林存剛,吳世明,張忠苗,李宗良,劉冠水
(1.浙江大學(xué)a.軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.巖土工程研究所,杭州310058;2.杭州慶春路過江隧道有限公司,杭州310002)
近年來,泥水盾構(gòu)越來越廣泛地應(yīng)用于城市水底隧道施工,如上海上中路隧道、上海長(zhǎng)江隧道、武漢長(zhǎng)江隧道、南京長(zhǎng)江隧道、杭州慶春路過江隧道、杭州運(yùn)河隧道、海寧錢江隧道等[1-2]。對(duì)于盾構(gòu)施工引起的地面沉降,許多學(xué)者進(jìn)行了研究,研究方法主要為經(jīng)驗(yàn)公式法、解析法和數(shù)值模擬法[3-6],然而這些研究大都針對(duì)土壓平衡盾構(gòu),而對(duì)于泥水盾構(gòu)的研究相對(duì)較少。泥水盾構(gòu)與土壓平衡盾構(gòu)相比,泥水壓力傳遞快速而均勻,開挖面平衡土壓力的控制精度更高,地面沉降量的控制精度更高[7]。而泥水盾構(gòu)用于水底隧道施工,穿越堤防和水底淺覆土區(qū)域,對(duì)地面沉降的控制要求更為嚴(yán)格。在上海若干水底隧道工程施工中,曾發(fā)生了大堤防汛墻底板滲水、防汛閘門變形、防汛墻倒塌等威脅提防安全的事故[8]。因此,深入研究泥水盾構(gòu)施工引起的地面沉降,具有十分重要的意義。
結(jié)合杭州慶春路過江隧道泥水盾構(gòu)施工地面沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了泥水盾構(gòu)施工引起的地面沉降的特征及規(guī)律,總結(jié)了影響地面沉降的因素,并給出了地面沉降的預(yù)測(cè)公式。
杭州慶春路過江隧道南北方向垂直穿越錢塘江,盾構(gòu)段總長(zhǎng)3 532.442m,其中東線長(zhǎng)1 765.478m,西線長(zhǎng)1 766.924m。管片外徑11.3m,內(nèi)徑10.3m,厚50cm,環(huán)寬2m。管片采用通用契型環(huán),采用6標(biāo)準(zhǔn)塊+2鄰接塊+1封頂塊的分塊形式,錯(cuò)縫拼裝,縱環(huán)向采用高強(qiáng)螺栓連接。
盾構(gòu)隧道采用兩臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)從江南盾構(gòu)工作井開始掘進(jìn),始發(fā)段縱向坡度為-4.25%。盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)11.4m,后配3節(jié)拖車,上載砂漿泵、電器液壓設(shè)備、主控室等,長(zhǎng)約20m。盾構(gòu)主機(jī)總重1 100t,外徑11.65m。
盾構(gòu)施工主要穿越③層粉砂夾粉土、④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、⑤層粉質(zhì)粘土、⑥層粉質(zhì)粘土、⑦層粉細(xì)砂和⑧層圓礫。各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。隧道穿越土層剖面見圖1。
圖1 隧道穿越土層剖面圖
孔隙潛水賦存于場(chǎng)區(qū)淺部人工填土及其下部粉、砂性土層內(nèi),水位高,滲透性好。⑦層砂土、⑧層圓礫為承壓水層,承壓水位高,透水性強(qiáng)。
表1 場(chǎng)地主要土層物理力學(xué)指標(biāo)
續(xù)表1
地面沉降監(jiān)測(cè)從江南工作井至錢塘江南岸大堤一共布置19個(gè)斷面,編號(hào)D1~D18、XB。其中西線隧道監(jiān)測(cè)斷面標(biāo)記為WD,東線為ED,XB僅布置于西線。監(jiān)測(cè)斷面布置情況如圖2所示。其中D1~D6因處于加固區(qū),數(shù)據(jù)失真,數(shù)據(jù)未采用;D7~D12、D17、D18、XB所處地面隧道施工前為農(nóng)田;D13~D16位于錢塘江南岸大堤之上。筆者僅對(duì)西線盾構(gòu)施工引起的地面沉降進(jìn)行分析,即 WD7~WD12、WD17、WD18、XB斷面。
