盾构施工中的地面沉降（精选4篇）
盾构施工中的地面沉降 篇1
摘要：文中针对盾构施工过程中的地面沉降进行了浅析, 主要分析目标为苏州地铁2号线迎尹区间国香雅苑小区, 文中对盾构法施工造成地表沉降的发展过程进行了简要分析。对地铁采用盾构法施工的铁区间隧道引起地表沉降的原因、过程及规律进行了较为详细的分析, 并结合地铁隧道盾构法施工工程实例, 利用线性回归计算理论拟合观测点的线性方程, 来预测地表沉降和指导安全高效的施工。最后将分析数据与工程实际监测测量数据进行对比, 得出相应的结果并提出防止地表沉降的控制措施, 以期为类似工程施工提供有益的参考和帮助。
关键词：盾构施工,地表沉降,回归理论计算
1 引言
城市轨道交通在我国发展迅速, 从18世纪初期马克·布鲁诺在英国伦敦泰晤士河下第一次用盾构法修建了隧道以来, 国内外已对盾构法施工引起的地面沉降进行了大量分析性研究, 提出了许多分析方法[1,2], 其中日本对于这方面的研究较为突出, 樱 (S.Sakurai) 、大冢正幸、久和胜保及意大利学者 (G.Gioda) , 都提出了很有建树性的分析理论。国内专家也总结了一些地铁盾构施工过程的沉降规律进行了[3,4], 也得到了很多很有价值的见解和结论。如长江科学院发表根据圆形洞室的洞周位移进行平面应变问题初始地应力反分析计算的复变函数法的方法等。这些方法大力带动了我国城市轨道的发展。虽然近年来盾构法施工在技术层面取得了较为显著的发展, 但是许多隧道在当用盾构工程施工时, 通常会伴随着隧道施工地面沉降, 而对于东方水城苏州而言, 施工条件不理想、地下管分布复杂、环境问题等, 这无疑是更加严峻的考验, 因此对盾构法施工引起的地面沉降进行分析、预测是极为有意义的。
全文针对苏州地铁隧道施工地面沉降监测数据进行分析, 并对相关的原因及结果进行了预测。以便为类似工程施工在环境保护、施工优化等方面提供有益的参考和帮助。
2 工程概况
苏州市轨道交通2号线, 尹中路站~迎春路站区间采用盾构法施工。区间隧道由两条并行的单线隧道组成, 平行段水平距离约为10m, 隧道左右线总长度约为1600m, 区间最大埋深为13.3m, 最小埋深为7.6m, 盾构机采用中国铁建重工ZTE6410, 采用盾尾同步注浆方式。隧道洞身岩土60米浅范围内地基土除表层除了人工堆积物外, 其下均为晚更新系统冲湖积相和海陆交互相沉积物, 岩性主要为粘土、粉质粘土、粉土夹粉砂土等。场区内地势平坦、水系发育。本标段拟建场地地貌类型单一, 为洼地堆积地貌, 属长江三角洲冲湖积平原。经勘察实测, 地面高程在2.31~3.66m。
3 沉降观测
3.1 监测仪器
徕卡全站仪, 徕卡反射棱镜SDL30精密水准尺仪, 2m铟钢水准尺、30m SLJ-型钢尺收敛计进行沉降观测, 地铁轨道沿线的多层建筑物和地表沉降。
3.2 沉降观测点的布设
正常情况下, 对各区间左右线隧道中线两侧30m范围内建筑物进行保护性的沉降监测, 对于较高的建筑物及构筑物应曾设倾斜监测点;一般在建筑物角点处设置基准测量点, 且每一侧墙面至少布设2点, 对紧邻隧道的建筑测点加密, 尤其加强对离隧道中心线1倍埋深范围内建筑物的监测。本文主要针对国香雅苑小区住宅楼监测数据进行分析如图1。
3.3 项沉降观测频率
在区间隧道盾构始发前布设监测点, 在盾构始发后即开始监测, 50m范围内监测频率保持每天2次, 盾构正常推进后, 监测频率根据施工进度和变形速率的大小适当的调整。
3.4 监测仪器和标准
按变形测量规程中测站高差中误差≤0.5mm的精度要求, 用精密水准仪、铟钢尺由高程监测网的控制水准点按二等水准测量的技术要求对监测点进行逐点量测[5]。
3.5 监测数据
