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软土地基对顶管施工的影响
发布日期:2010-02-09 阅读:3549 字体:[ ] 大

黎智恒1    杨东明2


 


『摘要』   在顶管施工中,管道下方一般为天然地基,如果碰到软土地基,特别是淤泥土层地基,其对顶管的影响,是否需要进行软基处理的技术界定已成为一个急需解决的问题。本文对广州某截污顶管工程中所出现的问题进行了分析,希望其中的经验与教训能够提供给大家一起探讨。


『关键词』  顶管施工  软土地基  软基处理


 


一、           前言


在作者所参与的广州市某项截污顶管工程中,管道为内径Φ1350的混凝土顶管,埋深在地下6.5~8.2米之间的土层,所遇到的地质条件为N值在1.5~3的淤泥质土,地下水位较高,在地下1米就开始出现。


在该工程初段开始比较顺利,但在离到达接收井还有20米时,出现了机头持续下沉并且向上纠偏失效的现象,虽然机头顺利进入接收井,但管道累计下沉已达10cm。在该段结束后1个月,该段管道发现了大幅度的自然沉降,并且发生了管节错位。之后该段进行了明挖修复处理。


同样在该工程的另外一段,在机头出洞后就发生持续下沉并且纠偏无效的现象。施工时的天气为暴雨,地下水压力很高,达到0.04Mpa。该段顶进20米后停下来对前进方向段进行地基处理,使用旋喷桩法进行,当机头恢复顶进后进入地基处理段,机头的纠偏恢复有效并成功完成该段施工。


总结了上述的经验和教训后,在该工程的后续几段施工中,在工作井和接收井洞口20米的范围进行了地基处理,实践证明采取以上措施是正确的,我们顺利完成了后续几段的顶进。


在地下管道施工规范中,对地基都有一定对要求,对软土地基都要求进行软基处理。但对于顶管施工而言,一般都使用天然地基,而不对地基进行加固处理。但若是顶管碰到软土地基,特别是淤泥土层,其对顶管的影响以及是否需要进行软基处理的技术界定已经成为一个急需解决对问题。下面对这一问题进行一些理论分析。


 


二、           软土的特性对顶管的影响


软土一般是指在静水或缓慢流水环境中沉积的软塑到流塑状态的饱和粘性土层,特点是天然含水量大,抗剪切强度低、压缩率高、富含有机质的淤泥或淤泥质土。


1)        含水量高,孔隙比大


软土的天然含水量一般都不大于液限、孔隙比大于1.0,有的软粘土有时含水量高达200%以上,孔隙比大到6.0。淤泥和淤泥质土还富含有机质。


软土属于粘性土,粘性土的性质受水的影响使很大的。随着含水量的不断增加,粘性土可由固态渐渐变为半固态,再至可塑态,最后到流动状态。可用液性指数IL表示,当IL>1时,土体处于流塑状态。淤泥是在静水或缓慢的流水环境中沉积并经生化作用形成的,其天然含水量大于液限,天然孔隙比大于或等于1.5;淤泥质土的天然孔隙比小于1.5,大于1.0


地下水在软土中往往可以流动,容易发生流砂或者管涌现象。地下水渗流时,对单位土体有一定的冲击压力GD,称为动水压力。当地下水自下而上渗流时,GD与重力方向相反,当GD等于或大于土颗粒浮重度时,土处于悬浮状态,随水流动,这种现象叫做流砂现象。产生流砂现象的临界动水压力剃度近似为1


在天然或人为条件下,细颗粒土在动水压力作用下,沿粗土粒间的孔隙随水流走,导致土体被破坏,这种现象称为管涌或潜蚀。


处于软土地基的顶管工作井,若存在较大漏洞,在地下水位高时由于动水压力剃度大,很容易会发生管涌或流砂现象。这样会造成工作井周边土体流失,使土体疏松,孔隙比加大,严重的还会形成地下空洞。在上述顶管工程中,工作井所处地质为淤泥质粉土,部分井位为粉砂,地下水位高,工作井的底板和洞口处经常出现较大的漏水并伴随有小程度的流砂和管涌。在该工程中对部分井位使用旋喷桩法对洞口部位进行了地基加固,在加固过程中每个洞口位注入了15M3的水泥浆(水灰比为11),但并没有发生地面翻浆现象,说明洞口周边土体存在较大的孔隙或空洞中,水泥浆都进入其中。同时在注浆过程中地面还出现了不同程度的塌陷,这是注浆压力破坏了疏松的土体结构而形成塌陷。


