之间各土层的厚度，溶洞与隧道之间仅有一层粉质粘土层，l1＝4.2m；为溶洞顶部土层的内摩擦角，c为溶洞顶部土层的内粘聚力，c＝c2＝31kPa；γ'e为溶洞与隧道之间各土层的重度，溶洞与隧道之间仅有一层粉质粘土层，γ'1＝γ2＝19.1kN/m3)，
从而得到安全传递压力t的值为198kPa。
步骤五、计算该溶洞的安全注浆压力P＝350kPa，在该溶洞施工段上仅有一个溶洞，则该溶洞施工段的安全盾尾注浆压力即为350kPa。
作为一优选的实施方式，第五步中，所述安全注浆压力P的确定方法为建立如下关系式，求解安全注浆压力P的值：
式中：t为安全传递压力，为198kPa；；Re表示取实部；Z为复变函数，Z＝x+iy，其中，x、y为自变量；φ(Z)和ψ(Z)为解析函数；φ'(Z)为解析函数φ(Z)的一阶导数；φ”(Z)为解析函数φ(Z)的二阶导数；ψ'(Z)为解析函数ψ(Z)的一阶导数；i为虚数单位；m、n、q为计算参数，不具有实际意义；r为隧道半径，取r＝R/2＝3m；d为隧道轴线至地表的竖直距离，取d＝h+r＝14m；P为安全注浆压力。
求解上述关系式，然后令x的值为0，令y的值为溶洞埋深h'，取h'＝d+r+Σle＝d+r+l1＝21.2m，得安全注浆压力P的值为350kPa。
如图2所示，作为优选的，第五步中，所述溶洞施工段6为在隧道4横截面上有溶洞5分布的隧道施工段。
本发明所述方法考虑了在盾构隧道注浆施工过程中注浆压力可能对隧道附近溶洞造成的破坏，确定了岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的大小，保障了盾构隧道注浆施工安全可靠。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
第一步、根据隧道设计与施工方案，确定隧道埋深h、隧道直径R；在隧道沿线获取施工现场土样，对施工现场土样进行重度试验、内摩擦角和粘聚力试验、静止侧压力试验，以确定施工现场各土层的重度γa、内摩擦角内粘聚力ca和静止侧压力系数K0a；确定施工现场地质情况并对施工现场进行土层划分，判断施工现场是否为上覆软土岩溶地区；a为由地面向下第a层土层；
第二步、对隧道沿线进行地质钻探，确定隧道沿线溶洞的分布情况，并确定溶洞与隧道之间各土层的厚度le；e为由隧道底部起至溶洞顶部第e层土层；
第三步、根据溶洞边界面上的力学平衡，建立关于溶洞顶托力M、土体摩擦力F、土体重力G和注浆传递力T的溶洞安全平衡公式：M+F＝G+T；
第四步、根据溶洞安全平衡公式，确定安全传递压力t的计算公式，计算各溶洞的安全传递压力；其中：所述安全传递压力t的计算公式为：
式中：K0为溶洞顶部土层的静止侧压力系数；γ为溶洞顶部土层的重度，kN/m3；le为溶洞与隧道之间各土层的厚度，m；为溶洞顶部土层的内摩擦角，°；c为溶洞顶部土层的内粘聚力，kN/m2；γ'e为溶洞与隧道之间各土层的重度，kN/m3；
第五步、计算各溶洞的安全注浆压力P，则各溶洞施工段的安全盾尾注浆压力为安全注浆压力P，若两个及其以上溶洞处于同一溶洞施工段，则取安全注浆压力P中的最小值；
所述安全注浆压力P的计算方法为建立如下关系式：
式中：t为特征传递压力，kPa；Re表示取实部；Z为复变函数，Z＝x+iy，其中，x、y为自变量；φ(Z)和ψ(Z)为解析函数；φ'(Z)为解析函数φ(Z)的一阶导数；φ”(Z)为解析函数φ(Z)的二阶导数；ψ'(Z)为解析函数ψ(Z)的一阶导数；i为虚数单位；m、n、q为计算参数，不具有实际意义；r为隧道半径，m；i为虚数单位；d为隧道轴线至地表的竖直距离，m；P为安全注浆压力，kPa；所述溶洞与隧道之间各土层的厚度le为：隧道底部至溶洞顶部之间区域内各土层的厚度；
求解上述关系式，然后令x的值为0，令y的值为溶洞埋深h'，得安全注浆压力P的值。
