大斷面泥水盾構(gòu)地表沉降控制及監(jiān)測信息反饋技術(shù)

武 凡 劉洪震

(中鐵隧道集團股份有限公司， 河南鄭州 450003)

1 工程概況

1.1 工程位置及用途

武漢長江隧道為湖北省重點工程,位于武漢長江一、二橋之間。隧道江北起點為漢口大智路與銘新街的交叉口,江南終點為武昌友誼大道南側(cè)規(guī)劃中的沙湖路,作為過江公路交通的城市主干道,它的建成運營將很大程度上緩解武漢市區(qū)環(huán)線內(nèi)過江交通壓力問題。該工程設計為左右2條隧道,隧道為單向2車道,設計車速為50 km/h。盾構(gòu)隧道左右線長2 538 m,其中北岸漢口到達井至長江邊段長度約420 m,過長江段1 310 m,南岸武昌始發(fā)井至長江邊段約800 m。盾構(gòu)隧道管片外徑為11.22 m。內(nèi)徑為10 m,管片寬度為2 m,管片分塊形式為6標準塊+2鄰接塊+1封頂塊。

1.2 工程地質(zhì)

盾構(gòu)隧址區(qū)江南段穿越地層情況如表1、表2。

表1 右線地質(zhì)分段

表2 左線地質(zhì)分段

1.3 水文地質(zhì)

地下水主要有上層滯水、孔隙水和基巖裂隙水3種類型。上層滯水主要賦存于上部人工填土層中；孔隙水主要賦存于第四系松散層中,可分為孔隙潛水和孔隙承壓水2種類型；基巖裂隙水主要賦存于下部基巖裂隙中。

2 變形分析

2.1 地表沉降縱向比較

江南盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降基本情況見圖1,圖2及表3。

圖2 江南左線隧道中線地表沉降分布

表3地表沉降統(tǒng)計

序號1234位置最大沉降/mm平均沉降/mm左線-130.25-71.62右線-93.85-58.7左線-36.10-29.9右線-77.85-24.9左線-26.70-14.2右線-26.95-17.8左線-18.85-8.4右線-24.60-10.2覆土厚度(洞徑D)<11～22～3>3

可以看出,隨著覆土厚度的增加,地表沉降逐漸減小。覆土厚度小于一倍的隧道直徑時,盾構(gòu)機通過地層主要為黏土層時,地表沉降較大；隨著埋深的增加,盾構(gòu)機通過地層為細砂層時,地表沉降急劇減小,左右線具有相似性。

2.2 地表沉降橫向比較

因盾構(gòu)機左線先行施工,參數(shù)設置在摸索階段。在黏土地段,左線明顯比右線地表沉降大,說明左線泥水壓力設置偏小,而右線施工時對參數(shù)設置進行了調(diào)整。相同進程段,左線地表測點平均要比右線測點累計沉降大10 mm左右。

2.3 地表橫向沉降范圍分析

盾構(gòu)施工引起地表橫向沉降橫分布形態(tài)受地層條件、埋深和開挖模式影響比較大。橫斷面HS2(埋深11.9 m)處黏土層,沉降槽范圍為11 m左右。受右側(cè)7層樓影響,右側(cè)地層壓力高于左側(cè),左線先行隧道地表沉降不對稱(如圖3)，右側(cè)變形大。

圖3 淤泥質(zhì)黏土層HS2(RK5+104)斷面橫向沉降曲線

2.4 地表沉降歷程分析

根據(jù)以往隧道施工時的觀測,盾構(gòu)隧道的施工變形是一個不斷累加的過程,以隧道軸線地表點的經(jīng)時變位曲線為例,地表點的地層移動經(jīng)歷五個階段(圖4)。

圖4 盾構(gòu)掘進時地表變形過程

淺埋段,左線同步注漿量在18～23 m3左右,填充系數(shù)在1.4～1.78之間,管片脫出盾尾之后的沉降較小,平均沉降11.6 mm,占總沉降的16%；右線同步注漿量14～18 m3,填充系數(shù)在1.1～1.4之間,平均地表沉降24 mm左右,占總沉降的40%,沉降量較大。

刀盤到達前地表產(chǎn)生的沉降受施工參數(shù)影響的因素較多,比如：切口水壓力及波動、推進速度、總推力、排泥量、方向糾偏等。從表4可知,該施工階段地表沉降所占總沉降比例分部比較離散,占9%～50%不等。如對地層擾動過大，會增加后續(xù)兩個階段地表沉降量。因此,施工過程中控制此階段產(chǎn)生的地表沉降尤為重要。

2.5 地層位移與空隙水壓力監(jiān)測

在施工試掘進段,隧道淺埋7 m左右(<1D),屬于小覆土隧道。由于覆土荷載減小,而且開挖面壓力所允許的管理幅度縮小,所以,即使是少量的管理誤差也會給開挖面帶來很大的影響。因此,監(jiān)測項目包括地表沉降監(jiān)測、地層土體水平位移、土體分層沉降、地下水位、空隙水壓力。

