軟土地區(qū)雙圓盾構(gòu)施工引起的地表沉降分析摘 要:與單圓盾構(gòu)工法相比,雙圓盾構(gòu)工法有其獨特的施工技術(shù)要求,其影響地表沉降的因素更為復(fù)雜。根據(jù)上海軌道交通六號線雙圓盾構(gòu)區(qū)間段地表沉降實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,總結(jié)了地表沉降槽的形態(tài)特征,提出了沉降槽寬度范圍的估算公式。結(jié)合雙圓盾構(gòu)區(qū)間段的工程實踐,進一步探討了與地表沉降相關(guān)的雙圓盾構(gòu)施工參數(shù)的取值問題。關(guān)鍵詞:雙圓盾構(gòu);沉降槽;施工參數(shù)1 引言 近年來,雙圓盾構(gòu)施工技術(shù)開始引入我國,并已成功應(yīng)用于上海軌道交通楊浦線和六號線的建設(shè)。與單圓盾構(gòu)施工雙線隧道相比,雙圓盾構(gòu)具有許多優(yōu)勢,它能夠一次完成雙線隧道,施工速度快,土方挖掘量少,隧道斷面面積利用率高。雙圓盾構(gòu)正逐漸成為地鐵隧道、道路隧道等地下工程施工的主流形式。 盾構(gòu)施工引起的地表沉降是施工環(huán)境保護的一個重要問題,特別是在樓群密集區(qū)域建設(shè)的城市軌道交通,對地表沉降有嚴格的控制標準。對于單圓盾構(gòu)工法的地表沉降機理、沉降槽形式和沉降預(yù)測等理論,國內(nèi)外專家已做了較多的研究[1,2],但是對于雙圓盾構(gòu)工法引起的地表沉降尚缺乏足夠的認識,探索雙圓盾構(gòu)工法的地表沉降規(guī)律有其必要性。本文針對上海軌道交通六號線雙圓盾構(gòu)區(qū)間隧道工程,通過對現(xiàn)場沉降監(jiān)測結(jié)果的統(tǒng)計分析,得出雙圓盾構(gòu)工法的地表沉降規(guī)律,并探討了軟土地層中雙圓盾構(gòu)施工參數(shù)與地表沉降的關(guān)系,為后續(xù)工程積累經(jīng)驗。2 工程概況 上海軌道交通六號線雙圓隧道的單圓外徑為6300mm,隧道襯砌每環(huán)寬1200mm,在兩個單圓相交處采用海鷗塊管片拼裝。隧道覆土厚度為6.5~11.2m,掘進所在地層主要為砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和灰色淤泥質(zhì)粘土,上覆土主要有雜填土和粉質(zhì)粘土。 施工采用條幅式土壓平衡雙圓盾構(gòu)機,如圖1所示,單圓外徑6520mm,兩圓圓心距4600mm,切削面積58.37m2。在長度方向上,雙圓盾構(gòu)機由切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾三個部分組成,總長7145mm,可進行轉(zhuǎn)彎半徑300m以上的曲線隧道推進。
在現(xiàn)場布置平行于盾構(gòu)中心線的沉降監(jiān)測點和垂直于盾構(gòu)中心線的沉降監(jiān)測點。平行于盾構(gòu)中心線的沉降監(jiān)測點一般情況下布設(shè)三條,分別位于雙圓盾構(gòu)上行線、中軸線和下行線的正上方,每隔5環(huán)(6m)設(shè)一個測點。另外,以30環(huán)(36m)為間隔在原來三個測點的基礎(chǔ)上,垂直于盾構(gòu)中心線方向左右各增設(shè)三個測點,到盾構(gòu)中軸線的距離分別為4.3m、8.3m和15.3m。由于地表為具有結(jié)構(gòu)剛度的鋼筋混凝土路面,其變形不能反映土層的真實變位,因此,測點都設(shè)置在地表以下約0.5m處。監(jiān)測測量按二等水準的要求進行。