CN106567719B - 一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法 - Google Patents

一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法，所述方法针对砂土岩溶地层盾构隧道正下方分布有溶洞的地质情况，根据溶洞边界处的力学平衡和注浆压力在岩土体中的传递规律，运用特征点进行三次样条拟合，以建立注浆压力和垂直距离的关系曲线，从而得到在隧道设计注浆压力下的安全溶洞距离。本发明不仅克服了现有技术中未考虑盾尾注浆对隧道附近溶洞影响的问题，为溶洞处理范围的确定提供了更全面可靠的依据，保障了盾构隧道施工的安全性，而且简单、实用，便于推广。

Description

一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法
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，涉及一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法。
背景技术
我国经济的高速发展和地下工程的大规模建设，产生了大量的盾构隧道施工需求。在进行盾构隧道施工时，需要采用盾尾注浆的方法对隧道超挖间隙以一定压力注入适量的浆液进行回填，从而减小对地层的扰动，控制地层沉降和变形，保证隧道围岩和地面建筑物的稳定性。而在砂土岩溶地层中进行盾构隧道施工时，若溶洞与隧道距离较近，盾尾注浆的劈裂作用会使砂层与溶洞之间形成通道，砂土流入洞中，导致溶洞塌陷破坏，地面产生较大沉降。因而确定砂土岩溶地层盾构隧道注浆的安全溶洞距离，对位于安全距离内的溶洞进行处理，以避免砂层与溶洞之间通道的产生，在砂土岩溶地层的盾构施工中尤为重要。现有的岩溶地区盾构隧道施工技术提出了盾构隧道施工中溶洞处理范围的确定方法，该溶洞处理范围的边界即为岩溶地区盾构隧道施工的安全溶洞距离，但现有溶洞处理范围确定方法的提出是基于盾构隧道掘进过程中对围岩的扰动，没有考虑盾尾注浆对围岩的劈裂作用，目前尚缺乏针对盾尾注浆施工过程的安全溶洞距离的确定方法。
经对现有技术检索发现，现有的岩溶地区盾构隧道施工安全溶洞距离的确定方法考虑了盾构机掘进过程中对隧道附近溶洞造成的破坏。朱小藻于2013年在《铁道建筑技术》发表的《岩溶地区盾构隧道溶土洞充填注浆施工技术》一文中提出了基于围岩性质的溶洞处理范围，隧道的掘进施工会对位于该范围内溶洞的稳定性造成影响，因而需要对该范围内的溶洞进行处理；于凯于2016年在《山西建筑》发表的《广州地铁9号线隧道溶洞处理原则优化研究》一文中提出了明确的量化指标洞距比和洞隧比作为溶洞处理的评价标准，给出了溶洞处理原则的优化建议，以确保盾构掘进过程中溶洞的安全。以上安全溶洞距离的确定方法考虑的是溶洞在盾构机掘进过程中因岩土体的开挖而受到的破坏，但在盾构机掘进过程后的盾尾注浆中，盾尾注浆的劈裂作用也会对溶洞的稳定性造成影响，在工程实践中，仅考虑盾构机掘进过程对溶洞的影响而忽略盾尾注浆对溶洞的影响则有可能导致工程事故的产生，难以保证工程实践的安全性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提出一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：针对砂土岩溶地层盾构隧道正下方分布有溶洞的地质情况，根据溶洞边界处的力学平衡和注浆压力在岩土体中的传递规律，运用特征点进行三次样条拟合，建立了注浆压力和垂直距离的关系曲线，得到了在隧道设计注浆压力下的安全溶洞距离。本发明不仅克服了现有技术中未考虑盾尾注浆对隧道附近溶洞影响的问题，为溶洞处理范围的确定提供了更全面可靠的依据，保障了盾构隧道施工的安全性，而且简单、实用，便于推广。
具体的，一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法，所述方法包括如下步骤：
第一步、获取隧道设计参数，在隧道沿线获取施工现场土样，对施工现场土样进行室内常规土工试验，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砂土岩溶地层，确定施工现场各土层的工程地质参数；
第二步、计算在盾构隧道注浆施工过程中，当隧道与正下方溶洞之间垂直距离l的值为特征垂直距离l'时对溶洞的特征传递压力t；所述特征传递压力t按下式计算：
式中：K0为静止侧压力系数；γ为重度，kN/m3；l'为特征垂直距离，m；为内摩擦角，°；c为内粘聚力，kN/m2；
