盾構施工安全穿越祿口機場復合地層段的數值模擬與監(jiān)測分析

陳秋鑫,李俊才,劉光臣,劉 松

(1.南京工業(yè)大學交通學院,南京 210009;2.南京市浦口新城開發(fā)建設指揮部,南京 210000; 3.南京南大巖土工程技術有限公司,南京 210012)

盾構施工安全穿越祿口機場復合地層段的數值模擬與監(jiān)測分析

陳秋鑫1,李俊才1,劉光臣2,劉 松3

(1.南京工業(yè)大學交通學院,南京 210009;2.南京市浦口新城開發(fā)建設指揮部,南京 210000; 3.南京南大巖土工程技術有限公司,南京 210012)

盾構施工過程中由于土體挖除、管片和二襯設置,將在穿越過程引起機場滑行道和停機坪沉降或隆起,對機場正常運營產生不利影響;通過優(yōu)化盾構機施工參數,從而降低盾構下穿過程中對機場的不利影響?；贏BAQUS有限元法,建立南京至高淳城際快軌下穿祿口機場復合地層段的有限元模型,分析盾構法施工引起的機場停機坪及滑行道變形特征,最終沉降最大值約為11 mm,最大隆起值約為2 mm,同時得到盾構施工工作參數。對比實際施工監(jiān)測數據,針對施工風險提出更安全的盾構施工參數。

盾構施工;機場滑行道及停機坪;復合地層;數值計算;變形規(guī)律

南京至高淳城際快速軌道南京南站至祿口機場段工程1號盾構井—祿口機場站區(qū)間下穿祿口機場滑行道及停機坪段,隧道大致呈西南至東北走向。鑒于滑行道及停機坪正常運營的重要性,機場管理單位提出不停航施工的要求。根據飛機正?；袑νC坪平整性的嚴格要求,本工程的監(jiān)測項目包括滑行道與停機坪沉降及差異沉降等方面。祿口機場段分為全斷面巖層段和上軟、下硬復合地層段,主要以復合地層段為主體進行分析研究。

本文在施工前通過數值模擬手段進行施工風險分析,并對實際施工提出建議與參數優(yōu)化,最后進行現場實施并對其效果進行相應對比分析。

1 工程概況

1.1 工程簡介

祿口機場站—祿口新城南站區(qū)間1號盾構井—祿口機場段采用盾構法施工,從1號井始發(fā)后,推行約1 500 m后,進入機場,隧道下穿祿口機場滑行道及停機坪后,進入祿口機場站,隧道下穿機場位置如圖1所示。穿越機場段起訖點里程為YDK0+671.00～YDK1+041.877,長約371 m,對應推進環(huán)1 360～1 660環(huán),穿越段地下無管線。下穿機場段地貌單元主要為崗地,機場穿越段覆土厚度為5.78～11.0 m,左右線間距約10 m。盾構穿越祿口機場滑行道、停機坪所涉及的巖土層分兩個區(qū)段,即全斷面巖層段和上軟、下硬復合地層段,復合地層段長約181.2 m。鑒于機場保護要求,補勘地層斷面如圖2所示。

圖1 隧道所處平面位置

圖2 地層剖面

1.2 工程地質水文條件

隧道結構全斷面巖層段主要穿越的巖層為J31-3中風化安山巖;上軟、下硬復合段主要穿越的巖土層為:頂部②-1b2粉質黏土、中部④-1b1粉質黏土、④-1c1粉土、底部J31-1全風化安山巖、J31-2強風化安山巖、局部有J31-3中風化安山巖。場址區(qū)地下水主要為孔隙潛水及基巖裂隙水,其中孔隙潛水主要賦存于①-2素填土、③層粉質黏土中。填土層結構松散,厚度不均,富水性一般,透水性較弱。③層黏性土,富水性差、透水性差。穿越巖土層的主要物理力學性質如表1所示。

表1 巖土層主要物理力學指標

祿口機場停機坪、滑行道采用相同的道面結構,上部為40 cm厚水泥混凝土+2 cm厚石屑粉找平層+ 18 cm厚二灰碎石,下部為拋石回填,混凝土等級為C40以上。機場停機坪和滑行道均設置伸縮縫,長、寬方向各4.9 m布置1道。

1.3 施工概況

穿越機場區(qū)間采用2臺日產奧村φ6 450 mm土壓平衡&TBM雙模式盾構機擔任施工生產,穿越機場期間在上軟、下硬復合地層段采用土壓平衡模式施工。

(1)盾構機質量約400 t,刀盤直徑6.45 m,總推力40 000 kN,單位面積的設備推力1 224 kN/m2,盾構機的長度為9.95 m,額定扭矩大于2 250 kN·m,額定推力12 500 kN,各區(qū)域推進千斤頂最大伸長量相等。

