雙圓盾構泡沫劑砂性土改良施工地面沉降分析

劉鵬 張慶賀 張峰

1 概述

近年來,隨著各大城市地下鐵道等市政工程的大量修建,有效、可持續發展的地下空間資源日益減少,并逐漸開始制約和限制城市規劃的發展。雙圓盾構隧道以其有效利用地下空間資源、施工效率高、掘削土量少等優點而得到推廣使用[1]。

雙圓盾構較之單圓盾構對土體擾動更為劇烈,在砂性土地層中的沉降更加難以控制。在施工中添加泡沫改良劑是解決問題的有效途徑之一,但是目前針對泡沫土體改良技術在雙圓盾構施工中的運用研究較少,對泡沫土體改良的規律尚缺乏足夠的認識,探索泡沫土體改良技術在雙圓盾構中的運用有其必要性。

本文針對上海軌道交通10號線郵電新村路站—大連路站區間隧道工程,通過對現場地面沉降監測數據的分析并與經驗解析公式計算結果進行對比,探索添加泡沫劑對地表沉降的影響規律,給此技術在我國的推廣使用提供借鑒和參考。

2 工程概況

上海市軌道交通10號線郵電新村路站—大連路站區間隧道始于郵電新村站,沿四平路止于大連路站。本區間里程為SK23+483.975～SK24+290.068,起始中心標高分別為-9.113 m,-16.665 m,相應中心埋深分別為12.755 m,20.207 m,區間長度為806.1 m。本隧道斷面尺寸:外尺寸:φ 6 300 mm×W10 900 mm(外徑×寬度)、內尺寸:φ 5 700 mm×W10 300 mm(內徑×寬度),雙線中心間距:4 600 mm,采用雙圓盾構工藝來完成區間隧道的推進任務。

隧道襯砌采用預制鋼筋混凝土管片,錯縫拼裝,環寬1 200 mm,厚度為300 mm。每環管片由8塊圓形管片A(A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8),1塊大海鷗形管片B,1塊小海鷗形管片C和1塊柱形管片 D組成,共計11塊。設計強度C55、抗滲等級不小于S10。接縫防水均采用遇水膨脹橡膠止水條。

3 工程地質

本工程盾構推進主要穿越②3,④,⑤1-1,⑤1-2土層。各土層特征如下:

1)淺部②3層可分為兩個亞層:②3-1砂質粉土夾粉質黏土層、②3-2砂質粉土層。②3-1砂質粉土夾粉質黏土層呈巨厚狀,厚度5.90 m～9.60 m,該層分布較穩定,但土質欠均勻,從大連路站往同濟路站方向土層粉性漸重,逐漸尖滅。②3-2砂質粉土層砂質較純,厚度1.30 m～8.70 m,由大連路站往同濟路站方向土層逐漸加厚。

2)④層淤泥質黏土層為高靈敏、高壓縮性軟弱土,土質極差,厚度2.00 m～9.00 m,厚度由西至東漸厚。

3)⑤1層分為兩個亞層:⑤1-1灰色黏土層、⑤1-2灰色粉質黏土層。灰色黏土為高靈敏、高壓縮性軟弱土,土質較差,厚度1.50 m～4.50 m;⑤1-2為灰色粉質黏土,層厚3.60 m～17.40 m,該層一般厚度約為5 m,僅在古河道切割處呈巨厚狀。

4 施工監測數據分析

4.1 測點布置

布置平行于盾構中心線的沉降監測點和垂直于盾構中心線的沉降監測點。平行于盾構中心線的沉降監測點一般情況下布設3條,分別位于雙圓盾構上行線、中軸線和下行線的正上方,每隔5環(6 m)設一排測點。以50環(60 m)為間隔在原來3個測點的基礎上,垂直于盾構中心線方向左右各增設5個測點,到盾構中軸線的距離分別為1 m,3 m,5 m,8 m和13 m。