第三步、计算在盾构隧道注浆施工过程中，当隧道与溶洞之间为特征垂直距离l'时的特征注浆压力P'；所述特征注浆压力P'的确定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；d为隧道轴线至地表的竖直距离，m；P'为特征注浆压力，kPa；
求解上述关系式，然后令x的值为0，令y的值为特征深度d'，得特征注浆压力P'的值；
第四步、建立以注浆压力P为纵坐标、以垂直距离l为横坐标的二维坐标系，取特征垂直距离l'和相应特征注浆压力P'在二维坐标系中所对应的点，用三次插值样条拟合法建立注浆压力P与垂直距离l的关系曲线：P＝f(l)；
第五步、在以注浆压力P为纵坐标、以垂直距离l为横坐标的二维坐标系中，建立P＝T的横线，其中T为隧道设计注浆压力；所述横线与光滑曲线P＝f(l)的交点所对应的垂直距离l即为隧道施工的安全溶洞距离L。
优选地，第一步中，所述隧道设计参数包括：隧道埋深h、隧道直径R、隧道设计注浆压力T；所述隧道设计参数通过查阅隧道设计与施工方案确定。
优选地，第一步中，所述土层划分的取样方法采用钻孔取土的方法，所述土层划分的标准通过查阅《土的工程分类标准》(GB/T 50145-2007)确定。
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以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，所述砂土岩溶地层为岩溶层上覆砂土层的地层。
优选地，第一步中，所述室内常规土工试验为：重度试验、内摩擦角和粘聚力试验、静止侧压力试验。
更优选地，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ρ，并计算各土层重度γ＝ρg，其中：g为重力加速度，g取9.81m/s2。
更优选地，所述内摩擦角和粘聚力试验为：把施工现场土样制成一定直径和高度的圆柱体试件，每层土不少于三个试件，试件的直径和高度由三轴试验仪的技术参数确定；对试件进行三轴压缩试验，得到多组破坏时主应力差σ1-σ3与围压σ3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，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c。
更优选地，所述静止侧压力试验为：把施工现场土样制成一定直径和高度的圆柱体试件，每层土不少于三个试件，试件的直径和高度由三轴试验仪的技术参数确定；对试件进行三轴侧压力仪试验，得到轴向压力σ′1、侧向压力σ′3和孔隙水压力u；计算静止侧压力系数K0＝(σ′1-u)/(σ′3-u)。
优选地，第一步中，所述工程地质参数包括：重度γ、内摩擦角内粘聚力c和静止侧压力系数K0。
优选地，第二步中，所述垂直距离l为隧道正下方溶洞的顶部与隧道底部之间的距离。
优选地，第二步中，所述特征垂直距离l'的取值为0.25R、0.5R、0.75R、R的垂直距离l，其中R为隧道直径。
优选地，第二步中，所述特征传递压力t为特征垂直距离l'所对应的传递压力。
更优选地，所述传递压力为盾构隧道施工的注浆压力传递至溶洞边界处的压力。
优选地，第二步中，所述特征传递压力t的计算公式根据溶洞边界处的力学平衡得到。
优选地，第三步中，所述特征传递压力t为第二步中由特征垂直距离l'所得到的特征传递压力t。
优选地，第三步中，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，第三步中，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，第三步中，所述特征深度d'按下式计算：
d'＝d+r+l'
式中：d为隧道轴线至地表的竖直距离，m；r为隧道半径，m；l'为特征垂直距离，m。
优选地，第三步中，所述特征注浆压力P'的确定方法由注浆压力传递公式得到。
优选地，第四步中，所述注浆压力P与特征注浆压力P'的关系为：
当垂直距离l的取值为特征垂直距离l'时所得到的注浆压力P即为特征注浆压力P'。
优选地，第四步中，所述三次插值样条拟合法是指：
以特征垂直距离l'和相应特征注浆压力P'在以注浆压力P为纵坐标、以垂直距离l为横坐标的二维坐标系中所对应的点(P'，l')为型值点，通过三次插值样条拟合构造出光滑曲线P＝f(l)，则光滑曲线P＝f(l)即为注浆压力P与垂直距离l的关系曲线。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供了一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法，考虑了盾构隧道盾尾注浆施工对位于隧道正下方的溶洞的影响，为隧道施工设计中溶洞处理范围的确定提供依据，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；