3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析3.1 橫向沉降槽分析 通過對橫向監(jiān)測斷面的分析,提出對雙圓盾構(gòu)地面沉降曲線形態(tài)規(guī)律的幾點認識: (1)地表沉降量較大的區(qū)域在中軸線兩邊15m左右,離軸線15.3m的測點沉降量最大可達10mm。假設(shè)沉降影響范圍符合土體主動滑裂面所對應(yīng)的區(qū)域,對地層均勻水平分布、覆土厚度在10m左右的直線隧道段進行總結(jié),提出雙圓盾構(gòu)工法的地表沉降橫向影響范圍S的估算公式: 其中,αi為第i層土沉降影響面與水平面的夾角, 在粘土層中α=45°+φ/2,在富水砂性土層中α=φ/3;φ為土層內(nèi)摩擦角(φ1,2,3=30°,35°,11°);hi為第i層覆土厚度(h1,2,3=2,8,5.56m);R為盾構(gòu)機單圓外半徑(R=6.52m);L為圓心距(L=4.6m);S為橫向沉降影響范圍(S=54m),見圖2。 計算值S比實測沉降范圍(42~48m)稍大,但從環(huán)境保護的角度來說,該經(jīng)驗公式是較為安全的。 (2) 雙圓盾構(gòu)橫向沉降槽的形態(tài)可歸納為兩種:U形和V形。 U形沉降槽在盾構(gòu)機寬度范圍內(nèi)的沉降量明顯大于稍遠處的沉降量,曲線在拐點處變化較快,槽底平坦;而V形沉降槽的曲線斜率變化平緩,類似于單圓盾構(gòu)工法的沉降槽形狀。兩種典型形態(tài)見圖3。U、V形沉降槽的反彎點較為一致,實測反彎點離中軸線7~8m,位于盾構(gòu)開挖邊界正上方附近。 分析認為,U形沉降槽是由于雙圓盾構(gòu)的擠土作用和海鷗塊管片處的背土效應(yīng)對上覆軟弱土層擾動加劇引起的。文獻[3]通過室內(nèi)相似材料模擬試驗和現(xiàn)場觀測資料分析,發(fā)現(xiàn)在厚沖積層開挖條件下,沉降槽在拐點處具有較陡的曲線形態(tài)。本雙圓盾構(gòu)隧道的上覆土層為淤泥質(zhì)粘土,抗拉強度小,擠土與背土產(chǎn)生的拉應(yīng)力易導(dǎo)致開挖空間上方土層的彎曲和裂縫,使土層的冒落加大。開挖空間邊界外地層的下沉主要受自重壓應(yīng)力和土層彎曲拉應(yīng)力的泊松效應(yīng)影響,受盾構(gòu)施工的影響略為偏小,故其下沉值也略小,形成的曲線平緩。在上覆雜填土層較厚,及上海地區(qū)二號土(褐黃—灰黃粉質(zhì)粘土)缺失的地質(zhì)條件下,往往出現(xiàn)V形沉降槽。 (3)如圖4所示,沉降槽中心與盾構(gòu)中心不能較好地吻合,存在偏心現(xiàn)象,最大沉降量一般出現(xiàn)在中軸線和上行線之間。 沉降槽偏心有兩方面原因:一方面是盾構(gòu)機帶鋸齒的刀盤表面與土層間粘附所造成的引拉作用;另一方面,局部地段土層的不均勻和背斜、向斜構(gòu)造在一定程度上也造成沉降槽的不對稱分布。 (4)共獲得36個地表橫向沉降全斷面監(jiān)測數(shù)據(jù),實測負地層損失率范圍為0~0.26%,地表隆起值一般小于5mm,均能滿足10mm的隆起控制標準,地層損失率范圍為0.46%~1.35%。地層損失率的計算方法是橫向沉降槽與X軸所圍面積和盾構(gòu)切削面積的比值。 取上、下行線和中軸線上沉降較大者為最大沉降量,剔除掉盾構(gòu)進出洞(存在加固區(qū)影響)和試推段斷面,共對117個斷面最大沉降量進行統(tǒng)計分析。取地表最大沉降量為隨機變量X,假設(shè)X~N(μ,σ2),樣本總數(shù)n=117。 經(jīng)計算,總體均值μ=32.53,總體標準差σ=10.78,故Χ~Ν(32.53,10.78),沉降小于50mm的概率P{X≤50}=0.948。 