图2是国香雅苑小区住宅楼监测数据沉降位移时间曲线, 当位移—时间关系曲线出现反弯点时, 则表明地层和支护的作用力和反作用力已呈临界状态, 采取停工加固并进行支护处理的措施。
根据位移—时间曲线的形态来判断地层稳定性的标准岩体变形曲线分三各区段, 绘制围岩岩体蠕变曲线 (图3)
根据检测点位移和时间对照图表的绘制可以看出, 当沉降趋于稳定时候, 由此可以回归分析拟合每个点的沉降规律, 通过规律可以预测沉降趋势, 进而指导施工。
4 数据的回归分析
4.1 理论
现场量测所得的原始数据, 是离散数据, 任何测量所得的数据不可避免的包含测量误差甚至还有错误的数据。所以对测量的数据进行相应的、合理的的数学处理是必不可少的。数学处理就是将各种测得的数据进行分析对比, 互相印证的目的是, 使数据能够合理可靠的的被应用到分析中去, 达到了可以使用的目的。而回归分析计算就是这样的数据数学处理方法。
4.2 回归分析函数的确定
测数据数学处理方法目前有回归分析、判别分析、曲线插值拟合等。回归分析是目前最主流的方法, 就本文而言对量测数据回归分析可以预测最终位移和各阶段的位移及变化情况, 工程中回归分析经常采用对数函数、指数函数、双曲函数等。
根据上述函数选取规则, 对数函数的相关系数r最接近1, 各函数经回归计算得出数据如表1所示的所以选取对数函数作为回归函数, 根据求得的回归系数a, b值得出函数:可以根据已测数值进行验证比较, 确定函数的可靠性。
4.3 预测值和实测值沉降值对比
经由上述计算出的函数, 代入数值于实际测量数值对比如表2。
由预测的和实测的沉降值对比可以知道, 在隧道开挖的开始, 地面很不稳定, 和拟合的方程有很大出入 (第三天) , 十三天的数值出入可以得出, 需要在不同时间段拟合不同的方程以适应不同阶段的地表沉降, 根据实地调查, 第十五天出现异常是由于现场施工原因, 是由于盾构中途检修而暂停推进, 没有做好防止后退的措施, 正面及盾尾没有封闭, 由此可见, 搁置期间对地表沉降的影响式很大的。
5 结语
通过对预测值和实际值的对比。及在工作中遇到的问题, 提出如下如下结论, 并对减少盾构掘进对地表沉降影响的措施进行了验证, 实践证明就本工程而言其中的措施, 是行之有效的。
首先根据监测获取的数据来调整盾构机的参数, 对于盾构掘进对地表沉降影响是行之有效的, 所以, 如何科学的测量, 科学的数据传输, 合理的调整, 是一个很值得探讨的问题。
其次科学合理的把监测重点放在隧道了开挖的起始处以及机头前方5m至盾尾是非常有必, 开挖导致的地表最大沉降一般发生在隧道开挖的起始处, 而在敞开式掘进中机头过去10~15m后沉降趋于稳定。
最后对于构筑物而言, 应根据不同的情况来制定监测方案, 对于不同的土层受力而言, 也应就不同层的位移和沉降进行分别监测, 在隧道内部修建联络通道时, 还要进行隧道收敛监测, 总之要因地制宜, 随机应变。
本文根据苏州地区的地质情况, 总结出了适合苏州地区的地面沉降监测技术, 确保了地面沉降符合预控范围, 达到了保护国香雅苑小区及其周围环境安全的要求, 为同类工程环境安全保护技术提供了依据。
参考文献
[1]B.Maid, M.Herrenknecht, L.Anheuser.Mechanised Shield Tunnelling[J].地下空间, 1995, Vol.15, No.4.
[2]尹超旅, 等.日本隧道盾构新技术[M].武汉:华中理工大学出版社, 1999.
[3]付德明.上海地铁区间隧道土压平衡盾构施工及地面沉降控制[C].中国土木工程学会隧道及地下工程学会第八届年会论文集, 1994.
[4]唐益群, 叶为民.上海地铁盾构施工引起地面沉降的分析研究[J].地下空间, 1995, 12.
[5]工程测量规范[Z].GB12897-2006.