图中：1为砂土层，2为微风化灰岩层，3为隧道，4为溶洞；
图2为本发明一优选实施例中注浆压力P与垂直距离l的关系曲线图。
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。
一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法，用于砂土岩溶地层的盾构隧道施工，地层为上覆砂土下卧微风化灰岩的岩溶地层，如图1所示，隧道3位于砂土层1中，其中：隧道3埋深11m、隧道3直径6m；取隧道3的一段施工段，溶洞4位于微风化灰岩层2，溶洞4的截面近似圆形并位于隧道3正下方，且与隧道3的垂直距离为4.6m。
所述方法的具体施工步骤如下：
步骤一、通过查阅隧道设计与施工方案获取隧道设计参数，隧道设计参数包括：隧道埋深h＝11m、隧道直径R＝6m、隧道设计注浆压力T＝400kPa；在隧道沿线采用钻孔取土的方法获取施工现场土样，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)，得到取土深度H：H＝h+2R＝11+2×6＝23m；对施工现场土样进行室内常规土工试验，包括：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)，并采用钻孔取土的方法确定隧道施工区域为上覆砂土下卧微风化灰岩的岩溶地区，确定砂土层的重度γ＝19.8kN/m3、内摩擦角内粘聚力c＝31.6kPa、静止侧压力系数K0＝0.4。
步骤二、计算在盾构隧道注浆施工过程中，当隧道与正下方溶洞之间垂直距离l的值为特征垂直距离l'时对溶洞的特征传递压力t；
所述特征传递压力t满足公式：
式中：K0为静止侧压力系数，取0.4；γ为砂土层的重度，取19.8kN/m3；l'为特征垂直距离，取值分别为0.25R、0.5R、0.75R、R的垂直距离l，即取1.5m、3m、4.5m、6m；为内摩擦角，取31°；c为内粘聚力，取31.6kPa，
从而得到特征传递压力t的值分别为：70.5kPa、151.6kPa、243kPa、346kPa。
步骤三、计算在盾构隧道注浆施工过程中，当隧道与溶洞之间为特征垂直距离l'＝1.5m、3m、4.5m、6m时对溶洞的特征注浆压力P'分别为47.3kPa、178kPa、469kPa、941kPa。
作为一优选的实施方式，所述的特征注浆压力P'的确定方法为建立如下关系式：
式中：t为特征传递压力，即分别为70.5kPa、151.6kPa、243kPa、346kPa；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'为特征注浆压力；
求解上述关系式，然后令x的值为0，令y的值为特征深度d'，取d'＝d+r+l'，则d'取值分别为18.5m、20m、21.5m、23m，得特征注浆压力P'的值分别为47.3kPa、178kPa、469kPa和941kPa；
步骤四、建立以注浆压力P为纵坐标、以垂直距离l为横坐标的二维坐标系，取特征垂直距离l'分别为1.5m、3m、4.5m、6m和相应特征注浆压力P'分别为47.3kPa、178kPa、469kPa、941kPa时在二维坐标系中所对应的点，用三次插值样条拟合法建立注浆压力P与垂直距离l的关系曲线：P＝f(l)；(如图2所示)。
步骤五、在以注浆压力P为纵坐标、以垂直距离l为横坐标的二维坐标系中，建立P＝T＝400kPa(T为隧道设计注浆压力，取400kPa)的横线，该横线与关系曲线P＝f(l)的交点所对应的垂直距离l为4.2m(如图2所示)，则隧道在该溶洞段注浆施工的安全距离L为4.2m。
本发明所述方法考虑了在盾构隧道注浆施工过程中盾尾注浆压力对隧道正下方溶洞的影响，提出了隧道设计注浆压力所对应的安全溶洞距离，为隧道施工设计中溶洞处理范围的确定提供依据，保障盾构隧道施工的安全可靠。
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 (8)

1.一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
第一步、获取隧道设计参数，在隧道沿线获取施工现场土样，对施工现场土样进行室内常规土工试验，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砂土岩溶地层，确定施工现场各土层的工程地质参数；所述工程地质参数包括：重度γ、内摩擦角内粘聚力c和静止侧压力系数K0；
第二步、计算在盾构隧道注浆施工过程中，当隧道与正下方溶洞之间垂直距离l的值为特征垂直距离l′时对溶洞的特征传递压力t；所述特征传递压力t按下式计算：
