濱海軟土地層機械法聯絡通道施工影響監測分析

梅清俊, 朱瑤宏*, 馬永政, 吳彩霞

濱海軟土地層機械法聯絡通道施工影響監測分析

梅清俊1, 朱瑤宏1*, 馬永政2, 吳彩霞1

（1.寧波大學 土木與環境工程學院, 浙江 寧波 315211; 2.寧波工程學院 建筑與交通工程學院, 浙江 寧波 315016）

機械法聯絡通道T接施工技術是一種施工軟土地區地鐵聯絡通道的新型工法, 具有全程機械化、施工周期短、可直接切削主隧道和洞口等優點. 以寧波地鐵3號線某聯絡通道工程為研究對象, 通過監測分析研究新工法對周圍地層、主隧道結構等的施工影響. 結果表明: 受交叉施工影響, 聯絡通道縱向靠近主隧道的地表沉降較大, 靠近聯絡通道中央影響較小; 橫向中心位置地表沉降較大, 兩側影響較小; 主隧道結構沉降及隧道斷面收斂變形較小; 頂推過程對周圍地層影響明顯, 但水平地面受影響較小, 表明地層總體沉降量小, 基本可控. 此外, 采用peck曲線和高斯曲線分別描述縱橫向地面沉降的變化特征, 采用回歸分析確定了沉降曲線參數, 與實際監測結果相比, 兩者擬合良好.

濱海軟土; 聯絡通道; 盾構法; 監測; 回歸分析

地鐵聯絡通道是主隧道之間的連接通道, 因其施工場地狹小, 采取安全措施難度大, 往往對施工工藝要求較高. 以施工開挖機械化程度為標準, 可將聯絡通道施工方法分為機械法和非機械法兩大類. 非機械法施工技術即借助礦山法或管棚法進行開挖, 對于軟土地層往往需要預加固處理, 加固措施包括凍結法、深層攪拌法以及高壓旋噴法等[1]. 以浙江濱海地區為例, 軟土地層具有抗剪強度低、壓縮性高、靈敏度高、含水量高等特點, 凍結法應用廣泛[2], 但凍結法在施工過程中的實際效果受多種因素制約, 如凍結管接頭斷裂、鉆頭逆止閥失效等, 從而造成凍結壁融化、凍土強度降低, 影響施工進度. 機械法施工目前主要包括盾構法和頂管法, 一般需要在主隧道連接旁通道處預留洞門, 便于機械法施工[3]. 近年來, 以“微加固、可切削、嚴密封、強支護”為主要特征的機械法聯絡通道Ｔ接施工技術應運而生, 該方法具有施工快速、成本低、安全性高、環境影響小等優點[4]. 由于T接施工是直接切削主隧道襯砌壁, 施工效率大幅提高, 已視為一種全機械的施工技術.

盾構隧道施工會對周圍地層產生擾動影響[5]. 聯絡通道施工不僅對周圍地層有影響, 而且對主隧道會產生一定的安全隱患, 即在已被擾動土體上產生二次擾動. 有關這方面的研究頗豐, 如李寧等[6]、趙建平[7]、光輝等[8]通過對凍結法施工聯絡通道的監測分析, 研究了隧道及地表沉降規律, 探討其對主隧道的影響; 楊勇勇[9]通過對杭州地鐵1號線某區間隧道的聯絡通道凍結法施工理論分析和數值模擬, 研究了地表沉降和主隧道位移的影響; 牛俊濤[10]通過數值分析研究了天津地鐵6號線某區間聯絡通道凍結法施工對上方鐵路的影響, 結果表明聯絡通道正上方地表沉降最大. 上述研究主要針對凍結法加礦山法, 目前針對機械法施工影響的研究較為鮮見. 盡管寧波等地在地鐵聯絡通道工程建設中已實施了多條全機械盾構法或頂管法施工, 但目前仍缺少這類方法對相關施工影響的研究報道[11].

本文通過監測和統計分析, 探究聯絡通道機械法Ｔ接施工對主隧道及周邊軟土地基位移變形的影響規律, 以期為類似聯絡通道施工提供參考.

1 工程背景

1.1 工程概況

以寧波3號線一期工程兒童公園站至櫻花公園站區間聯絡通道為研究對象, 施工區域的土層特性見表1,其中固結快剪中為黏聚力,為內摩擦角. 隧道中心埋深18.7m, 區間間距17m. 該聯絡通道位于中興路下方, 東側為華宏國際中心(6層砼房、30層砼房等), 水平最小距離25.02m; 西側為崇光大廈(3層砼房), 水平距離49.24m.