圖2 地表監(jiān)測(cè)斷面平面布置示意圖
對(duì)于隧道施工引起的橫向地面沉降的估算,工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的為Peck公式[3、9]:
式中:S(x)為地層損失引起的地面沉降;x為距隧道軸線的距離;Smax為隧道軸線處地層損失引起的地面沉降;i為地表沉降槽寬度系數(shù);Vs為隧道單位長(zhǎng)度地層損失;η為地層損失率,為地表沉降槽的面積與隧道開挖面積之比;R為隧道開挖半徑。
使用Peck公式預(yù)測(cè)橫向地面沉降時(shí),最為關(guān)鍵的是確定地層損失率V1以及沉降槽寬度系數(shù)i的取值。其中地層損失率V1取值受土質(zhì)、隧道工法及施工參數(shù)控制等影響,具有很大的離散性和地區(qū)及施工經(jīng)驗(yàn)性[10-11]。對(duì)于沉降槽寬度系數(shù)i的取值,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了實(shí)測(cè)及試驗(yàn)研究[12-15],其中應(yīng)用最為廣泛的是O’Reilly&New(1982)[15]根據(jù)倫敦地區(qū)經(jīng)驗(yàn)提出的:
式中K為沉降槽寬度參數(shù),定義為橫斷面地面沉降曲線拐點(diǎn)至隧道軸線水平距離與隧道軸線埋深之比;z0為隧道軸線埋深。
對(duì) WD7~WD12、XB、WD17、WD18,9個(gè)監(jiān)測(cè)斷面橫向地面沉降進(jìn)行分析。
分析表明:西線隧道各監(jiān)測(cè)斷面橫向地面沉降特征及規(guī)律基本一致,均可用Peck公式較好地?cái)M合。
圖3、4、5分別為 WD8、WD12、WD17斷面橫向地面沉降,圖中地面隆起記為正值。圖中沉降曲線標(biāo)記,如圖3中第1條沉降曲線標(biāo)記“0d,11.329m”表示盾構(gòu)盾尾離開WD8斷面0d,盾構(gòu)切口離開WD8斷面11.329m。
圖3~5可見:
1)盾構(gòu)切口到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面之前,地面隨切口泥水壓力的設(shè)定,時(shí)有隆起,時(shí)有沉降。
2)在盾構(gòu)盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面之前,地面沉降較小,且沉降曲線較無規(guī)則。
3)盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面時(shí),沉降量和沉降速度陡增,此后橫向地面沉降曲線開始呈現(xiàn)隧道軸線位置沉降最大,向兩側(cè)遞減的規(guī)律。
4)盾尾脫離監(jiān)測(cè)斷面初期,由于同步注漿作用,隧道軸線兩側(cè)或一側(cè)約10m之外地面出現(xiàn)隆起。
圖3 WD8斷面地面沉降
圖4 WD12斷面地面沉降
圖5 WD17斷面地面沉降
Peck公式假定隧道施工引起的地面沉降是在不排水情況下發(fā)生的,沉降槽的體積等于地層損失的體積[9]。分析發(fā)現(xiàn),西線隧道地面沉降,在盾構(gòu)脫離監(jiān)測(cè)斷面0~5d或6d之內(nèi),沉降速度和沉降量最大,而之后沉降速度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,開始明顯變慢。一般認(rèn)為,在盾尾脫離監(jiān)測(cè)斷面之后,由于建筑空隙的產(chǎn)生,會(huì)引起比較大的地層損失沉降;之后的沉降主要由擾動(dòng)土體固結(jié)引起;地層損失沉降的速度大于固結(jié)沉降速度。故認(rèn)為盾尾脫離5d或6d之前的地面沉降主要由地層損失引起,選取該天的地面沉降值用Peck公式加以擬合。
