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南京过江沉管隧道软基处理水下注浆方案探讨
发布时间:2018-05-28 17:04 访问次数:

摘 要 分析了京沪高速铁路南京过江沉管隧道的工程地质条件,比较了各种地基处理方法的优缺点,提出采用喷射注浆处理沉管地基的方案,为该工程的地基处理探索出了一条新路。 关键词 喷射注浆 沉管隧道 地基处理 设计 Research on the Underwater Grouting Pla

 

 
 
 

     摘 要 分析了京沪高速铁路南京过江沉管隧道工程地质条件,比较了各种地基处理方法的优缺点,提出采用喷射注浆处理沉管地基的方案,为该工程的地基处理探索出了一条新路。

  关键词 喷射注浆 沉管隧道 地基处理 设计

  Research on the Underwater Grouting Plan of Soft Ground Treatment on Caisson Tunnel Cross Yangzhi Rever in Nanjing

  Cheng Lanyun

  (Jinhua Vocational Technological Institute, Jinhua, Zhejiang, 321017)

  Li Rong

  (Southwest Branch of Railway Scientific Research Institute, Chengdu, 610031)

  Du Jiahong

  (Northeastern University, Shenyang, 110006)

  Wang Jie

  (Shenyang Architectural and Civil Engineering Institute, Shenyang, 110015),

  Abstract In this paper, the engineering geological condition of crossing the Changjiang River Tunnel along the Beijing-Shanghai high-speed railway is studied, and merits and demerits of ground treatment methods of all kinds are checked and compared, and jet grouting plan is put forward.

  Key words jet grouting, caisson tunnel, ground treatment, design

  1 概述

  采用沉管法修建隧道已有近90年的历史,根据国际隧道协会的统计,目前世界上修建的沉管隧道已有107座,其中美国25.5座,荷兰22座,日本20座,德国7座,法国5座,中国8座(香港5座,大陆3座),比利时3座,丹麦3座等。

  在107座隧道中,公路隧道74座,铁路隧道33座(包括9座地铁隧道),最长的为1970年修建的美国的Bay Area Rapid Transit隧道,总长5825 m。有相当数量的隧道修建在软弱地基上。而沉管隧道的软基处理是隧道施工的难题之一,若处理不善,沉管将承受较大的局部应力而开裂,因此需采取有效的处理措施。

  目前沉管隧道的软基处理方法主要有刮铺法、喷砂法、压注法、灌砂法、桩基法及桥台法等。

  灌砂法是沿沉管段两侧向地基中灌砂,因不能使矩形断面管段底面中部充填密实,所以仅适用于圆形管段。对于单节管段的隧道往往采用桥台法,即将管段支承在桥台上。

  刮铺法采用刮平船将砂石料用输料管直接输送到水底刮平。碎石粒径约15 cm,粒径太小则砂石料会被水流冲走。为保证地基密实,管段就位后,可加适量压重水使地基预压密实。该法适用于水流速度较低的情况,缺点是干扰航运,基槽底宽度较大时,施工困难。

  桩基法在西欧国家应用较普遍,适用于地基土软弱,在隧道轴线方向上基底土软硬不均,可使管段产生不均匀沉降的情况。

  喷砂法是用泵将砂水通过管道向隧道底部喷射,在沉管底部形成一个砂垫层。该法适用于宽度较大的沉管隧道。为使垫层密实和防止地基液化,可加入水泥和粘合料等。喷砂法的缺点是设备体积大,影响航道通航,设备费用高,且对砂料的粒径要求严格。

  压砂法是在沉管底板处事先设置压砂孔,沉放管段后,通过该孔向地基压注砂水混合料,其优点是不干扰航运。如广州珠江沉管隧道即采用该法处理地基。

  压浆法是从隧道内部经预埋带单向阀的压浆孔向管段底面下压注混合砂浆。压浆法不干扰航运,不受水深、流速等的影响,投资少,不需大型设备及不会产生加固层液化现象等。如宁波甬江沉管隧道就是采用压浆法处理地基。