盾构施工中的地面沉降 篇2
盾构法施工隧道在天津地铁一号线建设中首次应用, 尽管积累了一些地面沉降控制和环境保护的经验。但是在市区繁华地段进行盾构施工, 掘进中对周边施工影响范围内的建 (构) 筑物、地下管线、地面道路、桩基础等各种设施的沉降控制及环境保护还是有着较大难度。
1 工程地质概况
根据勘察结果, 本区段隧道洞身主要位于第一陆相层 (4) 及第一海相层 (5) 中, 其中CK6+820~CK7+440区段洞身主要位于 (5) 2、 (5) 3、 (5) 4中, 基底位于 (5) 3、 (5) 4地层, 下卧层为 (5) 5软弱下卧层。在C K 7+4 4 0~CK7+600区段, 洞身主要位于 (4) 、 (5) 2及 (5) 3中, 基底位于 (5) 2、 (5) 3、 (5) 4层中。 (4) 5及 (5) 2、 (5) 4为弱透水层。该区段4.0~15.0 m以上地层多呈流塑~软塑状态, 粉质粘土及粉土属于中~高压缩性土, 围岩稳定性差, 结构松散, 基底稳定性差, 洞身易发生过大变形。盾构主要穿越地层为粉质粘土、粉土。线路的其他参数见表1。
2 盾构施工地面沉降监测的内容
2.1 沉降监测的内容
其中土体变形、土压力、土体沉降、地表沉降及空隙水压力, 盾构开挖面土压、出土量、注浆量及推力, 盾构姿态, 建筑物沉降、裂缝、倾斜, 隧道衬砌土压力、变形及应力等方面都是盾构施工监测的内容。其中土体沉降、土体水平位移和地表沉降是盾构施工地面监测内容[2、3]。
2.2 本工程主要的监测内容
其中建筑物沉降、裂缝、倾斜、地表沉降和盾构姿态等方面都是该工程进行监测的。
3 盾构施工地面沉降监测方法
3.1 盾构施工地面沉降监测方法
盾构法隧道施工过程中顶面沉降监测是最主要的检测项目, 其中监测技术方法包含以下几种[4、5]:液体静力水准测量方法、分层沉降仪测定法、几何水准测量方法和侧斜仪测定方法。
检测基准传感器点的布设原则:布设位置要求距最近盾构掘进轴线垂直距离大于25 m, 采用防日照和干扰的措施, 其位置稳定可靠。监测传感器的布设原则:布设要求建在建筑物较敏感位置, 施工扰动最大危害位置, 横向沉降槽2/3径向区间。
4 沉降监测数据处理方法的选取研究
4.1 沉降监测数据处理方法
监测数据的处理方法可分为统计学方法和确定性方法两大类。实际使用过程中常用的监测数据处理方法有以下两点。
(1) 散点图法。 (2) 一元线性回归分析法。
4.2 本工程选用的沉降监测数据处理方法
针对本工程监测数据的实际规律, 采用散点图法、回归分析、曲线拟合等方法进行监测数据的分析处理。这里以左线L124环轴线点为例。
左线L124环轴线点沉降拟合曲线图如图1。
5 地面沉降规律分析及结论
5.1 盾构法施工引起地表沉降的一般规律
(1) 地表沉降随开挖面掘进的纵向变化规律。
盾构施工引起的地表纵向变形一般规律主要包括5个阶段: (1) 先期沉降; (2) 开挖面前部沉降; (3) 通过时得沉降; (4) 盾尾间隙沉降; (5) 后续沉降。
(2) 沉降历程规律。
经分析比较, 采用指数曲线函数来模拟隧道中线地表沉降的历时关系, 即土压平衡盾构隧道中地表沉降随时间的变化可以由下式表示:
式中:S (x) (mm) 为隧道中线上最大的地表沉降;A、B x0、S0分别为回归参数, 随不同地层、不同隧道而不同;x (m) 为与开挖面的距离;x0 (m) 、S0 (mm) 分别为拐点处的坐标。
(3) 地表沉降的横向沉降变形规律和横向沉降槽的影响。
Peck对大量隧道施工引起的地面沉降实测数据进行了分析, 并认为隧道开挖后引起的地面沉降是在不排水条件下发生的, 沉降槽体积等于地层损失的体积, 地面沉降的横向分布可用正态分布曲线来描述:
式中:S (x) 为距离隧道中心线处的地表沉降, m;Sm ax为隧道中心线处最大地面沉降, m;x为距隧道中心线的距离, m;i为沉降槽半宽度, m;Vs为盾构隧道单位长度地层损失, m3/m。