2.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第一步中：
所述获取施工现场土样采用钻孔取土的方法，取土深度为H，取土量满足每层土的取土量制作不少于三个的三轴试验仪试件；其中：所述取土深度H按公式：H＝h+2R计算，式中：h为隧道埋深，m；R为隧道直径，m；
所述上覆软土岩溶地区为：岩溶岩层上面覆盖有砂土或粘土的地区。
3.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第一步中：
所述重度试验为：采用环刀密度试验法测得各土层的湿密度ρa，并计算各土层重度γa＝ρag，其中g为重力加速度，g取9.81m/s2；
所述内摩擦角和粘聚力试验为：把施工现场土样制成圆柱体试件，每层土不少于三个圆柱体试件，圆柱体试件的直径和高度由三轴试验仪的技术参数确定；对圆柱体试件进行三轴压缩试验，得到多组破坏时主应力差σ1a-σ3a与围压σ3a的数据；根据得到的多组数据确定多个破坏莫尔圆，再根据摩尔-库伦破坏准则确定破坏包络线，其中：破坏包络线与水平方向的夹角为内摩擦角破坏包络线在纵轴上截距的大小为内粘聚力ca；
所述静止侧压力试验为把施工现场土样制成圆柱体试件，每层土不少于三个圆柱体试件，圆柱体试件的直径和高度由三轴试验仪的技术参数确定；对圆柱体试件进行三轴侧压力仪试验，得到轴向压力σ′1a、侧向压力σ'3a和孔隙水压力ua，计算静止侧压力系数K0a＝(σ′1a-ua)/(σ′3a-ua)。
4.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第三步中，所述溶洞顶托力M的表达式为：
M＝Y/b
式中：Y为托力；b为溶洞宽度。
5.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第三步中，所述土体摩擦力F的表达式为：
F＝bf
式中：f为单位宽度摩擦力；b为溶洞宽度；其中：所述单位宽度摩擦力f的表达式为：
式中：K0为溶洞顶部土层的静止侧压力系数；γ为溶洞顶部土层的重度；le为溶洞与隧道之间各土层的厚度；为溶洞顶部土层的内摩擦角；c为溶洞顶部土层的内粘聚力。
6.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第三步中，所述土体重力G的表达式为：
G＝∑(bleγ'e)
式中：b为溶洞宽度；le为溶洞与隧道之间各土层的厚度；γ'e为溶洞与隧道之间各土层的重度。
7.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第三步中，所述注浆传递力T的表达式为：
T＝tb
式中：t为安全传递压力；b为溶洞宽度。
8.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第四步中，所述安全传递压力t的计算公式的确定方法为：
根据溶洞边界处的力学平衡得到溶洞安全平衡公式M+F＝G+T，由溶洞安全平衡公式得到：
令得到安全传递压力t的计算公式：
其中：M为溶洞顶托力，F为土体摩擦力，G为土体重力，T为注浆传递力，t为安全传递压力，Y为托力，b为溶洞宽度，f为单位宽度摩擦力，le为溶洞与隧道之间各土层的厚度，γ'e为溶洞与隧道之间各土层的重度，γ为溶洞顶部土层的重度，K0为溶洞顶部土层的静止侧压力系数，为溶洞顶部土层的内摩擦角，c为溶洞顶部土层的内粘聚力。
9.根据权利要求1所述的一种岩溶地区盾构隧道安全盾尾注浆压力的确定方法，其特征在于，第五步中：
所述隧道半径r按公式：r＝R/2计算，式中R为隧道直径，m；
所述隧道轴线至地表的竖直距离d按公式：d＝h+r计算，式中：h为隧道埋深，m；r为隧道半径，m；
所述溶洞施工段为：在隧道横截面上有该溶洞分布的隧道施工段。
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