盾構(gòu)法隧道施工引起的地面沉降機(jī)理與控制

何小林 王濤

摘 要:本文首先分析了盾構(gòu)法隧道引起的地面沉降規(guī)律和沉降影響范圍,總結(jié)了盾構(gòu)隧道地面沉降的主要影響因素;指明地面沉降主要源于開挖面的應(yīng)力釋放和附加應(yīng)力等引起的地層變形,并對地鐵施工中的地面沉降安全判斷標(biāo)準(zhǔn)和控制原則進(jìn)行了探討,為城市地鐵工程建設(shè)提供有益的參考。

關(guān)鍵詞:盾構(gòu)隧道地鐵工程地面沉降沉降控制

中圖分類號:U45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(b)-0071-02

Abstract:This paper analyzes the shield tunnel caused by land subsidence law and settlement of affected areas,and summarizes the main factors of land subsidence of the shield tunnel;specified land subsidence is mainly due to the excavation surface stress release and the additional stress causedstrata deformation,land subsidence and subway construction safety criteria and control principles are discussed to provide a useful reference for the construction of urban subway project.

Key Words:Shield tunnel;Subway project;Land subsidence;Subsidence control

盾構(gòu)法具有不影響地面交通、對周圍建(構(gòu))筑物影響小、適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件、施工速度快等眾多優(yōu)點(diǎn)而在地鐵工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用。但盾構(gòu)法隧道工程是在巖土體內(nèi)部進(jìn)行的,無論其埋深大小,開挖施工都不可避免地會對周圍土層產(chǎn)生擾動,從而引起地面沉降(或隆起),危機(jī)鄰近建筑物或地下管道等設(shè)施的安全[1]。因此,施工能產(chǎn)生多大的沉降或隆起,會不會影響相鄰建筑物的安全,是地鐵隧道盾構(gòu)施工中最關(guān)鍵的問題[2]。要在地鐵工程施工前對工程可能引起的地面沉降問題有所估計,就首先需要了解盾構(gòu)法施工引起的地面沉降的一般規(guī)律和機(jī)理,進(jìn)而提出相應(yīng)的安全判別標(biāo)準(zhǔn)和控制原則,達(dá)到事先防控的目的。

1盾構(gòu)隧道地面沉降規(guī)律

地面沉降規(guī)律是反映盾構(gòu)掘進(jìn)時,沿掘進(jìn)軸線方向?qū)Φ貙拥挠绊?同時它也能反映盾構(gòu)掘進(jìn)時不同因素、盾構(gòu)機(jī)不同部位對地層的作用,包括正面土壓力、摩擦力及盾尾間隙等。根據(jù)地面沉降發(fā)生的時序,一般將盾構(gòu)施工沿隧道縱向的地面沉降劃分為五個階段[3]。

1.1 盾構(gòu)到達(dá)前的地層沉降,即先行沉降

盾構(gòu)到達(dá)前,地表已經(jīng)產(chǎn)生變形,影響范圍約在10m～15m以內(nèi)。主要是由盾構(gòu)推進(jìn)土壓力的波動所引起,還有地下水位下移使土層有效應(yīng)力增加而引起的固結(jié)沉降。

1.2 盾構(gòu)到達(dá)時的地層沉降,開挖面前的沉降或隆起

自開挖面距觀測點(diǎn)約3m～10m時起,直至開挖面位于觀測點(diǎn)正下方之間所產(chǎn)生的隆起或沉降現(xiàn)象。實際施工過程中設(shè)定的盾構(gòu)土壓艙壓力很難與開挖面土體原有土壓力達(dá)到完全的平衡,多因土體應(yīng)力釋放或盾構(gòu)反向土倉壓力引起的土層塑性變形所引起。

1.3 盾構(gòu)機(jī)通過時的沉降

盾構(gòu)切口達(dá)到測點(diǎn)起至后尾離開測點(diǎn)期間發(fā)生的地表沉降。這一期間所產(chǎn)生的地表沉降主要是由盾殼向前移動過程中,盾構(gòu)機(jī)外殼與周圍土層之間形成剪切滑動面,土體被擾動所致,盾構(gòu)通過時的地表沉降約占總沉降的35%～40%。

1.4 盾尾間隙沉降

盾尾通過測點(diǎn)后產(chǎn)生的地表沉降,影響范圍約在后尾通過測點(diǎn)后0～20m范圍。由于盾構(gòu)外徑大于管片外徑,管片外壁與周圍土體間存在空隙,往往因注漿不及時和注漿量不足,管片周圍土體向空隙涌入,造成土層應(yīng)力釋放而引起地表變形,這一期間的地表沉降約占總沉降的40%～45%。

1.5 后續(xù)沉降

后期沉降是由盾尾脫出一周后的地表沉降,是由前面地層擾動引起的固結(jié)沉降和蠕變殘余沉降,反映了地層沉降的時間效應(yīng)。這一期間的地表沉降一般不超過總沉降的10%。

