盾構(gòu)穿越粉砂地質(zhì)層時(shí)的地表沉降分析及控制措施

李 杰

(中鐵十三局集團(tuán)第三工程有限公司,110000,沈陽(yáng)∥工程師)

在城市軌道交通的建設(shè)中,盾構(gòu)法施工技術(shù)以其特有的智能、安全、快捷、地層適用性廣等特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì),越來(lái)越多地得到推廣和應(yīng)用[1-6]。雖然盾構(gòu)法施工技術(shù)成績(jī)斐然,但此法施工不可避免地引起地表沉降。如地表沉降過(guò)大,將直接影響到周邊建筑和地下管線的正常使用[7]。如何減少施工對(duì)周圍土體的擾動(dòng),最大限度地降低地表沉降及對(duì)周圍環(huán)境的影響,一直是工程界所關(guān)注的問(wèn)題。本文以某地鐵盾構(gòu)隧道工程為例,借助數(shù)值分析和工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了盾構(gòu)穿越粉砂層過(guò)程中地表的沉降規(guī)律、影響因素和施工控制措施。

1 工程概況

某盾構(gòu)隧道采用Φ6 340 mm加泥式土壓平衡盾構(gòu)施工;襯砌環(huán)由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊連接塊和1塊封頂塊構(gòu)成;管片內(nèi)徑5.5 m,厚度0.35 m。采用錯(cuò)縫拼裝,接縫防水采用彈性橡膠密封墊+嵌縫材料。盾構(gòu)出洞后主要穿越③5粉砂夾砂質(zhì)粉土層和③6粉砂層。在100～300環(huán)范圍內(nèi)盾構(gòu)全斷面穿越粉砂層。本區(qū)段盾構(gòu)埋深10～20 m,坡度25‰。粉砂層的滲透系數(shù)為2×10-3～3×10-3cm/s。盾構(gòu)穿越區(qū)段地質(zhì)縱斷面圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)穿越區(qū)段地質(zhì)縱斷面圖

盾構(gòu)全斷面穿越粉砂層可能會(huì)面臨以下問(wèn)題：

(1)粉砂層摩擦角大,盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中的頂推力和扭矩大;

(2)粉砂層滲透系數(shù)大,盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中容易遭遇流沙,造成盾構(gòu)姿態(tài)控制困難;

(3)盾構(gòu)施工對(duì)粉砂層擾動(dòng)大,地表沉降量大。

2 地表沉降數(shù)值分析

2.1 建立計(jì)算模型

為明確盾構(gòu)在此地層掘進(jìn)時(shí)的地表沉降規(guī)律,對(duì)該區(qū)段內(nèi)的某典型斷面進(jìn)行數(shù)值分析。某典型斷面的橫斷面示意圖見圖2,主要土層參數(shù)見表1,結(jié)構(gòu)物參數(shù)見表2。

有限元模型通過(guò)巖土工程軟件PLAXIS建立,幾何對(duì)象采用平面應(yīng)變模型,有限元網(wǎng)格基于15節(jié)點(diǎn)單元。計(jì)算土層區(qū)域橫向取60 m,縱向取30 m。土體采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準(zhǔn)則。隧道襯砌與土體的相互作用則是通過(guò)在模型隧道表面設(shè)置古德曼接觸面單元并選取合理的虛擬厚度因子及強(qiáng)度折減因子模擬。模型底部施加完全固定約束,在兩側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束,模型表面則取為自由邊界。

圖2 某典型斷面的橫斷面圖

表1 主要土層參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)物參數(shù)

2.2 計(jì)算過(guò)程及結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算時(shí),盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程與實(shí)際相同,盾構(gòu)1號(hào)先施工,再盾構(gòu)2號(hào)施工;兩盾構(gòu)基本保持100環(huán)的距離。