式中：K0为静止侧压力系数；γ为重度，kN/m3；l′为特征垂直距离，m；为内摩擦角，°；c为内粘聚力，kN/m2；所述垂直距离l为隧道正下方溶洞的顶部与隧道底部之间的距离；所述特征垂直距离l′的取值为0.25R、0.5R、0.75R、R的垂直距离l，其中R为隧道直径；
第三步、计算在盾构隧道注浆施工过程中，当隧道与溶洞之间为特征垂直距离l′时的特征注浆压力P′；所述特征注浆压力P′的确定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；d为隧道轴线至地表的竖直距离，m；P′为特征注浆压力，kPa；
求解上述关系式，然后令x的值为0，令y的值为特征深度d′，得特征注浆压力P′的值；
第四步、建立以注浆压力P为纵坐标、以垂直距离l为横坐标的二维坐标系，取特征垂直距离l′和相应特征注浆压力P′在二维坐标系中所对应的点，用三次插值样条拟合法建立注浆压力P与垂直距离l的关系曲线：P＝f(l)；
第五步、在以注浆压力P为纵坐标、以垂直距离l为横坐标的二维坐标系中，建立P＝T的横线，其中T为隧道设计注浆压力；所述横线与光滑曲线P＝f(l)的交点所对应的垂直距离l即为隧道施工的安全溶洞距离L。
2.根据权利要求1所述的一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法，其特征在于，第一步中：
所述隧道设计参数包括：隧道埋深h、隧道直径R、隧道设计注浆压力T，所述隧道设计参数通过查阅隧道设计与施工方案确定；
所述土层划分的取样方法采用钻孔取土的方法；
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以制作不少于三个的三轴试验仪试件，其中取土深度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；
所述砂土岩溶地层为岩溶层上覆砂土层的地层。
3.根据权利要求1所述的一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法，其特征在于，第一步中，所述室内常规土工试验为：重度试验、内摩擦角和粘聚力试验、静止侧压力试验，其中：
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ρ，并计算各土层重度γ＝ρg，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σ1-σ3与围压σ3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，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c；
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′1、侧向压力σ′3和孔隙水压力u；计算静止侧压力系数K0＝(σ′1-u)/(σ′3-u)。
4.根据权利要求1所述的一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法，其特征在于，第二步中，所述特征传递压力t为特征垂直距离l′所对应的传递压力，其中：所述传递压力为盾构隧道施工的注浆压力传递至溶洞边界处的压力。
5.根据权利要求1所述的一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法，其特征在于，第三步中：
所述隧道半径r按下式计算：
r＝R/2，
式中：R为隧道直径，m。
6.根据权利要求5所述的一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法，其特征在于，第三步中：
所述隧道轴线至地表的竖直距离d按以下公式计算：
d＝h+r，
式中：h为隧道埋深，m；r为隧道半径，m。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法，其特征在于，第四步中，所述三次插值样条拟合法是指：
以特征垂直距离l′和相应特征注浆压力P′在以注浆压力P为纵坐标、以垂直距离l为横坐标的二维坐标系中所对应的点(P′，l′)为型值点，通过三次插值样条拟合构造出光滑曲线P＝f(l)，则光滑曲线P＝f(l)即为注浆压力P与垂直距离l的关系曲线。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种砂土岩溶地层盾构隧道注浆安全溶洞距离的确定方法，其特征在于，第四步中，所述注浆压力P与特征注浆压力P′的关系为：当垂直距离l的取值为特征垂直距离l′时所得到的注浆压力P即为特征注浆压力P′。
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