同济-地下工程概论-第四章-地下工程施工之辅助工法2010

第四章地下工程的施工同济大学地下系谢雄耀副教授[e-mail]地下工程的辅助工法物理方法：冻结法、降水法、动力压密法、深层挤密桩法、土的加筋法化学方法：注浆法、深层搅拌桩、粉喷桩•§1注浆法施工•§2冻结法施工工艺•§3降水法施工地下工程的辅助工法§1注浆法施工1.1注浆法定义1.2注浆类型1.3注浆的作用1.4常用注浆技术§1注浆法施工1.1注浆法定义机械压力→浆液→土粒间或裂隙松散土（天然地基）“人造石”§1注浆法1.2注浆类型按照注浆材料水泥浆液化学浆液•优点：强度高、耐久性好、材料丰富、工艺简单成本低；•优点：可注性好；•缺点：强度低、耐久性差、环境污染、成本高•缺点：容易离析和沉淀稳定性差1.2注浆法类型按工艺原理渗透性注浆：劈裂注浆：压密注浆喷射注浆法§1注浆法施工附加应力→土体剪切裂缝→超孔隙水压力→消散固结土层结构不受扰动,0.3-0.5MPa惰性浆液材料→均匀凝固胶体&压密周围土体§1注浆法施工粉砂夹层中渗透扩散阶段的凝固浆液§1注浆法施工一次劈裂流动阶段劈裂注浆1－浆液；2－注浆孔；3－渗透渗入的浆液(通过劈裂面和注浆孔边缘)；4－浆液挤压作用；5－劈裂面§1注浆法施工挤密扩展阶段压密注浆1－注浆管；2－球状浆泡；3－压密带§1注浆法施工喷射注浆法原松散状土体经过高压喷射注浆后，变成圆柱形、板壁形和扇型固结体，并且有良好的强度、抗渗性、耐久性。从而可提高抗剪强度、地基承载力，降低土体压缩性。§1注浆法施工喷射注浆法1.3常用注浆方法§1注浆法施工阀管注浆花管注浆套管护壁注浆法边钻边注§1注浆法施工花管注浆步骤：1、打入一下部带尖头的花管[图a]；2、冲洗进入管中的砂土[图b]；3、最后自下而上分段拔管灌浆[图c]特点：1、工法简单2、遇卵石及块石时打管很困难，故只适用于较浅的砂土层；3、灌浆时容易沿管壁冒浆§1注浆法施工套管护壁注浆步骤：1、边钻孔边打入护壁套管，直至预定的灌浆深度[图a]；2、接着下入灌浆管[图b]；3、然后拔套管灌注第一灌浆段[图c]；4、再用同法灌注第二段及其余各段，直至孔顶[图d]。特点：打管较困难，为使套管达到预定的灌浆深度，常需在同一钻孔中采用几种不同直径的套管。§1注浆法施工边钻边注步骤：在地表埋设护壁管，上而下钻完一段灌注一段，直至预定深度为止。特点：1、无需在砂砾层中打管；2、是容易冒浆，而且由于是全孔灌浆，灌浆压力难以按深度提高，灌浆质量难以保证。§1注浆法施工袖阀管注浆简介：又称Soletanche方法，于20世纪90年代开始广泛用于国际土木工程界。在砂砾地基灌浆中，袖阀管法用得最多。§1注浆法施工阀管注浆4、灌浆。待套壳料具有一定强度后，在袖阀管内放入带双塞的灌浆管进行灌浆；1、钻孔。通常用优质泥浆，如膨润土造浆；2、插入袖阀管。为使套壳料的厚度均匀，应设法使袖阀管位于钻孔的中心；3、浇注套壳料。用套壳料置换孔内泥浆，浇注时应避免套壳料进入袖阀管内，并严防孔内泥浆混入套壳料中；步骤：特点：1、可根据需要灌注任何一个灌浆段；2、可以进行重复灌浆；3、可使用较高的灌浆压力，灌浆时冒浆和串浆的可能性小；4、钻孔和灌浆作业可以分开，使钻孔设备利用率提高。5、缺点：耗费管材较多；每一个灌浆段长度固定为33～50cm，不能根据地层的实际情况调整灌浆段长度。1.3注浆设计•对于有管涌和水土流失危险之处则更须预先进行可靠的预防性地基处理。必须加固的位置和范围要选在可能引起突发性灾害事故的地质或环境条件之处，包括但不限于以下条件：①液性指数大于1.0的触变性及流变性较大的粘土层，基坑开挖较深，墙前土体有可能发生过大的塑性破坏；②地下水丰富的松散砂性土或粉砂土层；③坑边设备重载区或坑外有较大的超载，或坑外有局部的松土或空洞；④基坑附近有重要的保护设施或对沉降较敏感的建筑设施：⑤坑周边有较大的边坡或较大的水位差；⑥坑内局部加深区域的加固。