表2 西線隧道Peck公式擬合結(jié)果
圖6~8分別為 WD8、WD12、WD17,盾尾脫離監(jiān)測(cè)斷面5d或6d時(shí),橫斷面地面沉降用Peck公示擬合的情況。t為盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面的時(shí)間。各斷面地面沉降Peck公示擬合結(jié)果統(tǒng)計(jì)于表2。
圖6~8可見,所選取的3個(gè)斷面,WD17斷面地面沉降Peck公示擬合最好,其次為WD8,最差為WD12。結(jié)合圖3~5,WD12在切口到達(dá)前以及盾尾離開初期地面產(chǎn)生較大隆起;WD8在盾尾脫離時(shí)軸線一側(cè)約10m外產(chǎn)生較小隆起;而WD17斷面只在盾構(gòu)通過期間,地面出現(xiàn)微量隆起。
盾構(gòu)切口靠近監(jiān)測(cè)斷面時(shí),泥水壓力設(shè)定大于開挖面初始水土壓力時(shí),在附加應(yīng)力作用下,開挖面上前方土體上抬,進(jìn)而引起地面隆起;盾尾脫離監(jiān)測(cè)斷面初期,同步注漿壓力較大時(shí),同樣會(huì)引起地面上抬。各監(jiān)測(cè)斷面地面沉降Peck公式擬合時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)切口壓力及同步注漿壓力作用下地面出現(xiàn)較大隆起時(shí),擬合情況較之于地面隆起小或者無隆起的斷面要差。地層損失沉降比較有規(guī)則,一般呈現(xiàn)正態(tài)分布曲線形式;而由于切口泥水壓力及同步注漿壓力引起的地面隆起較無規(guī)則,會(huì)使總沉降曲線偏離高斯曲線分布。
圖6 t=5d時(shí)WD8斷面實(shí)測(cè)沉降曲線及Peck公式擬合曲線
圖7 t=6d時(shí)WD12斷面實(shí)測(cè)沉降曲線及Peck公式擬合曲線
圖8 t=5d時(shí)WD17斷面實(shí)測(cè)沉降曲線及Peck公式擬合曲線
圖7可見,適當(dāng)提高切口泥水壓力及同步注漿壓力使地面出現(xiàn)微量隆起,可以抵消部分地層損失,降低地面總沉降量,并減少地面沉降范圍。但切口泥水和同步注漿壓力也不能設(shè)置過大,以避免較大的地面隆起危及地表及地下建(構(gòu))筑物的正常使用和安全。
表2可見,西線隧道各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面地面沉降槽寬度參數(shù)K取值比較集中,在0.25~0.32之間;而地層損失率V1的取值受施工參數(shù)控制影響離散性較大,取值在0.04%~0.33%之間。
對(duì)于隧道施工引起軸線上方地面沉降隨時(shí)間變化的預(yù)測(cè),很多學(xué)者進(jìn)行了研究[16-19]。Fang等[16]通過對(duì)Taipei MRT CH18B1隧道沉降觀測(cè)分析,提出采用雙曲線模型估算隧道軸線上方地面沉降隨時(shí)間的變化:
式中,S(t)為t時(shí)刻隧道軸線上方地面最大沉降量;t為盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面的時(shí)間(以盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面前1天算起);a、b為雙曲線常數(shù)。
魏綱等[16]通過對(duì)11個(gè)隧道工程實(shí)例分析發(fā)現(xiàn),上述雙曲線模型用于預(yù)測(cè)隧道工后沉降時(shí),精度較高。劉松樵[19]采用雙曲線模型對(duì)上海地鐵一號(hào)線及延安東路隧道盾構(gòu)盾尾離開后地面沉降曲線進(jìn)行擬合,效果較好。