根據(jù)統(tǒng)計資料,當前雙圓盾構(gòu)施工工藝條件下,若將上海軟土地區(qū)地表沉降控制在50mm時有94.8%的保證率;若要提高地表沉降控制標準比如沉降30mm,還需要優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù),并借助二次注漿等輔助手段。3.2 縱向沉降槽分析 上、下行線和中軸線的縱向沉降曲線基本一致。從圖6可看到,距離盾構(gòu)刀盤前方24m以外的土體未產(chǎn)生變形。在盾構(gòu)刀盤前方H~24m范圍里(H為上覆土厚度),地表出現(xiàn)隆起,隨著盾構(gòu)機的推進,地表沉降發(fā)展較快,沉降速率大。當盾構(gòu)機頭穿過測點,并離開測點約20~25m后,沉降速率逐漸減小,沉降發(fā)展緩慢。4 優(yōu)化施工參數(shù)控制地面沉降 影響雙圓盾構(gòu)隧道地表沉降的施工參數(shù)主要有土倉壓力、推進速度、出土量、同步注漿壓力、注漿量和注漿開始時間。另外,其他一些施工參數(shù)如盾構(gòu)姿態(tài)和坡度、仿形刀超挖量、管片拼裝質(zhì)量等也對地面變形產(chǎn)生一定的影響。4.1 土倉壓力 土倉壓力、推進速度與出土量是相關(guān)的施工參數(shù),若較好地匹配三者的關(guān)系,能有效減少盾構(gòu)的偏移和旋轉(zhuǎn)[4],減小盾構(gòu)推進對地表沉降的影響。雙圓盾構(gòu)機兩側(cè)螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速和開口率是相互獨立的,由隔倉板上的土壓力計反饋迎面土壓力值,通過調(diào)整左右螺旋機的出土量來控制土倉壓力,維持開挖面土壓平衡。土壓上限為被動土壓和水壓之和,下限為主動土壓和水壓之和。 推進速度為10~50mm/min,正常的推進速度為30mm/min。推進過快,正面土體受壓隆起大;推進過慢,易產(chǎn)生嚴重的叩頭現(xiàn)象,造成盾構(gòu)在高程上偏離設(shè)計軸線。4.2 同步注漿 管片脫出盾尾后,在管片與土體之間將產(chǎn)生建筑空隙。若注漿不及時,土體很快就塌落到建筑空隙里去,沉降量可達12mm左右。因此,同步注漿是控制地表沉降的重要手段之一。 施工采用雙液漿(A液:水泥+膨潤土+穩(wěn)定劑;B液:水玻璃)。漿液具有初凝快,混合后一小時的抗壓強度可達到0.06~1MPa。 一般情況下,雙液漿的注漿壓力設(shè)定值為0.3MPa。在土質(zhì)較硬時,注漿壓力在0.3~0.5MPa;在土質(zhì)較軟時,注漿壓力在0.2~0.3MPa左右。注漿壓力不宜過高,否則會對地層產(chǎn)生較大的擾動,增加后期沉降,還會使管片螺栓發(fā)生塑流,甚至損壞管片。 注漿采用注漿量控制方式。注漿充填率一般在150%左右,注漿充填率為實際注漿量與建筑空隙體積的比值,本工程理論注漿量為4.02m3,實際注漿量約為6m3。4.3 盾構(gòu)姿態(tài)與管片拼裝 雙圓盾構(gòu)不能發(fā)生左右偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。理論上有多種糾偏方法,如利用千斤頂推力的分力、仿形刀超挖等,但為了減少對地表沉降的不利影響,施工中往往采用單側(cè)壓重和調(diào)節(jié)左右出土量來產(chǎn)生糾偏的扭矩。 管片采用錯縫拼裝工藝,使隧道結(jié)構(gòu)縱向、橫向的整體剛度有所提高,有助于減小縱向不均勻沉降。拼裝順序是先下后上,左、右同步進行,最后安裝立柱,封閉成環(huán)。拼裝力求保持兩圓的真圓度,若橢圓度控制不利,會造成額外的地表沉陷。5 結(jié)語 (1)雙圓盾構(gòu)工法地表沉降槽有兩種典型形態(tài),其中,U形沉降槽對應(yīng)于軟弱淤泥質(zhì)地層的情況;V形沉降槽對應(yīng)于淤泥質(zhì)地層較薄、上覆有較厚堅硬地層(如人工填土)的情況。 (2)考察所有已施工和正在施工的雙圓盾構(gòu)工法隧道,在現(xiàn)有施工技術(shù)條件下,在上海軟松土地區(qū)的地表沉降可以較普遍地控制在+10mm~-50mm范圍。 (3)與單圓盾構(gòu)相比,雙圓盾構(gòu)的正面土壓力控制更為復(fù)雜,而且盾構(gòu)機的偏轉(zhuǎn)對地表沉降影響較大,施工中應(yīng)予以重視。 上?；A(chǔ)公司和上海市政二公司為本文提供了地表沉降監(jiān)測資料,在此向他們表示衷心的感謝!參考文獻:[1]JózsefMESCI.GrounddeformationsresultingfromshieldtunnelinginBudapest[C].Geotechnicalengineeringinsoftground,Shanghai:Tongjiuniversitypress.2001,138-141[2]劉建航,候?qū)W淵.盾構(gòu)法隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1991[3]李永樹.地面沉陷災(zāi)害預(yù)報與防治方法[M].北京:中國鐵道出版社.2001[4]宋博.地下隧道雙圓盾構(gòu)施工技術(shù)研究[J].建筑施工,2004,Vol.26,No.2:150-152
在現(xiàn)場布置平行于盾構(gòu)中心線的沉降監(jiān)測點和垂直于盾構(gòu)中心線的沉降監(jiān)測點。平行于盾構(gòu)中心線的沉降監(jiān)測點一般情況下布設(shè)三條,分別位于雙圓盾構(gòu)上行線、中軸線和下行線的正上方,每隔5環(huán)(6m)設(shè)一個測點。另外,以30環(huán)(36m)為間隔在原來三個測點的基礎(chǔ)上,垂直于盾構(gòu)中心線方向左右各增設(shè)三個測點,到盾構(gòu)中軸線的距離分別為4.3m、8.3m和15.3m。由于地表為具有結(jié)構(gòu)剛度的鋼筋混凝土路面,其變形不能反映土層的真實變位,因此,測點都設(shè)置在地表以下約0.5m處。監(jiān)測測量按二等水準的要求進行。3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析3.1 橫向沉降槽分析 通過對橫向監(jiān)測斷面的分析,提出對雙圓盾構(gòu)地面沉降曲線形態(tài)規(guī)律的幾點認識: (1)地表沉降量較大的區(qū)域在中軸線兩邊15m左右,離軸線15.3m的測點沉降量最大可達10mm。假設(shè)沉降影響范圍符合土體主動滑裂面所對應(yīng)的區(qū)域,對地層均勻水平分布、覆土厚度在10m左右的直線隧道段進行總結(jié),提出雙圓盾構(gòu)工法的地表沉降橫向影響范圍S的估算公式: 其中,αi為第i層土沉降影響面與水平面的夾角, 在粘土層中α=45°+φ/2,在富水砂性土層中α=φ/3;φ為土層內(nèi)摩擦角(φ1,2,3=30°,35°,11°);hi為第i層覆土厚度(h1,2,3=2,8,5.56m);R為盾構(gòu)機單圓外半徑(R=6.52m);L為圓心距(L=4.6m);S為橫向沉降影響范圍(S=54m),見圖2。 計算值S比實測沉降范圍(42~48m)稍大,但從環(huán)境保護的角度來說,該經(jīng)驗公式是較為安全的。 (2) 雙圓盾構(gòu)橫向沉降槽的形態(tài)可歸納為兩種:U形和V形。 U形沉降槽在盾構(gòu)機寬度范圍內(nèi)的沉降量明顯大于稍遠處的沉降量,曲線在拐點處變化較快,槽底平坦;而V形沉降槽的曲線斜率變化平緩,類似于單圓盾構(gòu)工法的沉降槽形狀。兩種典型形態(tài)見圖3。