為研究土倉(cāng)壓力對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)的影響,分別選取土倉(cāng)壓力值為 1.0P0、1.2P0、1.4P0三種工況進(jìn)行計(jì)算(P0為掘進(jìn)面中心點(diǎn)靜止土壓力)。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算,得到的盾構(gòu)推進(jìn)后地表沉降變化曲線如圖3所示。

從圖3可知,當(dāng)土倉(cāng)壓力分別設(shè)為靜止土壓力的1.2倍及1.4倍時(shí),地表最大沉降量分別為16.7 mm、11.4 mm及9.5 mm,且三種工況下的變形趨勢(shì)相似?？梢?土倉(cāng)壓力的適當(dāng)增大有助于減小盾構(gòu)開挖后的地表沉降。

沿盾構(gòu)隧道縱向地表沉降變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖3 盾構(gòu)推進(jìn)后地表沉降變化曲線

圖4 沿盾構(gòu)隧道縱向地表沉降變化趨勢(shì)

沿隧道縱向地表沉降計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)開挖面后兩環(huán)的最大沉降分別為7.8 mm、5.5 mm及4.4 mm;當(dāng)土倉(cāng)壓力為1.4P0時(shí),開挖面前方土體發(fā)生隆起,隆起量為2.2 mm,而另兩種工況未發(fā)生隆起。

3 地表沉降規(guī)律及原因分析

3.1 地表沉降分析

對(duì)1號(hào)和2號(hào)盾構(gòu)隧道地表沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè),間隔5環(huán)布置1個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。1、2號(hào)盾構(gòu)隧道橫斷面地表豎向位移如圖5,6所示。由于不同的施工參數(shù)形成兩種不同的沉降槽?？梢钥闯?盾構(gòu)推進(jìn)橫向影響范圍50 m左右,沉降槽最低點(diǎn)地表最大沉降45 mm左右。

圖5 第一種沉降槽地表沉降

圖6 第二種沉降槽地表沉降

總結(jié)1、2號(hào)盾構(gòu)隧道橫斷面地表豎向位移有以下幾點(diǎn)規(guī)律：

(1)1號(hào)隧道和2號(hào)隧道軸線處沉降量較大,沉降槽明顯;

(2)1號(hào)盾構(gòu)沉降槽的深度均大于2號(hào)盾構(gòu)沉降槽的深度,說(shuō)明1號(hào)盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)大于2號(hào)盾構(gòu)施工對(duì)地面的擾動(dòng);

(3)受1號(hào)盾構(gòu)施工擾動(dòng)的影響,2號(hào)盾構(gòu)施工完成后,部分橫斷面中,兩隧道中間位置的沉降值大于2號(hào)隧道軸線處的沉降值;

(4)盾構(gòu)施工的影響范圍比較大,從沉降槽可以推斷影響范圍基本在兩隧道中心線外 25 m左右,與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相近。

沿隧道縱向100～300環(huán)地表沉降變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出,在100～200環(huán)之間,沿隧道縱向地表沉降量較大,在20～50 mm之間;在200～300環(huán)之間,沿隧道縱向地表沉降量較小,在10～20 mm之間。這與盾構(gòu)施工參數(shù)的控制和調(diào)整有關(guān)。

圖7 沿隧道縱向地表沉降變化曲線

3.2 地表沉降影響因素分析

盾構(gòu)施工過(guò)程中影響地表沉降的因素很多,如地質(zhì)情況、盾構(gòu)姿態(tài)、土壓力設(shè)置、推進(jìn)速度、注漿量等?，F(xiàn)主要從土壓力設(shè)置、推進(jìn)速度和注漿量三個(gè)因素分析。

3.2.1 土壓力設(shè)置

該區(qū)段的計(jì)算土壓力和實(shí)測(cè)土壓力如圖8所示。

圖8 實(shí)測(cè)土壓力和計(jì)算土壓力

從圖8可知,盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)實(shí)測(cè)土壓力始終大于計(jì)算土壓力;當(dāng)實(shí)測(cè)土壓力為理論土壓力的1.38～1.5倍時(shí),地面沉降較小,控制效果較好。

