成都地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降分析

李 博 蘇華友 趙旭偉

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,621010,綿陽;2.吉林建筑工程學(xué)院交通科學(xué)與工程學(xué)院,130021,長春∥第一作者,碩士研究生)

盾構(gòu)法施作隧道具有對周圍建筑物影響較小、適應(yīng)軟弱地質(zhì)條件、施工速度快等優(yōu)點,在地下工程中已得到廣泛應(yīng)用[1]。但是,當(dāng)采用盾構(gòu)法施工時,一般會引起隧道上方地表沉降。這種現(xiàn)象在含水的松軟土層或其他不穩(wěn)定地層中表現(xiàn)尤為顯著。對于城市地鐵,盾構(gòu)法施工區(qū)間隧道時一般會穿越建筑物密集、施工場地狹小、地質(zhì)情況復(fù)雜、地下管網(wǎng)密布的城市中心地帶,施工條件受到限制,對環(huán)境的控制要求更為嚴(yán)格。因此,為保證地鐵沿線行人與建筑物的安全,進(jìn)行地表沉降的相關(guān)研究顯得尤為重要。本文通過對成都地鐵某區(qū)間盾構(gòu)隧道施工的實測沉降分析,尋求適合成都地區(qū)橫向沉降槽的參數(shù),并與理論值進(jìn)行對比。

1 工程概況

成都地鐵1號線人民北路——天府廣場區(qū)間沿人民北路和人民中路敷設(shè),設(shè)計里程為YCK 5+664.400～YCK 8+696.224。設(shè)計里程區(qū)間分布3組平曲線,半徑分別為400 m、450 m、500 m。線路豎曲線設(shè)有兩種,半徑分別為 3 000 m、5 000 m。線路最大縱坡為23‰。隧道埋深8～20 m。由于該區(qū)間地處鬧市區(qū),地面交通量大,地下管線復(fù)雜,使得施工難度增大。

成都地層巖體松散、含水量大、透水性強、無膠結(jié)、自穩(wěn)能力差,但是單個卵石塊強度高,并在地層中起骨架作用。掘進(jìn)面土層情況見圖1。由于砂卵石地層不穩(wěn)定,顆粒之間的空隙大,沒有粘聚力,且在無水狀態(tài)下,顆粒之間點對點傳力,地層反應(yīng)靈敏,當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)切削時,地層很易破壞原來的相對穩(wěn)定或平衡狀態(tài)而產(chǎn)生坍塌,引起較大的地層損失和圍巖擾動,從而引起較大的地表沉降量。

該區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越地層及其主要力學(xué)性質(zhì)見表1。

圖1 掘進(jìn)面地層情況

表1 土體力學(xué)性質(zhì)

2 實測數(shù)據(jù)分析

該區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)。本文選取其右線始發(fā)試驗段進(jìn)行分析。其主要施工參數(shù)設(shè)置為:總推力900～1 100 t,掘進(jìn)速度20～30 mm/min,注漿壓力0.2 MPa左右,注漿量6 m3/環(huán)。

2.1 監(jiān)測斷面的選取及測點布置

根據(jù)隧道不同位置的埋深及土層分布,選擇4個具有代表性的監(jiān)測斷面。其樁號、里程及埋深見表2。測點布置見圖2。

表2 沉降監(jiān)測斷面里程及埋深

圖2 某典型斷面沉降槽測點布置圖

2.2 實測數(shù)據(jù)分析

對A1～A 4斷面進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,直至沉降穩(wěn)定。監(jiān)測結(jié)果繪成的曲線見圖3。

根據(jù)該沉降曲線圖,結(jié)合具體地質(zhì)條件及施工參數(shù),得出以下實測結(jié)果:

(1)由于盾構(gòu)穿越的地層條件相似,各項施工參數(shù)接近,4個斷面的沉降規(guī)律幾乎保持一致?？梢娫谏奥咽貙又胁捎猛翂浩胶舛軜?gòu)開挖能較好地控制地表沉降量。4個斷面中最大沉降量為22.4 mm,滿足施工要求。