Peck公式有Vs (地层损失) 和i (沉降槽半宽度) 2个参数。合理确定这2个参数对于正确预测地面沉降的量值和分布情况起着至关重要的作用。地层损失通常表示为:
式中:Vl为地层体积损失率, 即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比;rO为盾构机外径, m。
(1) 地表沉降的横向沉降变形规律。
本次运用Peck公式对工程右线隧道R48环至R434环沉降断面的沉降量数据进行统计分析。然后绘制右线隧道R 4 8环至R434环断面沉降散点图及沉降曲线拟合图, 得出对于本工程及天津地区参数Vl的取值范围需由0.5%~2.0%改为1.0%~1.5%, 参数k的取值范围需由0.4~0.6改为0.5~0.6。
(2) 地表沉降的纵向沉降变形规律。
运用指数曲线函数对左线隧道L124环轴线沉降点的纵向历程沉降量数据进行列表统计, 及绘制纵向历程沉降量散点图及沉降曲线拟合图 (图2) 得出了适应本工程及天津地质条件和盾构隧道施工工艺的A、B、S0和x0这4个参数的具体取值范围。
6 结论
天津市区至滨海新区快速轨道交通工程中山门区间为例, 系统的分析了盾构施工地面沉降控制管理, 在横向沉降规律上对peck公式的两个重要参数v和k进行了修正 (v从0.5%~2.0%改为1.0%~1.5%, k有0.4~0.6改为0.5~0.6) , 确定了纵向沉降指数曲线函数的参数范围 (A-15~-20 mm, B0.03~0.09, S0-3 mm~7 mm, x0~5 m) , 这些丰富盾构法施工地面沉降控制技术研究。
摘要：本文分别从盾构施工地面沉降监测的内容、监测方法、沉降监测数据处理方法以及沉降规律研究几个方面探讨了盾构法施工隧道工程地面沉降控制技术, 并以天津市区至滨海新区快速轨道交通工程中山门区间为例, 分别从以上几个方面进行了研究, 在横向沉降规律上对peck公式的两个重要参数v和k进行了修正 (v从0.5%2.0%改为1.0%1.5%, k有0.40.6改为0.50.6) , 确定了纵向沉降指数曲线函数的参数范围 (A-15-20 mm, B0.030.09, S0-37 mm, x005 m) , 这些丰富盾构法施工地面沉降控制技术研究。
关键词：盾构施工,地面沉降控制管理
参考文献
[1]赵运臣.城市地下工程施工引起的地表沉降规律研究及数据库开发[D].同济大学硕士论文, 2007:88-107.
[2]李东海, 刘军, 刘继尧, 等.盾构隧道施工引起的地表沉降因素分析[J].市政技术, 2008, 26 (2) :131-171.
[3]魏纲.盾构法隧道施工引起的土体变形预测[J].岩石力学与工程学报, 2009, 28 (2) :418-424.
[4]韩学诠.盾构施工地面沉降控制[J].铁道建筑技术, 2009 (6) :55-59.
盾构施工中的地面沉降 篇3
1 盾构隧道地面沉降规律
地面沉降规律是反映盾构掘进时, 沿掘进轴线方向对地层的影响, 同时它也能反映盾构掘进时不同因素、盾构机不同部位对地层的作用, 包括正面土压力、摩擦力及盾尾间隙等。根据地面沉降发生的时序, 一般将盾构施工沿隧道纵向的地面沉降划分为五个阶段[3]。
1.1 盾构到达前的地层沉降, 即先行沉降
盾构到达前, 地表已经产生变形, 影响范围约在10m~15m以内。主要是由盾构推进土压力的波动所引起, 还有地下水位下移使土层有效应力增加而引起的固结沉降。
1.2 盾构到达时的地层沉降, 开挖面前的沉降或隆起
自开挖面距观测点约3m~10m时起, 直至开挖面位于观测点正下方之间所产生的隆起或沉降现象。实际施工过程中设定的盾构土压舱压力很难与开挖面土体原有土压力达到完全的平衡, 多因土体应力释放或盾构反向土仓压力引起的土层塑性变形所引起。