  采用哪种方法加固沉管地基,可根据工程所处的工程地质、水文地质条件及工程本身特点而定。

  2 南京过江隧道工程地质条件及地基处理方法分析

  2.1 隧址区工程地质条件

  沉管隧道位于南京长江大桥下游1.7 km处,江面宽1.5~2.0 km。隧道下的土层为粉细砂及淤泥质土,强度较低,且为可液化土层。地质剖面如图1所示。

  图1 隧道地质剖面示意图

  沉管隧道坐落在厚度很大的粉细砂及淤泥质土层中,该地层稳定性较好,地震活动中等,烈度为Ⅶ度,地基承载力较低,15 m以下的粉细砂为可液化土层。考虑到沉管隧道的截面较大,受到水的浮力也较大,作用在地基上的荷载很小。因此将管段直接放置在开挖槽坑底面上,其承载力可以满足要求。但考虑到隧址区的土质较差,过江隧道的动荷载较大,为使隧道受力均匀,避免产生液化现象,延长隧道的使用年限,必须对沉管隧道的地基进行处理。

  2.2 处理方法分析

  在沉管隧道地基处理方法中,采用刮铺法需要专用的刮平设备,该设备费用太大,施工困难且精度难以控制,此外刮铺作业时间长,对航道影响大,回淤土须不断清除,因而对该工程不适用。灌砂法、喷砂法和压注法等均为后填法,由于隧道断面为矩形,隧址区的地基土非常软弱且不均匀,可能使隧道产生不均匀沉降,在动荷载作用下还可能产生土层液化现象,这些方法也不能完全满足要求。而喷射注浆法主要适用于软弱地基,用来提高地基承载力,还可防止砂土液化,因而适用于该工程的地基处理。

  3 喷射注浆要解决的几个问题

  大型沉管隧道地基喷射注浆的料、喷射参数与一般喷射注浆基本相同,但还要解决下列几个问题。

  3.1 动水下大深度三重管喷射注浆施工的技术困难

  喷射注浆导孔成孔后,由于水流淤泥沉积,使三重管对孔困难;其次,三重管喷射注浆是置换注浆,必然产生冒浆现象,但水下喷射注浆自然回灌困难,更主要的是水射流和压气的卷吸作用使江水卷入桩体内,冲蚀桩体,造成桩体成桩困难。北京煤炭科学院使用一定长度的孔口管,插入江底一定深度,管口露出水面,安装一废浆截流槽,将废浆排入废浆池,从而解决了对孔困难、成桩困难的难题〔1〕。

  3.2 三重管喷射注浆施工期间的检测和控制问题

  日本开发出一种能在施工期间检测和控制地下空洞的三S工法〔2〕,该法利用水射流以回转方式切削土体,并利用泥浆泵将废浆排出地面,从而在地下形成一个充满泥浆的空洞。施工中利用地下自动扫描(MASU)系统的超声波传感器对空洞进行监测,通过独立的微机系统进行处理,然后贮存到磁盘中。有了该系统,在施工中很容易了解已施工部分和正在切削中的孔洞之间的相互关系。通过设置在现场地面的彩色显示器能迅速正确地向现场反馈信息。

  3.3 沉管与喷射注浆桩顶的粘结材料问题

  对于水下快速固化和薄层小体积注浆工程,特别是在动水条件下注浆,粘结修补材料采用水下不分散混凝土(NDC)不十分理想,可采用PBM(Polymer Blend Material)聚合物混凝土,这种新材料不是以水泥为凝材料,而是以PBM树脂为粘结剂,将其和骨料(石子、砂、水泥)固结成混凝土,固化时间由硬化剂的用量来控制。由于PBM树脂不溶于水,又具有很高的粘性,硬化时间可在数分钟至数小时内控制,流动性可以由树脂用量来调节,因此在水中浇筑后不需振捣,可形成自流平、自密实的水中快速硬化的混凝土。

  4 结语

  沉管隧道人工地基可采用多种方法处理,但对于该工程地处Ⅶ度地震区,沉管下存在可液化的土层,且沿沉管轴线土层强度较低且不均匀,可能使沉管产生不均匀沉降等的具体条件下,在地震作用和动荷载作用下,采用喷射注浆处理可以防止土体液化。但喷射注浆设备体积较大,施工周期较长,对航运有干扰,为此,可采用分期分区注浆的方法。以上分析仅是笔者的初步看法,喷射注浆的具体设计有待于今后进一步研究。


 
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