3.2.2 推進(jìn)速度

100～300環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)測(cè)速度如圖9所示。

對(duì)比圖7和圖 9發(fā)現(xiàn)：在100～200環(huán),盾構(gòu)推進(jìn)速度波動(dòng)幅度較大,在20～60 mm之間,同時(shí)該段地表沉降波動(dòng)也較大,并且沉降量也較大;在200～300環(huán)之間,盾構(gòu)掘進(jìn)速度降低到20～30 mm/min之間,且波動(dòng)幅度不大,地表沉降波動(dòng)幅度也小,沉降量基本控制在10～20 mm之間?？梢娗?00環(huán)的推進(jìn)速度稍快,導(dǎo)致地表沉降量較大,后100環(huán)推進(jìn)速度降低后,地表沉降得到了有效控制。

圖9 盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)測(cè)速度

3.2.3 注漿量

本工程管片寬度1.2 m,盾構(gòu)外徑6.34 m,管片外徑6.2 m。本工程預(yù)計(jì)注漿率為 120%～150%,每環(huán)的注漿量為1.98～2.48 m3,實(shí)際注漿量如圖10所示。

圖10 實(shí)際注漿量

從圖10可知,100～300環(huán)實(shí)際注漿量可以分為兩個(gè)區(qū)段：第一區(qū)段,100～200環(huán),平均注漿量為4.2 m3/環(huán),平均注漿率 255%;第二區(qū)段,200～300環(huán),平均注漿量為5.5 m3/環(huán),平均注漿率333%。

對(duì)比圖7和圖10可知：在第一區(qū)段,盾構(gòu)注漿量相對(duì)偏少,地表沉降較大;在第二區(qū)段,盾構(gòu)注漿量增加,平均注漿率從255%增加到333%,地表沉降得到很好控制。

4 盾構(gòu)施工控制措施

針對(duì)本工程實(shí)際施工情況,盾構(gòu)穿越粉砂層地表沉降的控制措施主要有：

(1)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。姿態(tài)不好,產(chǎn)生蛇形運(yùn)動(dòng)必然造成頻繁糾偏,產(chǎn)生過(guò)量超挖,影響地層穩(wěn)定。所以每次糾偏量不應(yīng)該超過(guò)20 mm,同時(shí)不得過(guò)急過(guò)猛地糾偏。

(2)土壓力設(shè)置。為了減小后期沉降,掘進(jìn)面土壓力往往略大于刀盤前方水土壓力,一般為其1.1～1.2倍。但根據(jù)本段的實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)分析,盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí),建議土倉(cāng)壓力值一般為理論計(jì)算水土壓力值的1.4～1.5倍。

(3)推進(jìn)速度。在粉砂層,盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在20～30 mm/min左右。通過(guò)前,檢查盾構(gòu)機(jī)各主要部件,開倉(cāng)檢查刀具磨損情況,確保盾構(gòu)機(jī)不停機(jī)連續(xù)通過(guò)。

(4)漿液性質(zhì)和注漿量。應(yīng)保證漿液的充填性、初凝時(shí)間與早期強(qiáng)度以及漿液稠度的有機(jī)結(jié)合;應(yīng)根據(jù)地表沉降的監(jiān)測(cè)情況,隨時(shí)調(diào)整同步注漿量,對(duì)已完成拼裝的管片環(huán)采取二次注漿,控制地表的進(jìn)一步沉降。

(5)注漿量。考慮到漿液隨地下水的流失以及對(duì)砂土地層較大空隙的填充作用,注漿量按較高的充填率考慮。建議注漿率在300%～350%,注漿壓力在0.35～0.45 MPa以上。同步注漿采用注漿量和注漿壓力雙控標(biāo)準(zhǔn)。

(6)出土量控制。嚴(yán)格控制出渣量,當(dāng)產(chǎn)生不可控的超挖時(shí),應(yīng)增加同步注漿量。

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