1.3 盾构机通过时的沉降
盾构切口达到测点起至后尾离开测点期间发生的地表沉降。这一期间所产生的地表沉降主要是由盾壳向前移动过程中, 盾构机外壳与周围土层之间形成剪切滑动面, 土体被扰动所致, 盾构通过时的地表沉降约占总沉降的35%~40%。
1.4 盾尾间隙沉降
盾尾通过测点后产生的地表沉降, 影响范围约在后尾通过测点后0~20m范围。由于盾构外径大于管片外径, 管片外壁与周围土体间存在空隙, 往往因注浆不及时和注浆量不足, 管片周围土体向空隙涌入, 造成土层应力释放而引起地表变形, 这一期间的地表沉降约占总沉降的40%~45%。
1.5 后续沉降
后期沉降是由盾尾脱出一周后的地表沉降, 是由前面地层扰动引起的固结沉降和蠕变残余沉降, 反映了地层沉降的时间效应。这一期间的地表沉降一般不超过总沉降的10%。
总体而言, 盾构法施工过程中, 1.2和1.4阶段的地面沉降量和沉降速率较大, 控制沉降也最为关键。1.2阶段的变形控制要素是土仓内压力, 而1.4阶段的控制要素是盾尾间隙的注浆及时性和充盈率。
2 地面沉降的影响范围
盾构在推进过程中, 地表沉降以盾构为中心呈三维扩散分布, 且分布随着盾构机的推进而产生同步移动。地面沉降的影响范围可借助Peck公式进行预测。Peck公式的理论基础是:盾构掘进过程中产生一定的地层损失, 相当于挖去一块土体, 从而导致上部的土体移动, 不考虑土体排水固结和蠕变, 认为地层移动为一个随机过程, 在盾构掘进后在地表形成的横向沉降槽为一近似正态分布曲线[4]。韩煊、李宁等[5~6]结合JLE工程观测数据库, 对我国8个地区30多组观测数据进行对比研究, 分析评价了Peck公式预测方法在我国的适用性。盾构隧道施工引起地面沉降沿纵向影响范围, 在盾构前方约D+Htg45o范围内 (D为盾构直径, H为地表至盾构底的深度) 。粘性地层中, 纵向影响范围为一夹角为45o斜直线;砂性土中则为一鼻形曲线, 深层土体的范围与粘性土相同, 表层土体的范围要小于粘性土。横向影响范围对粘性土地层而言, 为隧道轴线两侧D/4+Hctg45o范围内, 砂性地层影响范围要小, 约为D/4+Hctg60o。
3 盾构隧道的地面沉降机理
盾构隧道施工产生地面沉降的机理主要源于开挖面的应力释放、附加应力等引起地层产生的弹塑性变形[7]。隧道施工所引起的地面沉降, 主要包括开挖卸载时开挖面周围土体向隧道内涌入所引起的地面沉降, 支护结构背后的空隙闭合所引起的地面沉降, 管片衬砌结构本身变形所引起的地面沉降以及隧道结构因整体下沉所引起的地面沉降, 可称为开挖地面沉降。盾构法隧道在施工期的地面沉降可认为主要由开挖沉降、固结沉降和次固结沉降组成, 而次固结沉降更多情况下需要在隧道运营期间考虑。盾构施工引起的地层损失和隧道周围受扰动或剪切破坏引起的土体再固结, 是造成盾构法隧道工程性地面沉降的根本原因[8~9]。
4 盾构隧道施工的地面沉降影响因素
地层沉降大小的影响因素有内因和外因之分, 但归纳起来主要有[10]以下几点。
4.1 地质条件的影响
实测和实验研究均表明, 隧道埋深对地表沉降的影响因地层情况各异。T.Ito等[11]曾指出, 盾构法施工地表沉降槽的宽度主要取决于最接近隧道拱顶的那一层土的特性。
4.2 土体性质的影响
土体的非均质性、各向异性、弹塑性和粘塑性使得盾构隧道施工引起的地层沉降进行准确预测是十分困难的, 正因为此, 说明土体的性质对地层沉降有着很大的影响。
4.3 覆土厚度H和盾构外径D的影响
盾构外径越大, 由盾构施工引起的单位长度的地层损失就越大, 在相同地面沉降槽宽度下, 最大地面沉降也随着增大;而隧道覆土厚度越大, 则最大地面沉降值就会越小, 但地面沉降槽宽度会越大。最大地面沉降随覆土厚度H与盾构外径D的比值即H/D的增大而减小。
4.4 地下水位变化的影响