聯絡通道管片內徑2650mm, 厚度250mm, 外徑3150mm. 襯砌環間采用錯縫拼裝, 環寬0.55 m, 楔形量8.7mm. 主隧道外徑6200mm, 聯絡通道處采用6塊(3環)鋼混特殊管片, 環寬均為1500 mm, 不設楔形量, 采用通縫拼裝.

1.2 施工方案與進度

該聯絡通道采用全機械盾構法施工, 施工步驟為: (1)完成臺車運輸掘進機設備, 安置反力架等施工前準備; (2)采用套筒法始發, 掘進機主機與始發套筒間存在65mm間隙, 主機進洞后聯絡通道管片與套筒間間隔135mm, 采用3道鋼絲刷和盾尾油脂進行密封; (3)通過掘進機頂推切削特殊管片混凝土完成出洞, 并在洞門接口處施做鋼結構(尾處也按鋼結構設計和施做); (4)洞門接口處需要進行特殊設計以保證接口處無滲水通道, 并采取注漿措施進行洞門封堵; (5)開始正環推進、拼裝預制管片結構, 同時在盾尾注漿, 一共推進22環; (6)待撤離掘進機后, 施做洞門接口, 安裝防火門.

監測施工步驟為: S-1階段, 盾構機下井運輸至始發位置, 內支撐系統運送至指定位置并施加預頂力, 調整盾構機進入始發姿態, 各部位準備工作就緒; S-2階段, 處始發掘進狀態, 盾構機刀盤切削管片, 同時進行封堵施工防止刀尖磨穿管片時因外部水土荷載而引起側漏; S-3階段, 盾構機刀盤磨穿管片進入土層, 并繼續向前推進; S-4階段, 掘進隧道前段, 刀盤進入土層, 開始掘進, 同時通過管片預留的注漿孔, 注入水泥-水玻璃漿液; S-5階段, 盾構機掘進至聯絡通道中段; S-6階段, 盾構機掘進至聯絡通道后半段, 同時進行壁后注漿; S-7階段, 接收端各部位準備就緒, 接收套筒安裝完成, 內支撐體系施加預頂力, 盾構機到達預定位置進行接收; S-8階段, 聯絡通道完成, 清理收尾.

表1 土體工程特性參數

1.3 監測方案

1.3.1 地面沉降及土層水平位移監測

地表隆沉監測點布設如圖1所示. 以聯絡通道為中心, 正上方地面投影外側兩邊20m內布置4條沉降斷面, 斷面間距為6m(5環), 測點間距分別為4m(2環)、4.8m(4環)、6.0m(5環)、7.2m(6環). 編號按XD(SD)+環號+測點號編制. 另布置土體水平位移監測點CX在聯絡通道中心線上, 距離主隧道右行線7m.

地面深層沉降監測點布設時須穿透路面結構硬殼層, 沉降標桿采用Φ25mm螺紋鋼標桿, 螺紋鋼標桿應深入原狀土60cm以上, 沉降標桿外側采用內徑大于13cm的金屬套管保護. 保護套管內的螺紋鋼標桿間隙須用黃砂回填. 金屬套管頂部設置管蓋, 管蓋安裝須穩固, 與原地面齊平. 為確保測量精度, 螺紋鋼標桿頂部應在管蓋下20cm為宜.軸線監測點、進出洞剖面監測點宜采用這種方式埋設, 然后采用水準儀測量. 水平位移監測采用數字測斜儀監測.

圖1 地面監測點布置

1.3.2 隧道結構變形位移監測

主要包括主隧道拱底沉降和隧道斷面收斂變形, 分別在聯絡通道兩側主隧道拱底各50m(42環)范圍內布設25個監測點, 按每6m(5環)布置1個拱底沉降監測點, 在兩側主隧道各10環內按每3m加密1個拱底沉降監測點, 點號按測點記號+環號編制. 另外在聯絡通道兩側主隧道各50m(42環)范圍內布設11個水平收斂監測斷面, 按每12m (10環)布置1個監測斷面, 如圖2所示.

2 監測結果分析

2.1 聯絡通道縱向與橫向地表沉降

首先分析聯絡通道施工推進過程中縱向地表沉降. 以聯絡通道正上方的一組測點(SD435-1~SD435-9)和聯絡通道左上方的一組測點(SD430-1~SD430-7)為縱向地表沉降的2條監測斷面, 地表沉降監測結果如圖3所示. 從圖3可知, 靠近主隧道右行線的沉降相對比靠近主隧道左行線的沉降小, 反映了小盾構機頂推過程對前方土體有一定程度的隆起影響, 但總體影響不大. 在聯絡通道S-2階段, 地層有少量沉降, 在S-3階段地層有較明顯的下沉. 但隨后的注漿能明顯抑制這種較大幅度的沉降, 使沉降趨于穩定. 中間的突起可能是兩邊主隧道經開挖擾動后土體的二次沉降大于中間的沉降量. 在S-7和S-8階段, 開挖完成后漿液固結, 壓力消散, 因此地層又會有少許沉降, 其沉降量在2mm以內. 總體上, 縱向地表沉降在4mm以內.

