盾构穿越粉砂地质层时的地表沉降分析及控制措施

李 杰

(中铁十三局集团第三工程有限公司,110000,沈阳∥工程师)

在城市轨道交通的建设中,盾构法施工技术以其特有的智能、安全、快捷、地层适用性广等特点与优势,越来越多地得到推广和应用[1-6]。虽然盾构法施工技术成绩斐然,但此法施工不可避免地引起地表沉降。如地表沉降过大,将直接影响到周边建筑和地下管线的正常使用[7]。如何减少施工对周围土体的扰动,最大限度地降低地表沉降及对周围环境的影响,一直是工程界所关注的问题。本文以某地铁盾构隧道工程为例,借助数值分析和工程实测数据,分析了盾构穿越粉砂层过程中地表的沉降规律、影响因素和施工控制措施。

1 工程概况

某盾构隧道采用Φ6 340 mm加泥式土压平衡盾构施工;衬砌环由3块标准块、2块连接块和1块封顶块构成;管片内径5.5 m,厚度0.35 m。采用错缝拼装,接缝防水采用弹性橡胶密封垫+嵌缝材料。盾构出洞后主要穿越③5粉砂夹砂质粉土层和③6粉砂层。在100～300环范围内盾构全断面穿越粉砂层。本区段盾构埋深10～20 m,坡度25‰。粉砂层的渗透系数为2×10-3～3×10-3cm/s。盾构穿越区段地质纵断面图如图1所示。

图1 盾构穿越区段地质纵断面图

盾构全断面穿越粉砂层可能会面临以下问题：

(1)粉砂层摩擦角大,盾构推进过程中的顶推力和扭矩大;

(2)粉砂层渗透系数大,盾构推进过程中容易遭遇流沙,造成盾构姿态控制困难;

(3)盾构施工对粉砂层扰动大,地表沉降量大。

2 地表沉降数值分析

2.1 建立计算模型

为明确盾构在此地层掘进时的地表沉降规律,对该区段内的某典型断面进行数值分析。某典型断面的横断面示意图见图2,主要土层参数见表1,结构物参数见表2。

有限元模型通过岩土工程软件PLAXIS建立,几何对象采用平面应变模型,有限元网格基于15节点单元。计算土层区域横向取60 m,纵向取30 m。土体采用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则。隧道衬砌与土体的相互作用则是通过在模型隧道表面设置古德曼接触面单元并选取合理的虚拟厚度因子及强度折减因子模拟。模型底部施加完全固定约束,在两侧施加竖直滑动约束,模型表面则取为自由边界。

图2 某典型断面的横断面图

表1 主要土层参数表

表2 结构物参数

2.2 计算过程及结果分析

数值计算时,盾构掘进过程与实际相同,盾构1号先施工,再盾构2号施工;两盾构基本保持100环的距离。

为研究土仓压力对于盾构掘进的影响,分别选取土仓压力值为 1.0P0、1.2P0、1.4P0三种工况进行计算(P0为掘进面中心点静止土压力)。

通过数值计算,得到的盾构推进后地表沉降变化曲线如图3所示。

从图3可知,当土仓压力分别设为静止土压力的1.2倍及1.4倍时,地表最大沉降量分别为16.7 mm、11.4 mm及9.5 mm,且三种工况下的变形趋势相似。可见,土仓压力的适当增大有助于减小盾构开挖后的地表沉降。

沿盾构隧道纵向地表沉降变化趋势如图4所示。

图3 盾构推进后地表沉降变化曲线

图4 沿盾构隧道纵向地表沉降变化趋势

沿隧道纵向地表沉降计算结果发现,盾构开挖面后两环的最大沉降分别为7.8 mm、5.5 mm及4.4 mm;当土仓压力为1.4P0时,开挖面前方土体发生隆起,隆起量为2.2 mm,而另两种工况未发生隆起。

3 地表沉降规律及原因分析

3.1 地表沉降分析

对1号和2号盾构隧道地表沉降进行了监测,间隔5环布置1个沉降监测点。1、2号盾构隧道横断面地表竖向位移如图5,6所示。由于不同的施工参数形成两种不同的沉降槽。可以看出,盾构推进横向影响范围50 m左右,沉降槽最低点地表最大沉降45 mm左右。

图5 第一种沉降槽地表沉降

图6 第二种沉降槽地表沉降

总结1、2号盾构隧道横断面地表竖向位移有以下几点规律：

(1)1号隧道和2号隧道轴线处沉降量较大,沉降槽明显;