盾构隧道施工中往往要采取降低地下水位的措施, 降水使地层产生固结沉降。此外, 施工过程中地层中水位的变化, 也会引起地层变形, 导致地面沉降。
4.5 盾构施工姿态调整的影响
盾构施工过程中的纠偏、仰头、叩头和曲线推进以及后退等姿态调整均会引起多余的地层损失, 导致地层沉降。另外, 盾构推进过程中, 土压舱压力过大或压力过小, 也会引起地层变形。
4.6 注浆的影响
由于盾构壳具有一定的厚度, 且盾壳外径大于管片外径, 盾壳与管片之间会留有一定的空隙。工程中普遍采用同步注浆或二次注浆的方法来减小由盾尾空隙引起的地层损失。若压浆不及时, 或因注浆量不足, 或因注浆压力不适当, 将会使盾尾后部隧道周边的土体失去平衡, 向盾尾空隙塌陷, 致使地层沉降。同时, 若注浆压力过大, 浆液浸入地层, 扰动地层, 也会加大地面沉降。
4.7 管片变形的影响
土压力作用下, 隧道管片产生的变形也会引起少量的地层损失, 导致地面沉降。
4.8 受扰动土体变形的影响
盾构隧道周围土体受到盾构施工的扰动后, 形成超孔隙水压力区, 在盾构离开后的地层中, 因土体应力释放, 隧道周围的超孔隙水压力下降, 孔隙水排出, 引起地层移动和地面沉降。此外, 盾构推进中的挤压作用和盾尾压浆作用等施工作用, 也使周围地层形成超孔隙水压力区, 在盾构隧道施工后的一段时间内超孔隙水压力消散, 地层产生排水固结变形, 引起地面沉降。
除上述因素外, 还有一些其它因素, 如:隧道渗水、涌水、携带泥砂、坍方等引起地层损失, 从而导致地表变形等。总之, 地铁隧道施工引起的地面沉降是诸多因素的综合作用结果, 合理的设计与巧妙的施工是盾构隧道控制地面沉降的关键。
5 地面沉降的安全性判断与控制
因不同城市地铁隧道工程的地质条件、地面环境、隧道埋深、上部结构对地基变形的适应能力和使用要求具有很大差异, 地铁隧道地面沉降的安全判断, 通常需要考虑地面建 (构) 筑物和地下管线的安全及地层稳定等因素后综合确定。目前国内与地铁隧道地面沉降有关的规范均未给出地铁隧道地面变形的具体指标或允许值[12~16]。从当前国内的地铁施工实际来看, 地表变形多根据经验控制在+1 0 m m~-3 0 m m以内。但工程实践表明, 制定统一的标准并不妥当, 实际工程中要按照不同地区、不同地质和周边环境区别对待, 以确定科学、合理且经济的沉降安全性控制标准。
地面沉降控制的总原则是, 采取各种措施保持隧道周围岩土体稳定, 防止水土流失, 进而控制地面沉降。针对不同工程的具体情况, 结合地面沉降的不同阶段, 盾构法隧道施工应采用施工前预防地面沉降的处理措施和施工过程中的补救加固措施, 包括注浆、锚杆、钢板桩、旋喷桩、搅拌桩加固, 采用冻结法施工或素混凝土墙等, 对盾构隧道上覆和两侧地层进行加固, 有效预防和控制盾构法施工引起的地面变形与发展。盾构法隧道的地面沉降控制, 要综合考虑地表建 (构) 筑物、地下管线及地层和结构稳定等因素, 分别确定其允许的地表沉降值, 并取最小值作为控制基准值。具体施工过程中, 可设置预警值、报警值和极限值来进行分级控制。预警值一般为极限值的60%, 当地表沉降达到该值时, 应采取必要的控制措施并密切监控沉降的进一步发展;报警值一般为极限值的80%, 达到该值时, 要立即采取有效措施和手段对地表沉降进行控制;极限值则是地表沉降允许的最大值, 超过该值将导致结构破坏等严重工程事故, 这在工程中是绝对不允许的。
6 结语
城市地铁隧道暗挖法施工不可避免的会对周围岩土体产生不同程度的扰动或破坏, 造成地层位移与变形, 甚至诱发地面沉降、地下管线等建 (构) 筑物受损等环境影响或灾害问题。本文分析了盾构隧道引起地面沉降的一般规律和沉降影响范围, 并总结了盾构隧道地面沉降的主要影响因素;在指明地面沉降主要源于开挖面的应力释放和附加应力等引起的地层变形基础上, 对地面沉降的安全判断标准和控制原则进行了探讨, 为日益高涨的城市地铁隧道施工提供有益的参考。