2)        土中气体


由于微生物分解有机物,淤泥质软土或泥炭土层中含有一些可燃性气体(如硫化氢,甲烷等),这些气体封闭在细粒土中不易逸出,因而增加了土的压缩性。在工作井施工和顶管顶进过程中,这部分气体均会逸出使土体更容易压缩。


3)        土的结构


软土的土颗粒较细,一般为属于粉土或粉砂级,淤泥的粒径多为0.05mm以下的粉粒,粉粒间的作用力大于重力作用,当其在沉积过程中碰到已沉积的土粒时,会受到引力作用停留在土粒表面而不再下降,形成具有很大孔隙比的蜂窝状土体结构。对于这种饱和性软土,由于孔隙小,压缩性大,渗透缓慢,其沉降往往需要几年甚至几十年时间才能达到稳定,根据地基规范,对于高压缩性土施工期间可认为土体已完成最终沉降量的5%~20%。因此其承载力也与形成历史密切相关。


因此,若遇到具有较短的软土回填历史的地基,土体还没有完成最终沉降,其承载力会下降很大。同时若在淤泥质土层施工过程中发生土体坍塌的话,坍塌土体相当于未经沉降的淤泥回填土,其承载力非常低,若该土层在地下水位之下,其承载力大约只有为1010kPa;若在地下水位之上,其承载力会小于10kPa


在前述顶管工程中的管道自然下沉错位段,由于接收井洞口在进洞前只用木板挡土,洞口的淤泥质土体被泡于水中发生局部坍塌使承载力急剧下降。致使顶管机头在距离接受井洞口20米处就出现了无法纠偏急剧下沉的现象,这种现象的出现就是由于土体坍塌使土体承载力急剧下降所造成。同时在机头进洞管道形成后,管道还发生自然下沉而出现接口错位的现象,这是由于坍塌后淤泥质土体发生自然沉降所造成的。同样在该工程中另一工作井位,由于在施工当中发生工作井塌方,虽然最后工作井建立起来,但在机头出洞后就持续下沉并纠偏失效,这也是淤泥质土发生坍塌后承载力下降所造成的。以上都说明了在淤泥土层中发生土体坍塌对顶管的不利影响。


 


三、           土体的承载性能对顶管的影响


1)        基底变形对顶管机头纠偏的影响


顶管机头的纠偏性能可以通过几何计算算出。以AVN1350机头(德国海瑞克设备)为例,其纠偏油缸行程为60mm,三个纠偏油缸品字型排列在Φ1300mm的圆上,3米的机头中有1/3为纠偏关节,如图1所示,通过几何计算可得到顶进3米,机头的最大抬升纠偏量为52mm。但由于机头在前进过程中由于土体变形会下沉,从而抵消机头的抬升作用,若基底土体变形超过52mm,就会造成纠偏失效。


土体的变形量可通过分层总和法来计算。淤泥质软土的天然孔隙比在1.0甚至1.5以上,当进行变形计算时孔隙比处于土体压缩曲线靠近y轴段,如图2所示。可见很小的基底压力就会引起很大的变形,由于淤泥的压力曲线难以测定,同时y轴段试验数据往往有很大误差,故在此不用土体变形量来判断对纠偏的影响。


2)        基底压力计算


砼管在空管时的基底压力较小,甚至小于在水中的悬浮承载力10kPa。但在管道顶完后和以后使用中管道都会泡水,所以在工程计算时应采用砼管的含水基底压力。对于泥水平衡顶管机来说,机头的重量主要集中在机头前部,机头的重心位为机头前部1/3处。下面以1350管径为例计算砼管含水基底压力和机头基底压力。


砼管含水基底压力


Pg=(G砼管G含水/砼管基底面积=(4600+4800/(1.6*3)=18.5kPa


由于机头为偏心,故机头的最大基底压力为(在刀盘处)