U、V形沉降槽的反彎點較為一致,實測反彎點離中軸線7~8m,位于盾構(gòu)開挖邊界正上方附近。 分析認為,U形沉降槽是由于雙圓盾構(gòu)的擠土作用和海鷗塊管片處的背土效應(yīng)對上覆軟弱土層擾動加劇引起的。文獻[3]通過室內(nèi)相似材料模擬試驗和現(xiàn)場觀測資料分析,發(fā)現(xiàn)在厚沖積層開挖條件下,沉降槽在拐點處具有較陡的曲線形態(tài)。本雙圓盾構(gòu)隧道的上覆土層為淤泥質(zhì)粘土,抗拉強度小,擠土與背土產(chǎn)生的拉應(yīng)力易導(dǎo)致開挖空間上方土層的彎曲和裂縫,使土層的冒落加大。開挖空間邊界外地層的下沉主要受自重壓應(yīng)力和土層彎曲拉應(yīng)力的泊松效應(yīng)影響,受盾構(gòu)施工的影響略為偏小,故其下沉值也略小,形成的曲線平緩。在上覆雜填土層較厚,及上海地區(qū)二號土(褐黃—灰黃粉質(zhì)粘土)缺失的地質(zhì)條件下,往往出現(xiàn)V形沉降槽。 (3)如圖4所示,沉降槽中心與盾構(gòu)中心不能較好地吻合,存在偏心現(xiàn)象,最大沉降量一般出現(xiàn)在中軸線和上行線之間。 沉降槽偏心有兩方面原因:一方面是盾構(gòu)機帶鋸齒的刀盤表面與土層間粘附所造成的引拉作用;另一方面,局部地段土層的不均勻和背斜、向斜構(gòu)造在一定程度上也造成沉降槽的不對稱分布。 (4)共獲得36個地表橫向沉降全斷面監(jiān)測數(shù)據(jù),實測負地層損失率范圍為0~0.26%,地表隆起值一般小于5mm,均能滿足10mm的隆起控制標準,地層損失率范圍為0.46%~1.35%。地層損失率的計算方法是橫向沉降槽與X軸所圍面積和盾構(gòu)切削面積的比值。 取上、下行線和中軸線上沉降較大者為最大沉降量,剔除掉盾構(gòu)進出洞(存在加固區(qū)影響)和試推段斷面,共對117個斷面最大沉降量進行統(tǒng)計分析。取地表最大沉降量為隨機變量X,假設(shè)X~N(μ,σ2),樣本總數(shù)n=117。 經(jīng)計算,總體均值μ=32.53,總體標準差σ=10.78,故Χ~Ν(32.53,10.78),沉降小于50mm的概率P{X≤50}=0.948。 根據(jù)統(tǒng)計資料,當前雙圓盾構(gòu)施工工藝條件下,若將上海軟土地區(qū)地表沉降控制在50mm時有94.8%的保證率;若要提高地表沉降控制標準比如沉降30mm,還需要優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù),并借助二次注漿等輔助手段。3.2 縱向沉降槽分析 上、下行線和中軸線的縱向沉降曲線基本一致。從圖6可看到,距離盾構(gòu)刀盤前方24m以外的土體未產(chǎn)生變形。在盾構(gòu)刀盤前方H~24m范圍里(H為上覆土厚度),地表出現(xiàn)隆起,隨著盾構(gòu)機的推進,地表沉降發(fā)展較快,沉降速率大。當盾構(gòu)機頭穿過測點,并離開測點約20~25m后,沉降速率逐漸減小,沉降發(fā)展緩慢。4 優(yōu)化施工參數(shù)控制地面沉降 影響雙圓盾構(gòu)隧道地表沉降的施工參數(shù)主要有土倉壓力、推進速度、出土量、同步注漿壓力、注漿量和注漿開始時間。另外,其他一些施工參數(shù)如盾構(gòu)姿態(tài)和坡度、仿形刀超挖量、管片拼裝質(zhì)量等也對地面變形產(chǎn)生一定的影響。4.1 土倉壓力 土倉壓力、推進速度與出土量是相關(guān)的施工參數(shù),若較好地匹配三者的關(guān)系,能有效減少盾構(gòu)的偏移和旋轉(zhuǎn)[4],減小盾構(gòu)推進對地表沉降的影響。