摘要：本文首先分析了盾构法隧道引起的地面沉降规律和沉降影响范围, 总结了盾构隧道地面沉降的主要影响因素;指明地面沉降主要源于开挖面的应力释放和附加应力等引起的地层变形, 并对地铁施工中的地面沉降安全判断标准和控制原则进行了探讨, 为城市地铁工程建设提供有益的参考。
盾构施工中的地面沉降 篇4
关键词：双圆盾构,泡沫剂,地面沉降,等效大圆模型
1概述
近年来, 随着各大城市地下铁道等市政工程的大量修建, 有效、可持续发展的地下空间资源日益减少, 并逐渐开始制约和限制城市规划的发展。双圆盾构隧道以其有效利用地下空间资源、施工效率高、掘削土量少等优点而得到推广使用[1]。
双圆盾构较之单圆盾构对土体扰动更为剧烈, 在砂性土地层中的沉降更加难以控制。在施工中添加泡沫改良剂是解决问题的有效途径之一, 但是目前针对泡沫土体改良技术在双圆盾构施工中的运用研究较少, 对泡沫土体改良的规律尚缺乏足够的认识, 探索泡沫土体改良技术在双圆盾构中的运用有其必要性。
本文针对上海轨道交通10号线邮电新村路站—大连路站区间隧道工程, 通过对现场地面沉降监测数据的分析并与经验解析公式计算结果进行对比, 探索添加泡沫剂对地表沉降的影响规律, 给此技术在我国的推广使用提供借鉴和参考。
2工程概况
上海市轨道交通10号线邮电新村路站—大连路站区间隧道始于邮电新村站, 沿四平路止于大连路站。本区间里程为SK23+483.975～SK24+290.068, 起始中心标高分别为-9.113 m, -16.665 m, 相应中心埋深分别为12.755 m, 20.207 m, 区间长度为806.1 m。本隧道断面尺寸:外尺寸:ϕ6 300 mm×W10 900 mm (外径×宽度) 、内尺寸:ϕ5 700 mm×W10 300 mm (内径×宽度) , 双线中心间距:4 600 mm, 采用双圆盾构工艺来完成区间隧道的推进任务。
隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片, 错缝拼装, 环宽1 200 mm, 厚度为300 mm。每环管片由8块圆形管片A (A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8) , 1块大海鸥形管片B, 1块小海鸥形管片C和1块柱形管片D组成, 共计11块。设计强度C55、抗渗等级不小于S10。接缝防水均采用遇水膨胀橡胶止水条。
3工程地质
本工程盾构推进主要穿越②3, ④, ⑤1-1, ⑤1-2土层。各土层特征如下:
1) 浅部②3层可分为两个亚层:②3-1砂质粉土夹粉质黏土层、②3-2砂质粉土层。②3-1砂质粉土夹粉质黏土层呈巨厚状, 厚度5.90 m～9.60 m, 该层分布较稳定, 但土质欠均匀, 从大连路站往同济路站方向土层粉性渐重, 逐渐尖灭。②3-2砂质粉土层砂质较纯, 厚度1.30 m～8.70 m, 由大连路站往同济路站方向土层逐渐加厚。
2) ④层淤泥质黏土层为高灵敏、高压缩性软弱土, 土质极差, 厚度2.00 m～9.00 m, 厚度由西至东渐厚。
3) ⑤1层分为两个亚层:⑤1-1灰色黏土层、⑤1-2灰色粉质黏土层。灰色黏土为高灵敏、高压缩性软弱土, 土质较差, 厚度1.50 m～4.50 m;⑤1-2为灰色粉质黏土, 层厚3.60 m～17.40 m, 该层一般厚度约为5 m, 仅在古河道切割处呈巨厚状。
4施工监测数据分析
4.1 测点布置
布置平行于盾构中心线的沉降监测点和垂直于盾构中心线的沉降监测点。平行于盾构中心线的沉降监测点一般情况下布设3条, 分别位于双圆盾构上行线、中轴线和下行线的正上方, 每隔5环 (6 m) 设一排测点。以50环 (60 m) 为间隔在原来3个测点的基础上, 垂直于盾构中心线方向左右各增设5个测点, 到盾构中轴线的距离分别为1 m, 3 m, 5 m, 8 m和13 m。
4.2 横向沉降分析