PjG机头16e/机头基底面积=10*(1+0.35)/4.8=28Kpa


3)        土体的基础承载力


地基从开始发生变形到失去稳定可分为压密变形阶段、局部剪切变形阶段和整体剪切破坏阶段。砼管载荷试验可以得到压力—沉降关系曲线,如图3中曲线a所示。,Pcr为临塑载荷,Pu为极限载荷。对于排水管道来说,标高要求十分严格,顶管管道因地基变形而引起的下沉应该是要求微量的,所以顶管施工以Pcr作为土体承载力指标较为合适。具体计算公式如下



其中,qKγ0dK为考虑到施工和历史因素对土体最终沉降量的影响所取系数,若土体在施工中受局部塌陷影响只完成最终沉降量的40%以下时,K取为0.1),NcNq1Nctgψ,ψ为摩擦角,Cu为粘聚力Cu8kN(其中N为标贯值,k为考虑到顶进对淤泥的扰动使土体强度降低而引入的j经验系数,k一般取为0.5)


对于饱和性淤泥土而言有一特性,就是土体的内摩擦角ψ很小ψ≈0,PcrPu,其压力—沉降关系曲线如图3中曲线b所示。由此可见,当机头最大基底压力Pj>Pcr时,机头的纠偏必然失效。同时由于机头向上纠偏还需要克服很大的抬升力以挤压上部土体,根据经验只有在Pcr大于3Pj时,纠偏才会起到一定效果。当砼管含水基底压力Pg>Pcr时,管道一定下沉。下面对饱和性淤泥进行详细计算(以1350管径为例,土体在施工中受到局部塌陷K=0.1,管道埋深为8米,地下水深度为1米,取γ0=8KpaN值为2


0.1×8×805×2×8×3.1431.5 kPa< <3*Pj=74kPa


可见若用此实例计算的结果就会出现纠偏失效的情况。


 


四、           软土的类液化现象对承载性能的影响


对于软土地基,在地震的情况下,土粒间隙由于振动而缩小,由于土中间隙的水不能及时排出而使孔隙水压升高而使土粒处于悬浮状态形成液化现象,从而失去承载力。


顶管在软土地基顶进时,可能会发生类液化现象,特别在淤泥土层。在深层淤泥土层顶进时,土层的地下水位较高,深层土粒间力较大,孔隙压力也较大,这种孔隙压力在泥水平衡中会产生释放,同时顶进过程中土体结构受到扰动而强度下降,同时较高的地下水压力会向泥水循环产生管涌现象,破坏土体结构,使土体产生类液化现象。


在面对土体的类液化现象,若在顶进操作过程中按正常的顶进方法向机头前方土体打水,水流就会破坏土体结构而极大降低土体承载力。另外,应避免在暴雨天气进行施工,否则,土体会产生饱和现象,并随管道的摩擦扰动而液化失去承载力。


 


五、           小结


本文根据工程经历对顶管在软土地基中所会受到的影响因素进行了讨论,并提出了软土承载性能的计算方法及对纠偏的影响。从以上分析可以知道,遇到软土地基,施工对土体的影响在施工中是非常主要的,并且要注意土体的类液化现象的发生。


 


参考文献


1.邵全   韦敏才    《土力学与基础工程》     重庆大学出版社      1974


2.余彬泉 陈传灿     《顶管施工技术》        人民交通出版社      1997


 


作者简介


1.     姓名:黎智恒     出生年月19772      性别:男     民族:汉


籍贯:广东南海 工作单位: 广州市市政工程维修处   职务: 顶管设备负责人/项目负责人     学历:工学硕士    主要工作: 顶管设备管理和顶管工程项目管理     联系地址: 广州市广州大道南叠彩园碧蓝轩3402    邮编: 510300


电话: 020-88565050    Email: ydmgood@163.com


 


2.     姓名:杨东明      出生年月197511     性别:女     民族:汉


籍贯:浙江诸暨  工作单位: 广州本田汽车有限公司   职务: 技术科项目担当       学历:工学硕士      主要工作: 新车型项目产品技术总担当


 


Abstract:   In the microtunnel engineering, the foundation under the pipe usually are native base. If the base is soft groud, espeially silt, what is its effect on the pipe pushing and does it need ground treatment. The issues aove have become urgent problems. This article analyses some engineering problemsfrom one microtunnel project in Guangzhou, China, and provides some experiences.


Key words:  microtunnel, soft ground, ground treatment


 


                                                                 摘自《非开挖技术信息网》


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