圖3 各斷面地表沉降曲線圖

(2)在砂卵石地層中沉降曲線沿隧道軸線不對稱分布,盾構(gòu)掘進(jìn)的橫向影響區(qū)域在線路中心20 m范圍內(nèi)(約6.4倍隧道直徑)。其中,在隧道軸線兩側(cè)6～8 m的范圍內(nèi)(約2倍隧道直徑),地表沉降一般大于10 mm,為主要影響范圍;在軸線兩側(cè)13～18 m范圍內(nèi),地表沉降一般小于5 mm,為次要影響范圍;隧道中心最大沉降控制在22 mm左右,且大部分沉降分布在12～22 mm之間。

(3)以上各斷面的地表沉降在盾構(gòu)開挖面通過10 d左右即可收斂,沉降值趨于穩(wěn)定。如A1斷面盾構(gòu)機盾體于2月1日開始經(jīng)過此斷面,2月4日脫出此斷面,2月14日該斷面沉降開始穩(wěn)定變化,斷面累計沉降量最大為18.47 mm,平均沉降量為0.880 mm/d。

3 沉降槽系數(shù)的計算

在成都特有的高富水砂卵石地層條件下,Peck公式計算出的理論曲線與實際曲線存在很大的誤差。在缺少類似盾構(gòu)隧道可以參考借鑒的情況下,得出該類型地層沉降槽系數(shù)尤為重要。

1969年,Peck提出了盾構(gòu)施工引起地面沉降的估算方法,認(rèn)為地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積,并根據(jù)這個假定給出了地面沉降量的橫向分布估算公式[2]:

式中:

S(x)——地面沉降量;

x——距隧道軸線的橫向水平距離;

Smax——隧道軸線地面最大沉降量;

V loss——盾構(gòu)隧道單位長度土體損失量;

V L——地層體積損失率;

R——隧道半徑;

Z——隧道埋深;

φ——內(nèi)摩擦角;

k——沉降槽寬度系數(shù);

i—地面沉降槽寬度系數(shù),即沉降槽曲線拐點離隧道軸線的水平距離。

從式(1)～(4)可以看出,只要確定了k和V L,就可以確定以上公式。

通過對各斷面實測曲線進(jìn)行擬合,找出曲線反彎點,得到沉降槽半寬度i,再反算出各斷面的k和V L。各斷面具體計算結(jié)果見表3。

表3 各斷面k及V L計算表

從表3可以看出,k的取值范圍在0.13～0.31之間,V L的取值范圍為 0.32%～0.50%。取k=0.22,V L=0.41%進(jìn)行計算,并與A1斷面實測沉降曲線進(jìn)行比較。計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)比較如圖4所示。由圖4可以看出,使用改進(jìn)后的參數(shù)可以較好地預(yù)測出地面橫向沉降槽的分布情況。

圖4 A 1斷面實際與理論曲線比對圖

上海軌道交通8號線列車

4 結(jié)語

(1)在砂卵石地層中使用土壓平衡盾構(gòu)開挖隧道可以較好地控制地表沉降。但是,由于砂卵石地層顆粒間的孔隙大,在刀盤旋轉(zhuǎn)切削時很容易引起較大的地層損失和圍巖擾動,因此建議在今后的施工中可加大注漿量,必要情況下加大注漿壓力,使得孔隙之間盡量填充密實,減小地面沉降量。

(2)在砂卵石地層中盾構(gòu)單線推進(jìn)的主要影響范圍為隧道軸線兩側(cè)6～8 m左右的區(qū)域內(nèi)(約2倍隧道直徑);整個影響區(qū)域為線路中心20 m范圍內(nèi)(約6.4倍隧道直徑);隧道中心最大沉降量控制在22 mm左右,大部分沉降在12～22 mm之間;在盾體通過后10 d左右地表沉降即可收斂,沉降值趨于穩(wěn)定。

(3)通過曲線擬合對沉降槽寬度系數(shù)k進(jìn)行計算,并通過Peck公式進(jìn)行理論計算后與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,認(rèn)為k在0.13～0.31之間可較好地分析預(yù)測出該區(qū)間地表沉降槽。

[1]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[2]PECK P B.Deep excavations and tunneling in sof t ground[C].Proc 7th Int Confon Soil Mech and Found Engrg M exico City,1969:275-290.

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