130环断面位于未添加泡沫剂的砂质粉土层中, 开挖面稳定不能很好控制。最大地面沉降量达到72.94 mm。切口到达该断面前的地面沉降占总地面沉降的比例微小, 地面沉降主要由切口到达至盾尾刚脱离阶段和盾尾脱开后的后期沉降构成。切口到达至盾尾脱离阶段沉降约占总沉降的30%, 盾尾脱开后的后期沉降占总地面沉降比例最大, 约为60%。
图1为285环断面处地面横向沉降曲线图。285环位于砂质粉土层中添加泡沫剂地段。由图1可以看到切口到达至盾尾刚脱出阶段地面沉降显著减小, 添加泡沫剂主要控制此阶段的地面沉降, 而盾尾脱开后的后期沉降并没有减小。130环处最大地面沉降达到了72.94 mm, 285环处最大地面沉降为38.02 mm, 减小了约48%。
图2为390环处地面横向沉降曲线图。390环位于黏土层地段。比较图1, 图2, 添加泡沫剂的位于砂质粉土层地段的285环处地面沉降和不添加泡沫剂的位于黏土层地段的390环处地面沉降接近。
4.3 纵向沉降分析
图3, 图4分别为切口到达130环和285环时上行线地面纵向沉降曲线图。对比图3, 图4, 285环处盾构开挖面后方地面沉降曲线斜率变小, 沉降曲线变得平缓, 距离盾构开挖面同样距离处沉降量值减小。当盾构机头穿过测点, 并离开测点约20 m～25 m后, 沉降速率逐渐减小, 沉降发展缓慢并趋于稳定, 这与孔压消散引起的土层固结、盾构扰动减小、注浆凝固等使土层沉降趋势减弱的因素有关。
5横向沉降简化理论计算
本文采用等效大圆模型[4]计算横向沉降。
5.1 等效大圆模型假定
假定双圆盾构施工引起的地面沉降符合正态分布规律, 同时将双圆盾构按面积等效为 1个较大的单圆。然后采用单圆的Peck公式来计算地面沉降。
5.2 计算公式
先计算出等效单圆的半径, 然后利用式 (1) 计算。
其中, Sx为距离隧道中心线x处的地面沉降, m;x为距隧道中心线的距离, m;Vi为盾构隧道单位长度的地层损失, m3/m;i为沉降槽宽度系数, m。
根据上海地区隧道施工经验, 土体损失率在0.5%～2.0%之间取值;而沉降槽宽度系数i则可通过计算得到, 本文计算采用克洛夫及施密特提出的公式, 即:
其中, i为饱和含水塑性黏土中地面沉降槽宽度系数;Z为地面至隧道中心深度, m;R为隧道半径, m。
5.3 计算结果分析
隧道第130环处上覆土层厚度为11.731 m, 地层损失取实测值。监测数据与计算结果的比较见图5。从图5中可以看出, 用等效大圆模型计算地面沉降得到沉降槽的宽度、沉降最大值、反弯点位置及距离中轴线不同距离处沉降能够与实测结果比较吻合。但双圆盾构施工是一个复杂的动态连续过程。加之在交通繁忙的市区施工过程中不可避免的要受到周围环境以及相邻构筑物程度不等的影响, 实测沉降曲线与理论预测的不完全一致。
6结语
1) 砂土地层中添加泡沫剂主要控制切口到达至盾尾刚脱出阶段地面沉降;
2) 添加泡沫剂后砂土地层中最大地面沉降值大约可以减小一半, 其地面横向沉降形态与不添加泡沫剂的黏土地层地面横向沉降形态接近;
3) 简化计算结果与地面监测数据基本吻合。
参考文献
[1]周文波, 顾春华.双圆盾构施工技术[J].现代隧道技术, 2004, 41 (4) :22-44.
[2]朱伟译.隧道标准规范 (盾构篇) 及解说[M].北京:中国建筑工业出版社, 2001.
[3]朱伟, 陈仁俊.盾构隧道施工技术现状及展望[J].岩土工程界, 2002, 12 (4) :14-20.
【盾构施工中的地面沉降】推荐阅读：
盾构施工地表沉降08-27
盾构掘进施工09-10
盾构同步注浆施工11-04
成都地铁盾构施工07-23
地铁盾构施工专项方案10-13
盾构到达接收施工技术07-21
盾构过站施工技术应用07-21
盾构施工监理监控重点有哪些？09-13
盾构法施工地铁隧道的防水堵漏技术11-22
盾构管片壁后注浆施工要求有哪些？12-01