圖2 隧道內監測點平面布置

圖3 縱向地表沉降

為分析聯絡通道施工推進過程中橫向地表沉降, 以垂直聯絡通道方向的一組測點(SD425-4、SD430-4、SD435-5、SD440-6、SD445-4)為橫向中心線的地表沉降監測斷面H-1, 以右行線主隧道方向的一組測點(SD420、SD425-2、SD430-2、SD435-3、SD440-4、SD445-2、SD450)為下側橫向地表沉降的監測斷面H-2; 以左行線主隧道方向的一組測點(XD310、SD425-6、SD430-6、SD435-7、SD440-8、SD445-6、XD380)為上側橫向地表沉降的監測斷面H-3, 3個斷面地表沉降的監測結果如圖4所示.

(a) H-3監測斷面

(b) H-1監測斷面

(c) H-2監測斷面

從圖4可知, 3個監測斷面的沉降曲線存在相似規律, 隨著聯絡通道的開挖, 沉降不斷增大, 在S-3階段切削土體時有明顯的沉降, 但隨后的注漿又能在一定程度上阻止沉降, 其中聯絡通道正上方的SD435-5測點沉降最為明顯. 在S-7、S-8階段, 開挖完成后漿液固結, 壓力消散地層又會有少量的沉降, 沉降量在1mm以內. 橫向地表總體沉降在1.5mm以內. 圖4沉降曲線表明, 聯絡通道施工對其正上方影響最大, 影響幅度隨著與聯絡通道距離增大而減小.

2.2 周圍土體水平位移

聯絡通道橫向土體水平位移如圖5所示. 從圖5可以看出, 在聯絡通道施工過程中, 土體受盾構機擠壓向兩邊移動, 在盾構機附近土體的橫向移動幅度最大可達23mm, 總體橫向移動幅度不超過25mm.

圖6為聯絡通道周圍土體的縱向水平位移. 從圖6可知, 在聯絡通道施工中, 土體沿著盾構推進方向移動, 在盾構機附近土體的縱向位移最大幅度可達25mm, 總體位移不超過25mm. 同時可知,在機械法聯絡通道的施工中對深度超過25m以下土體的擾動不明顯.

圖6 土體縱向水平位移

2.3 沉降變化

以左行線主隧道為例, 測得拱底沉降如圖7所示. 從圖7可知, 聯絡通道開挖環主隧道附近出現明顯沉降, 而遠離聯絡通道開挖段靠近櫻花公園站的主隧道有隆升趨勢, 隆升幅度在2.5mm以內. 總體上, 主隧道沉降幅度不超過2mm, 其原因可能為盾構掘進過程中推力過大, 抑或一次襯砌時注漿壓力過大.

圖7 主隧道左行線拱底沉降

2.4 收斂變化

主隧道左行線的凈空收斂曲線如圖8所示. 從圖8可看出: 離聯絡通道T接位置越近, 主隧道凈空收斂值相對越大, 受影響越明顯, 但總體上聯絡通道開挖貫通對已有主隧道收斂變形影響較小, 一般在-1.5~2.5mm以內. 右行線結果類似.

圖8 左行線隧道管片收斂值

3 地表沉降規律統計分析

3.1 橫向地表沉降分析

聯絡通道施工過程中, 橫向地表沉降體現“沉降槽”特征(圖4), 參照地表沉降分布的經典peck公式[12]:

式中:()為隧道中心處的地表沉降, mm;max為隧道中心處沉降量的最大值, mm;為距隧道中心的水平距離, m;V為隧道單位長度上的地層損失, m3·m-1;為沉降槽的寬度系數, m.

式(1)和(2)中假定隧道開挖所形成的地面沉降槽的體積等于土體地層損失的體積, 用正態分布曲線描述橫向地表沉降特征, 可將式(1)化為如下對數形式:

式中:x為第個監測點距離隧道軸線的距離;為所有監測點的個數.

