盾構穿越粉砂地質層時的地表沉降分析及控制措施

李 杰

(中鐵十三局集團第三工程有限公司,110000,沈陽∥工程師)

在城市軌道交通的建設中,盾構法施工技術以其特有的智能、安全、快捷、地層適用性廣等特點與優勢,越來越多地得到推廣和應用[1-6]。雖然盾構法施工技術成績斐然,但此法施工不可避免地引起地表沉降。如地表沉降過大,將直接影響到周邊建筑和地下管線的正常使用[7]。如何減少施工對周圍土體的擾動,最大限度地降低地表沉降及對周圍環境的影響,一直是工程界所關注的問題。本文以某地鐵盾構隧道工程為例,借助數值分析和工程實測數據,分析了盾構穿越粉砂層過程中地表的沉降規律、影響因素和施工控制措施。

1 工程概況

某盾構隧道采用Φ6 340 mm加泥式土壓平衡盾構施工;襯砌環由3塊標準塊、2塊連接塊和1塊封頂塊構成;管片內徑5.5 m,厚度0.35 m。采用錯縫拼裝,接縫防水采用彈性橡膠密封墊+嵌縫材料。盾構出洞后主要穿越③5粉砂夾砂質粉土層和③6粉砂層。在100～300環范圍內盾構全斷面穿越粉砂層。本區段盾構埋深10～20 m,坡度25‰。粉砂層的滲透系數為2×10-3～3×10-3cm/s。盾構穿越區段地質縱斷面圖如圖1所示。

圖1 盾構穿越區段地質縱斷面圖

盾構全斷面穿越粉砂層可能會面臨以下問題：

(1)粉砂層摩擦角大,盾構推進過程中的頂推力和扭矩大;

(2)粉砂層滲透系數大,盾構推進過程中容易遭遇流沙,造成盾構姿態控制困難;

(3)盾構施工對粉砂層擾動大,地表沉降量大。

2 地表沉降數值分析

2.1 建立計算模型

為明確盾構在此地層掘進時的地表沉降規律,對該區段內的某典型斷面進行數值分析。某典型斷面的橫斷面示意圖見圖2,主要土層參數見表1,結構物參數見表2。

有限元模型通過巖土工程軟件PLAXIS建立,幾何對象采用平面應變模型,有限元網格基于15節點單元。計算土層區域橫向取60 m,縱向取30 m。土體采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則。隧道襯砌與土體的相互作用則是通過在模型隧道表面設置古德曼接觸面單元并選取合理的虛擬厚度因子及強度折減因子模擬。模型底部施加完全固定約束,在兩側施加豎直滑動約束,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 主要土層參數表

表2 結構物參數

2.2 計算過程及結果分析

數值計算時,盾構掘進過程與實際相同,盾構1號先施工,再盾構2號施工;兩盾構基本保持100環的距離。

為研究土倉壓力對于盾構掘進的影響,分別選取土倉壓力值為 1.0P0、1.2P0、1.4P0三種工況進行計算(P0為掘進面中心點靜止土壓力)。

通過數值計算,得到的盾構推進后地表沉降變化曲線如圖3所示。

從圖3可知,當土倉壓力分別設為靜止土壓力的1.2倍及1.4倍時,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相似。可見,土倉壓力的適當增大有助于減小盾構開挖后的地表沉降。

沿盾構隧道縱向地表沉降變化趨勢如圖4所示。

圖3 盾構推進后地表沉降變化曲線

圖4 沿盾構隧道縱向地表沉降變化趨勢

沿隧道縱向地表沉降計算結果發現,盾構開挖面后兩環的最大沉降分別為7.8 mm、5.5 mm及4.4 mm;當土倉壓力為1.4P0時,開挖面前方土體發生隆起,隆起量為2.2 mm,而另兩種工況未發生隆起。

