双圆盾构泡沫剂砂性土改良施工地面沉降分析

刘鹏 张庆贺 张峰

1 概述

近年来,随着各大城市地下铁道等市政工程的大量修建,有效、可持续发展的地下空间资源日益减少,并逐渐开始制约和限制城市规划的发展。双圆盾构隧道以其有效利用地下空间资源、施工效率高、掘削土量少等优点而得到推广使用[1]。

双圆盾构较之单圆盾构对土体扰动更为剧烈,在砂性土地层中的沉降更加难以控制。在施工中添加泡沫改良剂是解决问题的有效途径之一,但是目前针对泡沫土体改良技术在双圆盾构施工中的运用研究较少,对泡沫土体改良的规律尚缺乏足够的认识,探索泡沫土体改良技术在双圆盾构中的运用有其必要性。

本文针对上海轨道交通10号线邮电新村路站—大连路站区间隧道工程,通过对现场地面沉降监测数据的分析并与经验解析公式计算结果进行对比,探索添加泡沫剂对地表沉降的影响规律,给此技术在我国的推广使用提供借鉴和参考。

2 工程概况

上海市轨道交通10号线邮电新村路站—大连路站区间隧道始于邮电新村站,沿四平路止于大连路站。本区间里程为SK23+483.975～SK24+290.068,起始中心标高分别为-9.113 m,-16.665 m,相应中心埋深分别为12.755 m,20.207 m,区间长度为806.1 m。本隧道断面尺寸:外尺寸:φ 6 300 mm×W10 900 mm(外径×宽度)、内尺寸:φ 5 700 mm×W10 300 mm(内径×宽度),双线中心间距:4 600 mm,采用双圆盾构工艺来完成区间隧道的推进任务。

隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片,错缝拼装,环宽1 200 mm,厚度为300 mm。每环管片由8块圆形管片A(A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8),1块大海鸥形管片B,1块小海鸥形管片C和1块柱形管片 D组成,共计11块。设计强度C55、抗渗等级不小于S10。接缝防水均采用遇水膨胀橡胶止水条。

3 工程地质

本工程盾构推进主要穿越②3,④,⑤1-1,⑤1-2土层。各土层特征如下:

1)浅部②3层可分为两个亚层:②3-1砂质粉土夹粉质黏土层、②3-2砂质粉土层。②3-1砂质粉土夹粉质黏土层呈巨厚状,厚度5.90 m～9.60 m,该层分布较稳定,但土质欠均匀,从大连路站往同济路站方向土层粉性渐重,逐渐尖灭。②3-2砂质粉土层砂质较纯,厚度1.30 m～8.70 m,由大连路站往同济路站方向土层逐渐加厚。

2)④层淤泥质黏土层为高灵敏、高压缩性软弱土,土质极差,厚度2.00 m～9.00 m,厚度由西至东渐厚。

3)⑤1层分为两个亚层:⑤1-1灰色黏土层、⑤1-2灰色粉质黏土层。灰色黏土为高灵敏、高压缩性软弱土,土质较差,厚度1.50 m～4.50 m;⑤1-2为灰色粉质黏土,层厚3.60 m～17.40 m,该层一般厚度约为5 m,仅在古河道切割处呈巨厚状。

4 施工监测数据分析

4.1 测点布置

布置平行于盾构中心线的沉降监测点和垂直于盾构中心线的沉降监测点。平行于盾构中心线的沉降监测点一般情况下布设3条,分别位于双圆盾构上行线、中轴线和下行线的正上方,每隔5环(6 m)设一排测点。以50环(60 m)为间隔在原来3个测点的基础上,垂直于盾构中心线方向左右各增设5个测点,到盾构中轴线的距离分别为1 m,3 m,5 m,8 m和13 m。