總體而言,盾構(gòu)法施工過程中,1.2和1.4階段的地面沉降量和沉降速率較大,控制沉降也最為關(guān)鍵。1.2階段的變形控制要素是土倉內(nèi)壓力,而1.4階段的控制要素是盾尾間隙的注漿及時性和充盈率。

2地面沉降的影響范圍

盾構(gòu)在推進(jìn)過程中,地表沉降以盾構(gòu)為中心呈三維擴(kuò)散分布,且分布隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)而產(chǎn)生同步移動。地面沉降的影響范圍可借助Peck公式進(jìn)行預(yù)測。Peck公式的理論基礎(chǔ)是:盾構(gòu)掘進(jìn)過程中產(chǎn)生一定的地層損失,相當(dāng)于挖去一塊土體,從而導(dǎo)致上部的土體移動,不考慮土體排水固結(jié)和蠕變,認(rèn)為地層移動為一個隨機(jī)過程,在盾構(gòu)掘進(jìn)后在地表形成的橫向沉降槽為一近似正態(tài)分布曲線[4]。韓煊、李寧等[5～6]結(jié)合JLE工程觀測數(shù)據(jù)庫,對我國8個地區(qū)30多組觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究,分析評價了Peck公式預(yù)測方法在我國的適用性。盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降沿縱向影響范圍,在盾構(gòu)前方約范圍內(nèi)(D為盾構(gòu)直徑,H為地表至盾構(gòu)底的深度)。粘性地層中,縱向影響范圍為一夾角為斜直線;砂性土中則為一鼻形曲線,深層土體的范圍與粘性土相同,表層土體的范圍要小于粘性土。橫向影響范圍對粘性土地層而言,為隧道軸線兩側(cè)范圍內(nèi),砂性地層影響范圍要小,約為。

3盾構(gòu)隧道的地面沉降機(jī)理

盾構(gòu)隧道施工產(chǎn)生地面沉降的機(jī)理主要源于開挖面的應(yīng)力釋放、附加應(yīng)力等引起地層產(chǎn)生的彈塑性變形[7]。隧道施工所引起的地面沉降,主要包括開挖卸載時開挖面周圍土體向隧道內(nèi)涌入所引起的地面沉降,支護(hù)結(jié)構(gòu)背后的空隙閉合所引起的地面沉降,管片襯砌結(jié)構(gòu)本身變形所引起的地面沉降以及隧道結(jié)構(gòu)因整體下沉所引起的地面沉降,可稱為開挖地面沉降。盾構(gòu)法隧道在施工期的地面沉降可認(rèn)為主要由開挖沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降組成,而次固結(jié)沉降更多情況下需要在隧道運(yùn)營期間考慮。盾構(gòu)施工引起的地層損失和隧道周圍受擾動或剪切破壞引起的土體再固結(jié),是造成盾構(gòu)法隧道工程性地面沉降的根本原因[8～9]。

4盾構(gòu)隧道施工的地面沉降影響因素

地層沉降大小的影響因素有內(nèi)因和外因之分,但歸納起來主要有[10]以下幾點(diǎn)。

4.1 地質(zhì)條件的影響

實測和實驗研究均表明,隧道埋深對地表沉降的影響因地層情況各異。T.Ito等[11]曾指出,盾構(gòu)法施工地表沉降槽的寬度主要取決于最接近隧道拱頂?shù)哪且粚油恋奶匦浴?/p>

4.2 土體性質(zhì)的影響

土體的非均質(zhì)性、各向異性、彈塑性和粘塑性使得盾構(gòu)隧道施工引起的地層沉降進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測是十分困難的,正因為此,說明土體的性質(zhì)對地層沉降有著很大的影響。

4.3 覆土厚度H和盾構(gòu)外徑D的影響

盾構(gòu)外徑越大,由盾構(gòu)施工引起的單位長度的地層損失就越大,在相同地面沉降槽寬度下,最大地面沉降也隨著增大;而隧道覆土厚度越大,則最大地面沉降值就會越小,但地面沉降槽寬度會越大。最大地面沉降隨覆土厚度H與盾構(gòu)外徑D的比值即H/D的增大而減小。

4.4 地下水位變化的影響

盾構(gòu)隧道施工中往往要采取降低地下水位的措施,降水使地層產(chǎn)生固結(jié)沉降。此外,施工過程中地層中水位的變化,也會引起地層變形,導(dǎo)致地面沉降。

4.5 盾構(gòu)施工姿態(tài)調(diào)整的影響

盾構(gòu)施工過程中的糾偏、仰頭、叩頭和曲線推進(jìn)以及后退等姿態(tài)調(diào)整均會引起多余的地層損失,導(dǎo)致地層沉降。另外,盾構(gòu)推進(jìn)過程中,土壓艙壓力過大或壓力過小,也會引起地層變形。