(2)1号盾构沉降槽的深度均大于2号盾构沉降槽的深度,说明1号盾构施工对地层的扰动大于2号盾构施工对地面的扰动;

(3)受1号盾构施工扰动的影响,2号盾构施工完成后,部分横断面中,两隧道中间位置的沉降值大于2号隧道轴线处的沉降值;

(4)盾构施工的影响范围比较大,从沉降槽可以推断影响范围基本在两隧道中心线外 25 m左右,与数值计算结果相近。

沿隧道纵向100～300环地表沉降变化曲线如图7所示。从图7可以看出,在100～200环之间,沿隧道纵向地表沉降量较大,在20～50 mm之间;在200～300环之间,沿隧道纵向地表沉降量较小,在10～20 mm之间。这与盾构施工参数的控制和调整有关。

图7 沿隧道纵向地表沉降变化曲线

3.2 地表沉降影响因素分析

盾构施工过程中影响地表沉降的因素很多,如地质情况、盾构姿态、土压力设置、推进速度、注浆量等。现主要从土压力设置、推进速度和注浆量三个因素分析。

3.2.1 土压力设置

该区段的计算土压力和实测土压力如图8所示。

图8 实测土压力和计算土压力

从图8可知,盾构掘进时实测土压力始终大于计算土压力;当实测土压力为理论土压力的1.38～1.5倍时,地面沉降较小,控制效果较好。

3.2.2 推进速度

100～300环盾构掘进实测速度如图9所示。

对比图7和图 9发现：在100～200环,盾构推进速度波动幅度较大,在20～60 mm之间,同时该段地表沉降波动也较大,并且沉降量也较大;在200～300环之间,盾构掘进速度降低到20～30 mm/min之间,且波动幅度不大,地表沉降波动幅度也小,沉降量基本控制在10～20 mm之间。可见前100环的推进速度稍快,导致地表沉降量较大,后100环推进速度降低后,地表沉降得到了有效控制。

图9 盾构掘进实测速度

3.2.3 注浆量

本工程管片宽度1.2 m,盾构外径6.34 m,管片外径6.2 m。本工程预计注浆率为 120%～150%,每环的注浆量为1.98～2.48 m3,实际注浆量如图10所示。

图10 实际注浆量

从图10可知,100～300环实际注浆量可以分为两个区段：第一区段,100～200环,平均注浆量为4.2 m3/环,平均注浆率 255%;第二区段,200～300环,平均注浆量为5.5 m3/环,平均注浆率333%。

对比图7和图10可知：在第一区段,盾构注浆量相对偏少,地表沉降较大;在第二区段,盾构注浆量增加,平均注浆率从255%增加到333%,地表沉降得到很好控制。

4 盾构施工控制措施

针对本工程实际施工情况,盾构穿越粉砂层地表沉降的控制措施主要有：

(1)盾构机姿态。盾构掘进过程中,严格控制盾构机的姿态。姿态不好,产生蛇形运动必然造成频繁纠偏,产生过量超挖,影响地层稳定。所以每次纠偏量不应该超过20 mm,同时不得过急过猛地纠偏。

(2)土压力设置。为了减小后期沉降,掘进面土压力往往略大于刀盘前方水土压力,一般为其1.1～1.2倍。但根据本段的实测结果数据分析,盾构掘进施工时,建议土仓压力值一般为理论计算水土压力值的1.4～1.5倍。

(3)推进速度。在粉砂层,盾构推进速度控制在20～30 mm/min左右。通过前,检查盾构机各主要部件,开仓检查刀具磨损情况,确保盾构机不停机连续通过。

(4)浆液性质和注浆量。应保证浆液的充填性、初凝时间与早期强度以及浆液稠度的有机结合;应根据地表沉降的监测情况,随时调整同步注浆量,对已完成拼装的管片环采取二次注浆,控制地表的进一步沉降。

(5)注浆量。考虑到浆液随地下水的流失以及对砂土地层较大空隙的填充作用,注浆量按较高的充填率考虑。建议注浆率在300%～350%,注浆压力在0.35～0.45 MPa以上。同步注浆采用注浆量和注浆压力双控标准。

(6)出土量控制。严格控制出渣量,当产生不可控的超挖时,应增加同步注浆量。

[1] 裴洪军.城市隧道盾构法施工开挖面稳定性研究[D].南京：河海大学,2005.

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[3] 吕培林,周顺华.软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律分析[J].中国铁道科学,2007,28(2)：12.

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