然而雙曲線模型僅用于隧道施工引起的地面固結(jié)沉降的預(yù)測(cè),忽略了盾構(gòu)切口靠近時(shí)以及盾構(gòu)通過期間產(chǎn)生的地層損失沉降。
筆者在Fang提出的傳統(tǒng)雙曲線模型的基礎(chǔ)上,添加參數(shù)c,以考慮盾構(gòu)切口靠近時(shí)以及盾構(gòu)通過期間產(chǎn)生的地面位移,用修正后的雙曲線模型擬合該工程隧道軸線上方地面沉降隨時(shí)間變化曲線。修正后的雙曲線模型為:
式中:S(t)為t時(shí)刻隧道軸線上方地面最大沉降量,沉降記為負(fù)值,mm;t為盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面的時(shí)間,d;t=0時(shí),盾尾到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面;a為雙曲線常數(shù),表征盾尾脫離初期(t≤10d)地面沉降速度,a越大,盾尾脫離初期沉降速度越?。籦為雙曲線常數(shù),決定地面最終沉降量大小,b越小,最終沉降量越大;c為雙曲線常數(shù),盾構(gòu)切口到達(dá)前以及盾構(gòu)通過期間產(chǎn)生的地面位移。
圖9~10分別為WD7、WD10實(shí)測(cè)軸線地面沉降隨時(shí)間變化曲線用修正雙曲線模型擬合的情況。
圖9 WD7軸線地面沉降隨盾尾離開時(shí)間變化實(shí)測(cè)及擬合值
圖10 WD10軸線地面沉降隨盾尾離開時(shí)間變化實(shí)測(cè)及擬合值
使用修正后的雙曲線模型,對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面軸線地面沉降隨時(shí)間的變化曲線均可以較好地?cái)M合,且預(yù)測(cè)精度高于傳統(tǒng)的雙曲線模型。擬合結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3。
表3 西線隧道軸線地面沉降雙曲線模型擬合結(jié)果
各監(jiān)測(cè)斷面擬合公式,a取值范圍0.15~0.5mm-1·d,b取值0.014~0.035mm-1,c取值-14~3.3mm。
盾構(gòu)隧道施工引起的地面位移,根據(jù)盾構(gòu)與監(jiān)測(cè)斷面的相對(duì)位置以及形成機(jī)理,可分為4個(gè)階段:
1)切口到達(dá)前地面位移:當(dāng)切口壓力設(shè)置小于開挖面初始水土壓力時(shí),開挖面應(yīng)力松弛,引起切口上前方地面沉降;當(dāng)切口壓力設(shè)置大于開挖面初始水土壓力時(shí),附加應(yīng)力作用下會(huì)引起切口上前方地面隆起。合理的切口泥水壓力設(shè)置是控制該階段地面位移的關(guān)鍵。
2)盾構(gòu)通過時(shí)地面位移:良好的盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài),以減少盾構(gòu)機(jī)的俯仰、偏轉(zhuǎn)以及橫向偏移,減少超挖和減輕盾構(gòu)與周圍地層的摩擦、擠壓,可降低該階段地面沉降。
3)盾尾沉降:盾尾脫離監(jiān)測(cè)斷面時(shí),由于建筑空隙的產(chǎn)生,會(huì)引起較大的地層損失沉降。同步注漿及時(shí)充分地填充建筑空隙,可有效地降低盾尾沉降。本文取盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面0~5d或6d內(nèi)的沉降為盾尾沉降。
4)固結(jié)沉降:主要為盾構(gòu)施工擾動(dòng)土體固結(jié)沉降,除受到土層影響之外,施工擾動(dòng)的大小也是其重要的影響因素。本文取盾尾脫離5d或6d后的沉降為固結(jié)沉降。