雙圓盾構(gòu)機兩側(cè)螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速和開口率是相互獨立的,由隔倉板上的土壓力計反饋迎面土壓力值,通過調(diào)整左右螺旋機的出土量來控制土倉壓力,維持開挖面土壓平衡。土壓上限為被動土壓和水壓之和,下限為主動土壓和水壓之和。 推進速度為10~50mm/min,正常的推進速度為30mm/min。推進過快,正面土體受壓隆起大;推進過慢,易產(chǎn)生嚴重的叩頭現(xiàn)象,造成盾構(gòu)在高程上偏離設(shè)計軸線。4.2 同步注漿 管片脫出盾尾后,在管片與土體之間將產(chǎn)生建筑空隙。若注漿不及時,土體很快就塌落到建筑空隙里去,沉降量可達12mm左右。因此,同步注漿是控制地表沉降的重要手段之一。 施工采用雙液漿(A液:水泥+膨潤土+穩(wěn)定劑;B液:水玻璃)。漿液具有初凝快,混合后一小時的抗壓強度可達到0.06~1MPa。 一般情況下,雙液漿的注漿壓力設(shè)定值為0.3MPa。在土質(zhì)較硬時,注漿壓力在0.3~0.5MPa;在土質(zhì)較軟時,注漿壓力在0.2~0.3MPa左右。注漿壓力不宜過高,否則會對地層產(chǎn)生較大的擾動,增加后期沉降,還會使管片螺栓發(fā)生塑流,甚至損壞管片。 注漿采用注漿量控制方式。注漿充填率一般在150%左右,注漿充填率為實際注漿量與建筑空隙體積的比值,本工程理論注漿量為4.02m3,實際注漿量約為6m3。4.3 盾構(gòu)姿態(tài)與管片拼裝 雙圓盾構(gòu)不能發(fā)生左右偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。理論上有多種糾偏方法,如利用千斤頂推力的分力、仿形刀超挖等,但為了減少對地表沉降的不利影響,施工中往往采用單側(cè)壓重和調(diào)節(jié)左右出土量來產(chǎn)生糾偏的扭矩。 管片采用錯縫拼裝工藝,使隧道結(jié)構(gòu)縱向、橫向的整體剛度有所提高,有助于減小縱向不均勻沉降。拼裝順序是先下后上,左、右同步進行,最后安裝立柱,封閉成環(huán)。拼裝力求保持兩圓的真圓度,若橢圓度控制不利,會造成額外的地表沉陷。5 結(jié)語 (1)雙圓盾構(gòu)工法地表沉降槽有兩種典型形態(tài),其中,U形沉降槽對應(yīng)于軟弱淤泥質(zhì)地層的情況;V形沉降槽對應(yīng)于淤泥質(zhì)地層較薄、上覆有較厚堅硬地層(如人工填土)的情況。 (2)考察所有已施工和正在施工的雙圓盾構(gòu)工法隧道,在現(xiàn)有施工技術(shù)條件下,在上海軟松土地區(qū)的地表沉降可以較普遍地控制在+10mm~-50mm范圍。 (3)與單圓盾構(gòu)相比,雙圓盾構(gòu)的正面土壓力控制更為復(fù)雜,而且盾構(gòu)機的偏轉(zhuǎn)對地表沉降影響較大,施工中應(yīng)予以重視。 上?；A(chǔ)公司和上海市政二公司為本文提供了地表沉降監(jiān)測資料,在此向他們表示衷心的感謝!參考文獻:[1]JózsefMESCI.GrounddeformationsresultingfromshieldtunnelinginBudapest[C].Geotechnicalengineeringinsoftground,Shanghai:Tongjiuniversitypress.2001,138-141[2]劉建航,候?qū)W淵.盾構(gòu)法隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1991[3]李永樹.地面沉陷災(zāi)害預(yù)報與防治方法[M].北京:中國鐵道出版社.2001[4]宋博.地下隧道雙圓盾構(gòu)施工技術(shù)研究[J].建筑施工,2004,Vol.26,No.2:150-152