1.3注浆设计1）应考虑注浆的目的：用于防渗、加固、提高地基承载力，增加土体稳定性，还是降低土体的压缩性。2）注浆标准的确定；3）选择适宜的注浆材料，有水泥基浆材，化学浆材（水玻璃类、环氧树脂类）4)注浆参数，包括注浆压力、浆液扩散半径、浆液浓度以及凝胶时间。桩位满膛式布置图(a)桩位墙肋式布置图(b)桩位格栅式布置图(c)基坑土体加固桩位排列布置形式抢险类加固§2人工地层冻结法土中水的冻结了解土的组成：固体——土颗粒，不考虑其冻结气体——含少量水蒸气，不考虑其冻结液体——水。包括自由水、结合水土的冻结冻结机理§2人工地层冻结法人工地层冻结法(ArtificialGroundFreezing,AGF)（简称“冻结法”），是利用人工制冷技术,使地层中的水结冰,把天然岩土变成冻土,增加其强度和稳定性,隔绝地下水与地下工程的联系,以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。基本原理§2人工地层冻结法基本原理冻土形成过程§2人工地层冻结法制冷方法间接式：盐水制冷-30℃~-35℃直接式：液氮制冷-196℃冷却塔回路干管去路干管液氮车气体排放§2人工地层冻结法•绝对的封水性•较高的强度:-8℃，2.7MPa;-30℃,5.54MPa•安全性•可知性•变化性冻土特点§2人工地层冻结法冻结法应用•土木工程矿山凿井：竖井、斜井隧道施工：隧道掘进；盾构、顶管进出洞、联络通道基坑工程穿越地下对接管线工程事故处理基础加固边坡加固•环境保护：污染物处理•土工试验：原状土取样冻结法的应用Boston：隧道通过俄式百年建筑隧道1冻结法的应用瑞士：Limmat河底隧道隧道2冻土加固范围破洞范围冻土加固范围破洞范围ab冻结法的应用盾构进出洞冻结3冻结法的应用顶管进出洞4冻结法的应用地铁联络通道（带集水井）隧道联络通道冻结法施工5110001100350044004800R310056403001000290020003300600600R2750140070011002000R1800R2200R2400R2800R3000643.3冻结法的应用复兴东路隧道联络通道隧道联络通道冻结法施工5冻结法的应用上海长江隧道联络通道隧道联络通道冻结法施工58条联络通道,间距800m,长度15m,圆形断面，开挖直径4m,衬砌厚300mm,临时支护喷混凝土厚300mm冻结法的应用基坑6冻结法的应用日本9.8m泥水盾构水下对接地下对接7冻结法的应用上海地铁4号线董家渡坍塌隧道修复隧道修复8冻结塞子冻结法的应用南京地铁2号线“中~元”区间坍塌隧道事故修复8二号线元通站完好隧道清理二号线元通站金奥大厦破损隧道范围修复冻结加固区域冻结法的应用川气东送武汉长江隧道进洞坍塌事故修复8冻结法的应用盾构长距离推进盾尾密封钢丝刷磨损后的更换（上海长江隧道）盾尾刷更换10冻结法的应用管线工程11冻结法的应用基础加固12冻结法的应用隔水屏障14冻结法的应用污染隔离屏障15冻结法的应用污染隔离屏障15冻结法的应用污染隔离屏障15§2人工地层冻结法土冻结的阶段•第一阶段——先形成很小的分子集团，称为结晶中心或生长点；•第二阶段——再由这些分子集团生长变成稍大的团粒，称为晶核；•第三阶段——最后由这些小团粒结合或生长，产生冰晶。§2人工地层冻结法土土冻结过程的温度特征1、过冷。土中水处于负温但无冰晶存在，原因是结晶中心在比冰点更低的温度下才能形成；过冷跳跃恒定递降2、跳跃。土中水形成冰晶和冰晶生长时，放出结晶潜热，使土温骤然升高；3、恒定。冰晶不断生长，因潜热释放，土温保持基本不变；4、递降。土中大部分水完成结晶，潜热释放基本停止，土温继续下降§2人工地层冻结法影响土冻结的因素•分散度越大，土的粘性越大，则冻结温度越低。（砂土粉土黏土）•含水量越大，则冻结温度越高。（含水量越高越接近清水）•含盐量越高，则冻结温度越低（结冰温度下降）重塑土冻结温度－盐度曲线-2.5-2-1.5-1-0.500510152025盐度‰冻结温度(℃)冻结温度§2人工地层冻结法冻土壁设计冻土抗拉强度规律与抗压强度相同。