4.2 横向沉降分析

130环断面位于未添加泡沫剂的砂质粉土层中,开挖面稳定不能很好控制。最大地面沉降量达到72.94 mm。切口到达该断面前的地面沉降占总地面沉降的比例微小,地面沉降主要由切口到达至盾尾刚脱离阶段和盾尾脱开后的后期沉降构成。切口到达至盾尾脱离阶段沉降约占总沉降的30%,盾尾脱开后的后期沉降占总地面沉降比例最大,约为60%。

图1为285环断面处地面横向沉降曲线图。285环位于砂质粉土层中添加泡沫剂地段。由图1可以看到切口到达至盾尾刚脱出阶段地面沉降显著减小,添加泡沫剂主要控制此阶段的地面沉降,而盾尾脱开后的后期沉降并没有减小。130环处最大地面沉降达到了72.94 mm,285环处最大地面沉降为38.02 mm,减小了约48%。

图2为390环处地面横向沉降曲线图。390环位于黏土层地段。比较图1,图2,添加泡沫剂的位于砂质粉土层地段的285环处地面沉降和不添加泡沫剂的位于黏土层地段的390环处地面沉降接近。

4.3 纵向沉降分析

图3,图4分别为切口到达130环和285环时上行线地面纵向沉降曲线图。对比图3,图4,285环处盾构开挖面后方地面沉降曲线斜率变小,沉降曲线变得平缓,距离盾构开挖面同样距离处沉降量值减小。当盾构机头穿过测点,并离开测点约20 m～25 m后,沉降速率逐渐减小,沉降发展缓慢并趋于稳定,这与孔压消散引起的土层固结、盾构扰动减小、注浆凝固等使土层沉降趋势减弱的因素有关。

5 横向沉降简化理论计算

本文采用等效大圆模型[4]计算横向沉降。

5.1 等效大圆模型假定

假定双圆盾构施工引起的地面沉降符合正态分布规律,同时将双圆盾构按面积等效为 1个较大的单圆。然后采用单圆的Peck公式来计算地面沉降。

5.2 计算公式

先计算出等效单圆的半径,然后利用式(1)计算。

其中,Sx为距离隧道中心线x处的地面沉降,m;x为距隧道中心线的距离,m;Vi为盾构隧道单位长度的地层损失,m3/m;i为沉降槽宽度系数,m。

根据上海地区隧道施工经验,土体损失率在0.5%～2.0%之间取值;而沉降槽宽度系数 i则可通过计算得到,本文计算采用克洛夫及施密特提出的公式,即:

其中,i为饱和含水塑性黏土中地面沉降槽宽度系数;Z为地面至隧道中心深度,m;R为隧道半径,m。

5.3 计算结果分析

隧道第130环处上覆土层厚度为11.731 m,地层损失取实测值。监测数据与计算结果的比较见图5。从图5中可以看出,用等效大圆模型计算地面沉降得到沉降槽的宽度、沉降最大值、反弯点位置及距离中轴线不同距离处沉降能够与实测结果比较吻合。但双圆盾构施工是一个复杂的动态连续过程。加之在交通繁忙的市区施工过程中不可避免的要受到周围环境以及相邻构筑物程度不等的影响,实测沉降曲线与理论预测的不完全一致。

6 结语

1)砂土地层中添加泡沫剂主要控制切口到达至盾尾刚脱出阶段地面沉降;

2)添加泡沫剂后砂土地层中最大地面沉降值大约可以减小一半,其地面横向沉降形态与不添加泡沫剂的黏土地层地面横向沉降形态接近;

3)简化计算结果与地面监测数据基本吻合。

[1] 周文波,顾春华.双圆盾构施工技术[J].现代隧道技术,2004,41(4):22-44.

[2] 朱伟译.隧道标准规范(盾构篇)及解说[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[3] 朱 伟,陈仁俊.盾构隧道施工技术现状及展望[J].岩土工程界,2002,12(4):14-20.

[4] 吕 虎,张庆贺.地铁双圆盾构施工引起的地面沉降模型[J].建井技术,2006,27(1):32-34.