選取聯絡通道3個監測斷面H-1、H-2、H-3, 根據上述方法進行回歸分析, 其中斷面H-1的沉降結果見表2. 可得對數形式的peck曲線方程為:

表2 H-1斷面的沉降結果

圖9 擬合后peck曲線與實測數據對比

3.2 縱向地表沉降分析

從圖3的縱斷面沉降可看出, 機械法聯絡通道開挖引起的地面縱向沉降有別于普通盾構開挖, 在機械法聯絡通道開挖過程中由于存在兩端主隧道, 所以兩端的沉降較少, 實測曲線呈現凹槽形狀, 這一縱向沉降現象目前尚無文獻報道. 由于沉降槽近似正態分布, 因此本文采用高斯模型結合實測數據得到擬合經驗公式, 并用其估算地表縱向沉降, 高斯經驗公式為:

式中:為聯絡通道上方地表沉降, mm;為距聯絡通道的縱向水平距離, m;、為常數系數.

對式(10)取對數, 其形式可變為:

根據樣本殘差平方和取極值, 可推得上述系數的統計解為:

為檢驗回歸分析得到的經驗公式與實測數據的線性相關程度, 設線性相關系數為:

在多數現場監測中, 當>0.8時認為該經驗公式可靠.

選取聯絡通道正上方的縱向中心線(對應測點組(SD435-1~SD435-9))地面沉降數據作為研究對象, 根據上述方法進行線性回歸分析, 結果見表3.

表3 縱斷面沉降數據回歸分析結果

通過計算, 可得縱斷面的線性回歸方程為:

從擬合后經驗公式曲線與實測數據對比結果(圖10)可知, 二者吻合度較高, 表明經驗公式可靠.

圖10 縱斷面擬合后經驗公式曲線與實測值對比

4 結論

(1)機械法切削掘進施工過程對地表縱橫方向沉降影響可控, 最大沉降值為3~4mm. 縱向靠近主隧道地表沉降明顯, 聯絡通道中心土體受交叉擾動小, 沉降較小; 橫向中線位置沉降大兩側小. 注漿措施對控制施工過程中的地表沉降效果明顯. (2)施工對既有主隧道的收斂變形影響較小, 一般在-1.5~2.5mm之間, 對隧道水平向幾乎無影響. (3)盾構機推進過程中同等埋深附近受擾動土層縱橫向水平位移明顯, 幅度在23~25mm之間, 但對頂部土層及25m深度以下土體無明顯影響. (4)施工中聯絡通道橫向地表沉降槽可用peck曲線擬合, 基于回歸分析確定了曲線參數. 同樣, 采用高斯模型曲線可描述縱向地表沉降特征并確定其參數. 該方法可用于類似聯絡通道施工影響的預測.

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Monitoring and analysis of the influence of mechanical connecting passage construction in coastal soft soil layer

MEI Qingjun1, ZHU Yaohong1*, MA Yongzheng2, WU Caixia1

( 1.School of Civil and Environmental Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2.School of Architecture and Traffic Engineering, Ningbo University of Technology, Ningbo 315016, China )

The T-connection construction technology of mechanical connection passage is a new method for constructing subway connection passage in soft soil area. It has the advantages of short mechanization cycle, direct cutting of the main tunnel, and only requiring micro-reinforcement at the entrance of the tunnel. By taking a connecting passage project of Ningbo Metro Line 3 as the research object, the construction impact on the surrounding stratum and the main tunnel structure with this new construction method is monitored and analyzed. The results show that due to the effect of the cross-construction, the surface settlement of the connecting channel near the main tunnel is relatively larger in the longitudinal direction, and the impact is smaller when it is close to the center of the connecting channel. The surface settlement in the center of the horizontal position is larger and those in the two sides are smaller. The structural settlement of the main tunnel and the deformation of the tunnel section are small. The pushing process has obvious impact on the surrounding stratum, but the horizontal ground is less affected. In all, the overall settlement is small and basically under control. In addition, the study uses peck curve and Gaussian curve to describe the characteristics of horizontal and vertical land subsidence respectively, and regression analysis is performed to determine the parameters of the subsidence law curve, which fits well with the corresponding monitoring results.

coastal soft soil; connecting passage; shield method; monitoring; regression analysis

U455.43

A

1001-5132（2021）02-0073-07

2020?06?16.

寧波大學學報（理工版）網址: http://journallg.nbu.edu.cn/

浙江省基礎公益研究計劃項目（LGF19E080004）.

梅清俊（1995－）, 男, 浙江寧波人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 隧道地下結構設計與施工安全. E-mail: 1589554168@qq.com

朱瑤宏（1960－）, 男, 浙江寧波人, 教授級高級工程師, 主要研究方向: 地下空間與軌道交通. E-mail: zhuyaohong@nbu.edu.cn

（責任編輯 史小麗）