4.6 注漿的影響

由于盾構(gòu)殼具有一定的厚度,且盾殼外徑大于管片外徑,盾殼與管片之間會留有一定的空隙。工程中普遍采用同步注漿或二次注漿的方法來減小由盾尾空隙引起的地層損失。若壓漿不及時,或因注漿量不足,或因注漿壓力不適當(dāng),將會使盾尾后部隧道周邊的土體失去平衡,向盾尾空隙塌陷,致使地層沉降。同時,若注漿壓力過大,漿液浸入地層,擾動地層,也會加大地面沉降。

4.7 管片變形的影響

土壓力作用下,隧道管片產(chǎn)生的變形也會引起少量的地層損失,導(dǎo)致地面沉降。

4.8 受擾動土體變形的影響

盾構(gòu)隧道周圍土體受到盾構(gòu)施工的擾動后,形成超孔隙水壓力區(qū),在盾構(gòu)離開后的地層中,因土體應(yīng)力釋放,隧道周圍的超孔隙水壓力下降,孔隙水排出,引起地層移動和地面沉降。此外,盾構(gòu)推進(jìn)中的擠壓作用和盾尾壓漿作用等施工作用,也使周圍地層形成超孔隙水壓力區(qū),在盾構(gòu)隧道施工后的一段時間內(nèi)超孔隙水壓力消散,地層產(chǎn)生排水固結(jié)變形,引起地面沉降。

除上述因素外,還有一些其它因素,如:隧道滲水、涌水、攜帶泥砂、坍方等引起地層損失,從而導(dǎo)致地表變形等?？傊?地鐵隧道施工引起的地面沉降是諸多因素的綜合作用結(jié)果,合理的設(shè)計與巧妙的施工是盾構(gòu)隧道控制地面沉降的關(guān)鍵。

5地面沉降的安全性判斷與控制

因不同城市地鐵隧道工程的地質(zhì)條件、地面環(huán)境、隧道埋深、上部結(jié)構(gòu)對地基變形的適應(yīng)能力和使用要求具有很大差異,地鐵隧道地面沉降的安全判斷,通常需要考慮地面建(構(gòu))筑物和地下管線的安全及地層穩(wěn)定等因素后綜合確定。目前國內(nèi)與地鐵隧道地面沉降有關(guān)的規(guī)范均未給出地鐵隧道地面變形的具體指標(biāo)或允許值[12～16]。從當(dāng)前國內(nèi)的地鐵施工實際來看,地表變形多根據(jù)經(jīng)驗控制在+10mm～-30mm以內(nèi)。但工程實踐表明,制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)并不妥當(dāng),實際工程中要按照不同地區(qū)、不同地質(zhì)和周邊環(huán)境區(qū)別對待,以確定科學(xué)、合理且經(jīng)濟(jì)的沉降安全性控制標(biāo)準(zhǔn)。

地面沉降控制的總原則是,采取各種措施保持隧道周圍巖土體穩(wěn)定,防止水土流失,進(jìn)而控制地面沉降。針對不同工程的具體情況,結(jié)合地面沉降的不同階段,盾構(gòu)法隧道施工應(yīng)采用施工前預(yù)防地面沉降的處理措施和施工過程中的補(bǔ)救加固措施,包括注漿、錨桿、鋼板樁、旋噴樁、攪拌樁加固,采用凍結(jié)法施工或素混凝土墻等,對盾構(gòu)隧道上覆和兩側(cè)地層進(jìn)行加固,有效預(yù)防和控制盾構(gòu)法施工引起的地面變形與發(fā)展。盾構(gòu)法隧道的地面沉降控制,要綜合考慮地表建(構(gòu))筑物、地下管線及地層和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等因素,分別確定其允許的地表沉降值,并取最小值作為控制基準(zhǔn)值。具體施工過程中,可設(shè)置預(yù)警值、報警值和極限值來進(jìn)行分級控制。預(yù)警值一般為極限值的60%,當(dāng)?shù)乇沓两颠_(dá)到該值時,應(yīng)采取必要的控制措施并密切監(jiān)控沉降的進(jìn)一步發(fā)展;報警值一般為極限值的80%,達(dá)到該值時,要立即采取有效措施和手段對地表沉降進(jìn)行控制;極限值則是地表沉降允許的最大值,超過該值將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞等嚴(yán)重工程事故,這在工程中是絕對不允許的。

6結(jié)語

城市地鐵隧道暗挖法施工不可避免的會對周圍巖土體產(chǎn)生不同程度的擾動或破壞,造成地層位移與變形,甚至誘發(fā)地面沉降、地下管線等建(構(gòu))筑物受損等環(huán)境影響或災(zāi)害問題。本文分析了盾構(gòu)隧道引起地面沉降的一般規(guī)律和沉降影響范圍,并總結(jié)了盾構(gòu)隧道地面沉降的主要影響因素;在指明地面沉降主要源于開挖面的應(yīng)力釋放和附加應(yīng)力等引起的地層變形基礎(chǔ)上,對地面沉降的安全判斷標(biāo)準(zhǔn)和控制原則進(jìn)行了探討,為日益高漲的城市地鐵隧道施工提供有益的參考。

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