以上4個(gè)階段沉降值分別記為S1、S2、S3、S4,對(duì)應(yīng)沉降速度記為V1、V2、V3、V4,地面總沉降量S=S1+S2+S3+S4,監(jiān)測(cè)周期內(nèi)總沉降速度記為V。各監(jiān)測(cè)斷面各階段軸線地面沉降值及占總沉降的比例統(tǒng)計(jì)于表4。
表4可見:
1)S1取值范圍-3.41~3.16mm,V1取值范圍-1.14~0.10mm/d,占總沉降的比例-12.01%~10.35%。該階段沉降主要受到切口泥水壓力設(shè)定的影響,由于各斷面切口泥水壓力設(shè)定的不同而表現(xiàn)出較大波動(dòng)。
2)S2取值范圍-1.87~5.66mm,V2取值范圍-0.79~2.83mm/d,占總沉降的比例-9.41%~18.72%。
3)WD11斷面同步注漿作用下地面出現(xiàn)較大隆起,WD12斷面受到盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)的影響,使得該兩個(gè)斷面地面沉降規(guī)律與其他斷面差別較大。在分析S3及S4取值時(shí)該兩個(gè)斷面不予考慮。S3取值范圍11.49~23.58mm,V3取值范圍2.18~5.90 mm/d,占總沉降的比例38.01%~64%,平均為57.27%。該階段沉降主要受到盾尾同步注漿影響。
4)S4取值范圍9.86~14.58mm,V4取值范圍0.31~0.86mm/d,占總沉降的比例36%~50.67%,平均為41.08%。
以上分析可見,對(duì)于該工程泥水盾構(gòu)施工引起的地面沉降,盾尾脫離初期(0~5/6d)盾尾沉降量和沉降速度最大,約為總沉降量的57.27%;盾構(gòu)切口到達(dá)前以及盾構(gòu)通過時(shí)的地面沉降,受切口壓力設(shè)定以及盾構(gòu)姿態(tài)控制波動(dòng)較大,位移值控制在±5 mm之內(nèi);后期固結(jié)沉降占總沉降的比例較大,約為41.08%。由于各斷面監(jiān)測(cè)時(shí)間有限,固結(jié)沉降在監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)仍繼續(xù)進(jìn)行,因此,其所占比例還會(huì)加大。由此可見,該工程泥水盾構(gòu)施工引起的地面沉降,大部分為盾尾沉降及擾動(dòng)土體長(zhǎng)期固結(jié)沉降,而盾構(gòu)穿越之前的位移相對(duì)較小,甚至起到抵消后續(xù)沉降的作用。
表4 西線隧道盾構(gòu)穿越不同階段軸線地面沉降
1)西線隧道盾構(gòu)施工引起的地面沉降可用Peck公式較好地?cái)M合,各監(jiān)測(cè)斷面地面沉降槽寬度參數(shù)K取值比較集中,在0.25~0.32之間;而地層損失率V1的取值受施工參數(shù)控制影響離散性較大,取值在0.04%~0.33%之間。
2)泥水盾構(gòu)在軟土地層中施工,大部分地面沉降為盾構(gòu)脫離0~5d或6d內(nèi)的盾尾沉降以及擾動(dòng)土體長(zhǎng)期固結(jié)沉降,分別約占總沉降量的57.27%和41.08%;盾尾脫離監(jiān)測(cè)斷面0~5d或6d期間,地面沉降速度最大。
3)適當(dāng)提高切口泥水壓力以及同步注漿壓力使地面出現(xiàn)微量隆起,可以抵消部分地層損失,降低地層損失率及地面沉降范圍,有利于沉降控制。
4)地層損失沉降比較有規(guī)則,符合高斯曲線分布形式;而由于切口泥水壓力及同步注漿作用引起的地面隆起較無規(guī)則,會(huì)使總沉降曲線偏離正態(tài)分布曲線。
5)引入新的參數(shù)c,以考慮盾構(gòu)切口靠近時(shí)以及盾構(gòu)通過期間產(chǎn)生的地面沉降的修正雙曲線模型,可以較精確地?cái)M合軸線地面沉降隨盾尾離開時(shí)間的變化曲線,可用于泥水盾構(gòu)軟土地區(qū)施工引起的長(zhǎng)期地面沉降的預(yù)測(cè)。
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