3 地表沉降規律及原因分析

3.1 地表沉降分析

對1號和2號盾構隧道地表沉降進行了監測,間隔5環布置1個沉降監測點。1、2號盾構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形成兩種不同的沉降槽。可以看出,盾構推進橫向影響范圍50 m左右,沉降槽最低點地表最大沉降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1、2號盾構隧道橫斷面地表豎向位移有以下幾點規律：

(1)1號隧道和2號隧道軸線處沉降量較大,沉降槽明顯;

(2)1號盾構沉降槽的深度均大于2號盾構沉降槽的深度,說明1號盾構施工對地層的擾動大于2號盾構施工對地面的擾動;

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

(4)盾構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,與數值計算結果相近。

沿隧道縱向100～300環地表沉降變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出,在100～200環之間,沿隧道縱向地表沉降量較大,在20～50 mm之間;在200～300環之間,沿隧道縱向地表沉降量較小,在10～20 mm之間。這與盾構施工參數的控制和調整有關。

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

盾構施工過程中影響地表沉降的因素很多,如地質情況、盾構姿態、土壓力設置、推進速度、注漿量等。現主要從土壓力設置、推進速度和注漿量三個因素分析。

3.2.1 土壓力設置

該區段的計算土壓力和實測土壓力如圖8所示。

圖8 實測土壓力和計算土壓力

從圖8可知,盾構掘進時實測土壓力始終大于計算土壓力;當實測土壓力為理論土壓力的1.38～1.5倍時,地面沉降較小,控制效果較好。

3.2.2 推進速度

100～300環盾構掘進實測速度如圖9所示。

對比圖7和圖 9發現：在100～200環,盾構推進速度波動幅度較大,在20～60 mm之間,同時該段地表沉降波動也較大,并且沉降量也較大;在200～300環之間,盾構掘進速度降低到20～30 mm/min之間,且波動幅度不大,地表沉降波動幅度也小,沉降量基本控制在10～20 mm之間。可見前100環的推進速度稍快,導致地表沉降量較大,后100環推進速度降低后,地表沉降得到了有效控制。

圖9 盾構掘進實測速度

3.2.3 注漿量

本工程管片寬度1.2 m,盾構外徑6.34 m,管片外徑6.2 m。本工程預計注漿率為 120%～150%,每環的注漿量為1.98～2.48 m3,實際注漿量如圖10所示。

圖10 實際注漿量

從圖10可知,100～300環實際注漿量可以分為兩個區段：第一區段,100～200環,平均注漿量為4.2 m3/環,平均注漿率 255%;第二區段,200～300環,平均注漿量為5.5 m3/環,平均注漿率333%。

對比圖7和圖10可知：在第一區段,盾構注漿量相對偏少,地表沉降較大;在第二區段,盾構注漿量增加,平均注漿率從255%增加到333%,地表沉降得到很好控制。

4 盾構施工控制措施

針對本工程實際施工情況,盾構穿越粉砂層地表沉降的控制措施主要有：

(1)盾構機姿態。盾構掘進過程中,嚴格控制盾構機的姿態。姿態不好,產生蛇形運動必然造成頻繁糾偏,產生過量超挖,影響地層穩定。所以每次糾偏量不應該超過20 mm,同時不得過急過猛地糾偏。

(2)土壓力設置。為了減小后期沉降,掘進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。但根據本段的實測結果數據分析,盾構掘進施工時,建議土倉壓力值一般為理論計算水土壓力值的1.4～1.5倍。

(3)推進速度。在粉砂層,盾構推進速度控制在20～30 mm/min左右。通過前,檢查盾構機各主要部件,開倉檢查刀具磨損情況,確保盾構機不停機連續通過。

(4)漿液性質和注漿量。應保證漿液的充填性、初凝時間與早期強度以及漿液稠度的有機結合;應根據地表沉降的監測情況,隨時調整同步注漿量,對已完成拼裝的管片環采取二次注漿,控制地表的進一步沉降。

(5)注漿量。考慮到漿液隨地下水的流失以及對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準。

(6)出土量控制。嚴格控制出渣量,當產生不可控的超挖時,應增加同步注漿量。

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