强度随着温度的降低增长，同时取决于土的成分、含水量等因素。数值上，抗压强度比抗拉强度高2~6倍。冻土壁形状。根据工程需要，由冻结管布置，设计冻土帷幕§2人工地层冻结法双排水平管冻结过程（纵截面）盾构隧道冻结管位置§2人工地层冻结法双排水平管冻结过程（横截面截面）内、外冻结管位置联络通道中心§3降水法3.1降水原理3.2常用降水方法3.3降水法选择3.1降水原理实质：降低土层中自由水的水面高程，提高地基土体抗剪强度。工程实践表明，夹薄层粉砂（Kh≥10-5cm/sec）的粘性土层，在降水3周后，含水量减少30%，土体体抗剪强度增加30～50%。§3降水法§3降水法3.2常用降水方法——明排法-7.301:1.51:1.5排水沟300×200排水沟1:1.5-2.45喷100mm厚C20混凝土φ6.5@200×200钢筋网片§3降水法3.2常用降水方法——明排法§3降水法3.2常用降水方法——轻型井点降水1）定义轻型井点就是沿基坑的四周将许多井点管埋入地下蓄水层内，井点管的上端通过弯联管与总管相连接，利用抽水设备将地下水从井点管内不断抽出，这样便可将原有地下水位降至坑底以下。2）所需抽水设备真空泵、离心泵和水气分离器§3降水法3.2常用降水方法——轻型井点降水3）轻型井点布置§3降水法3.2常用降水方法——轻型井点降水4）井点施工–井点系统的安装顺序是：挖井点沟槽、铺设集水总管；冲孔，沉设井点管，灌填砂滤料；弯联管将井点管与集水总管连接；安装抽水设备；试抽。–井点系统施工时，各工序间应紧密衔接，以保证施工质量。各部件连接头均应安装严密，以防止接头漏气，影响降水效果。§3降水法3.2常用降水方法——轻型井点降水5）施工注意a)轻型井点使用时，一般应连续抽水，（特别是开始阶段）。时抽时停，滤网易堵塞，也容易抽出土粒，使出水混浊，并会引起附近建筑物由于土粒流失而沉降开裂；同时由于中途停抽，地下水回升，也会引起土方边坡坍塌等事故；b)轻型井点的正常出水规律是“先大后小，先混后清”，否则应立即检查纠正。必须经常观测真空度，如发现不足，则应立即检查井点系统有无漏气并采取相应的措施；c)采用井点降水时，应对附近的建筑物进行沉降观测，以便采取防护措施；d)在抽水过程中，应调节离心泵的出水阀以控制出水量，使抽吸排水保持均匀，达到细水长流。在抽水过程中，还应检查有无“死井”（即井点管淤塞）。如死井太多，严重影响降水效果时，应逐个用高压水反向冲洗或拔出重埋。§3降水法3.2常用降水方法——喷射井点降水1）适用范围当基坑开挖要求降水深度大于6m时，如用轻型井点就必须用多级井点。这会增加井点设备数量和基坑挖土量，延长工期等，往往不是经济的。因此，当降水深度超过6m，土层为渗透系数为0.1～2.0m/d的弱透水层时，以采用喷射井点为宜，其降水深度可达20m。2）喷射井点设备在排水总管处加设一个射流泵，可以提高抽水深度达30m,称为射流-喷射井点。§3降水法3.2常用降水方法——喷射井点降水3）喷射井点设备与井点布置–在排水总管处加设一个射流泵，可以提高抽水深度达30m,称为射流-喷射井点。§3降水法3.2常用降水方法——管井井点1）适用条件–管井井点就是沿基坑每隔一定距离设置一个管井，每个管井单独用一台水泵不断抽水来降低地下水位。在土的渗透系数大（20～200m/d）、地下水量大的土层中，宜采用管井井点。–管井的间距，一般为20～50m，管井的深度为8～15m。井内水位降低，可达6～10m，两井中间水位则为3～5m。–管井的沉设，可采用泥浆护壁钻孔法。§3降水法3.2常用降水方法——管井井点2）施工设备–管井井点的设备主要是由管井、吸水管及水泵组成。–管井可用钢管管井和混凝土管管井等。钢管管井的管身采用直径150～250mm的钢管，其过滤部分采用钢筋焊接骨架外包孔眼为1～2mm的滤网，长度2～3m