(1)土體水平位移分析

①軸向水平位移：盾構(gòu)到達前后距左線隧道較遠地層向掘進的反方向移動,最大地層水平位移接近10 mm。受泥水壓力作用,實際泥水壓力大于地層靜止側(cè)壓力,盾構(gòu)到達前,距隧道中線較近的地層向掘進方向移動；盾構(gòu)通過及盾尾脫出管片后,地層向隧道掘進的反方向移動,盾尾脫出管片后地層向掘進的反方向移動。

表4 江南盾構(gòu)施工過程中各階段地表沉降比例

同時,在埋深10～12 m地層在盾構(gòu)到達前向掘進方向位移較小,而盾尾脫出管片后,向掘進的反方向變形最大,變形曲線呈明顯的V字形。該地層為淤泥質(zhì)黏土層,地層側(cè)壓力系數(shù)接近1,釋放荷載最大。為控制開挖面變形,應以釋放荷重最大的那一層來決定控制壓力較為合適,此時,釋放荷重小的地層將被動受壓,但一般情況下地基被動受壓能力很強,所以不會出現(xiàn)被動破壞。

②橫向水平位移：盾構(gòu)到達前,地層均向隧道外移動,并達到最大值,左線右側(cè),最大位移20 mm左右。說明實際泥水壓力大于地層靜止側(cè)壓力。盾構(gòu)通過過程中及盾尾脫出管片后,地層向隧道方向移動,說明同步注漿量不足。

(2)土體分層沉降

盾構(gòu)到達前隧道上覆土各地層分層沉降4.5～7.5 mm,沉降值基本相等,說明由于地面建筑物的影響,地面附加荷載較大,泥水壓力采用靜止側(cè)壓力來設定,泥水壓力偏小,盾構(gòu)到達前地表產(chǎn)生沉降。

(3)孔隙水壓力

孔隙水壓力發(fā)生兩次突變,一是盾構(gòu)刀盤到達前孔隙水壓從急劇上升,在黏土層那樣透水性小的地層中,在開挖面附近因有效泥土壓力變得很小,土體強度下降,在到達開挖面附近發(fā)生一定的土體沉降。實際作用在開挖面的有效泥水壓力減小,盾構(gòu)到達前地表產(chǎn)生沉降。

二是管片脫出盾尾時,同步注漿壓力引起孔隙水壓增加,之后迅速消散,引起地表發(fā)生較大固結(jié)沉降。同時由于左線該段同步注漿量在18 m3左右,填充系數(shù)在1.4,對于黏土地層,注漿量明顯不足,需增加到同步注漿23 m3左右。

2.6 地層土壓力監(jiān)測

但當覆土厚度大于隧道的外徑時,地基產(chǎn)生拱效應的可能性比較大,為確定合理的松弛土壓力提供了依據(jù)。在里程LK4+500地層壓力監(jiān)測斷面埋設 (沿江大道處),隧道覆土39.6 m(>2D)。每環(huán)由9片拼裝管片組成,每片埋設一組測點,共埋設9組/環(huán),導線統(tǒng)一引出,集結(jié)在引線盒內(nèi)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示隧道承受的地層壓力對稱性分布,壓力分布具有明顯規(guī)律性,拱腰處稍大,這與理論計算結(jié)果相似。圖5所示為EP1變化歷程曲線,首先承受盾尾刷內(nèi)油脂壓力,油脂壓力很大,實測值接近5 Bar,管片脫出盾尾后承受注漿壓力,實測最大壓力3.6 Bar。在漿液凝固后,承受地層壓力,實測最大地層壓力1.9 Bar,該處的松弛土壓力計算值在2.6 Bar左右。所以隧道覆土厚度較大時,泥水壓力可以采用松弛土壓力作為控制基準。

圖5 隧道壓力分布(單位：MPa)

3 結(jié) 論

左右線隧道盾構(gòu)通過過程中的沉降基本相同,在隧道覆土小于1D黏土地層,盾構(gòu)通過時引起的沉降在24.5 mm左右。隧道其他覆土也存在類似的規(guī)律,通過時的沉降主要與地層性質(zhì)隧道覆土厚度有關(guān)。同時開挖面到達前沉降較小時(泥水壓力設定較大時),通過過程中地表沉降也相應減小,這一點與礦山法隧道很相似。

綜合左右線沉降情況分析,泥水壓力設定采用靜止土壓力,同時控制泥水壓力波動,同步注漿量23 m3，地表沉降基本可以控制在40 mm左右。

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[2]尹旅超,朱振宏,李玉珍.日本隧道盾構(gòu)新技術(shù)[M].武漢：華中理工大學出版社,1999

[3]劉建航.盾構(gòu)法隧道[M].北京：中國鐵道出版社,1991