4.2 橫向沉降分析

130環斷面位于未添加泡沫劑的砂質粉土層中,開挖面穩定不能很好控制。最大地面沉降量達到72.94 mm。切口到達該斷面前的地面沉降占總地面沉降的比例微小,地面沉降主要由切口到達至盾尾剛脫離階段和盾尾脫開后的后期沉降構成。切口到達至盾尾脫離階段沉降約占總沉降的30%,盾尾脫開后的后期沉降占總地面沉降比例最大,約為60%。

圖1為285環斷面處地面橫向沉降曲線圖。285環位于砂質粉土層中添加泡沫劑地段。由圖1可以看到切口到達至盾尾剛脫出階段地面沉降顯著減小,添加泡沫劑主要控制此階段的地面沉降,而盾尾脫開后的后期沉降并沒有減小。130環處最大地面沉降達到了72.94 mm,285環處最大地面沉降為38.02 mm,減小了約48%。

圖2為390環處地面橫向沉降曲線圖。390環位于黏土層地段。比較圖1,圖2,添加泡沫劑的位于砂質粉土層地段的285環處地面沉降和不添加泡沫劑的位于黏土層地段的390環處地面沉降接近。

4.3 縱向沉降分析

圖3,圖4分別為切口到達130環和285環時上行線地面縱向沉降曲線圖。對比圖3,圖4,285環處盾構開挖面后方地面沉降曲線斜率變小,沉降曲線變得平緩,距離盾構開挖面同樣距離處沉降量值減小。當盾構機頭穿過測點,并離開測點約20 m～25 m后,沉降速率逐漸減小,沉降發展緩慢并趨于穩定,這與孔壓消散引起的土層固結、盾構擾動減小、注漿凝固等使土層沉降趨勢減弱的因素有關。

5 橫向沉降簡化理論計算

本文采用等效大圓模型[4]計算橫向沉降。

5.1 等效大圓模型假定

假定雙圓盾構施工引起的地面沉降符合正態分布規律,同時將雙圓盾構按面積等效為 1個較大的單圓。然后采用單圓的Peck公式來計算地面沉降。

5.2 計算公式

先計算出等效單圓的半徑,然后利用式(1)計算。

其中,Sx為距離隧道中心線x處的地面沉降,m;x為距隧道中心線的距離,m;Vi為盾構隧道單位長度的地層損失,m3/m;i為沉降槽寬度系數,m。

根據上海地區隧道施工經驗,土體損失率在0.5%～2.0%之間取值;而沉降槽寬度系數 i則可通過計算得到,本文計算采用克洛夫及施密特提出的公式,即:

其中,i為飽和含水塑性黏土中地面沉降槽寬度系數;Z為地面至隧道中心深度,m;R為隧道半徑,m。

5.3 計算結果分析

隧道第130環處上覆土層厚度為11.731 m,地層損失取實測值。監測數據與計算結果的比較見圖5。從圖5中可以看出,用等效大圓模型計算地面沉降得到沉降槽的寬度、沉降最大值、反彎點位置及距離中軸線不同距離處沉降能夠與實測結果比較吻合。但雙圓盾構施工是一個復雜的動態連續過程。加之在交通繁忙的市區施工過程中不可避免的要受到周圍環境以及相鄰構筑物程度不等的影響,實測沉降曲線與理論預測的不完全一致。

6 結語

1)砂土地層中添加泡沫劑主要控制切口到達至盾尾剛脫出階段地面沉降;

2)添加泡沫劑后砂土地層中最大地面沉降值大約可以減小一半,其地面橫向沉降形態與不添加泡沫劑的黏土地層地面橫向沉降形態接近;

3)簡化計算結果與地面監測數據基本吻合。

[1] 周文波,顧春華.雙圓盾構施工技術[J].現代隧道技術,2004,41(4):22-44.

[2] 朱偉譯.隧道標準規范(盾構篇)及解說[M].北京:中國建筑工業出版社,2001.

[3] 朱 偉,陳仁俊.盾構隧道施工技術現狀及展望[J].巖土工程界,2002,12(4):14-20.

[4] 呂 虎,張慶賀.地鐵雙圓盾構施工引起的地面沉降模型[J].建井技術,2006,27(1):32-34.