(2)盾構機刀盤為面板式,開口率36%,配備41把滾刀。

(3)螺旋輸送機配備了2道防水閘門,土倉內裝有4個土壓計,刀盤上有6個添加劑入口。

(4)盾尾設止水封3道。

(5)盾構機切削外徑與管片外徑之間距離為70 mm,盾構隧道支護結構采用裝配式管片襯砌,材料為C50鋼筋混凝土。每環(huán)預制管片環(huán)寬1.20 m,由6塊350 mm厚的環(huán)形預制鋼筋混凝土管片組裝而成: 1塊封頂塊(22.5°)、3塊標準塊(67.5°)和2塊鄰接塊(67.5°),組成圓形隧道。管片襯砌采用錯縫拼裝,管片之間連接采用高強度螺栓,螺栓孔部位以遇水膨脹橡膠密封圈防止地下水的滲漏,抗?jié)B等級為P10。為控制地面沉降,盾尾建筑空隙以注漿回填。

2 數值計算分析

數值計算分析主要針對盾構推進過程當中的注漿壓力、注漿量、土倉壓力以及上覆土等各種控制參數進行分析而優(yōu)化,從而減小盾構隧道施工對上部構筑物的影響并調整施工參數。此處采用ABAQUS軟件對這一隧道施工進行模擬。

2.1 計算模型

本文選取典型斷面進行模擬分析,根據隧道開挖面尺寸大小,分別設定模型邊界。模型側面設置水平位移約束,底部設置垂直位移約束,上部為自由邊界。

模型尺寸的掘進段平均覆土厚度為10.50 m,隧道所穿過的土層為上軟、下硬的混合土層,隧道頂部向下2 m為粉土,2 m以下為安山巖。盾構機盾殼直徑Φ=6.45 m,隧道內徑為6.20 m,管片厚度為0.35 m,如圖3所示。整體模型高30 m,寬60 m,縱向長度為60 m。有限元整體模型如圖4所示。

圖3 管片示意

圖4 模型示意

計算采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)本構模型。土層與材料力學參數見表2。

表2 土層與材料的力學參數

盾構的推進過程中開挖面壓力為1.0 bar (0.10 MPa)施加在開挖面上,盾尾注漿壓力為3.0 bar (0.30 MPa)分4孔分別施加于注漿層與管片和土體接觸縫隙中。

2.2 計算結果分析

模擬施工階段顯示,縱向沉降槽整體隨著盾構機的前行不斷下沉,開挖面前方的隆起區(qū)、開挖面后方縱向沉降槽隨開挖面前進而向前移動擴展[11-12]。

橫向沉降槽變化規(guī)律符合Peck經驗公式的正態(tài)分布規(guī)律;隨著盾構機推進,地表沉降是逐漸擴展增大的,橫向沉降槽不斷加深加寬,當刀盤距離觀察面較遠時,開挖引起沉降變形較小,當刀盤接近觀察面時,相鄰開挖步驟之間引起沉降變形較大。

當刀盤即將接近觀察面約5環(huán)左右時,觀察面地表會有輕微隆起,分析其原因,一是開挖面土體有土壓支護,令開挖面前地表在刀盤到達前有輕微隆起;二是前期工況設置為先開挖土體并激活盾殼,此時無管片與漿體支護,造成隧道底部土體的卸載回彈。模擬施工階段結果顯示,最大沉降值大約為11 mm;在盾構機刀盤前出現最大隆起值為2 mm。挖通隧道后云圖如圖5所示。

圖5 隧道貫通后沉降云圖

2.3 施工建議與參數優(yōu)化

盾構隧道施工應根據覆土厚度和地質資料等修正土壓力設置。嚴格控制出土量,保證不超挖;同時,在注漿過程中要控制注漿壓力取值為3 bar即0.3 MPa為宜;注漿量取值可為建筑縫隙的190%,數值為7 m3。

在盾構推進過程中,保障盾構正面變形良好,確保勻速推進,推進速度為25 mm/min。

管片的拼裝要及時迅速,縮短盾構停留時間,注意及時二次注漿[10]。

3 監(jiān)控測量

2條隧道先后進行下穿,右線先進行下穿施工,于2013年5月2日開始下穿機場,至2013年7月9日完成推進;左線于2013年5月21日開始下穿機場,至2013年7月26日順利推進完成。

3.1 監(jiān)測點布置

通常情況下,路面測點適宜以沿左、右線的中心線分別布設,能直接反映單洞掘進的沉降值[1]。以道路監(jiān)測布點的基本原則為基礎,考慮到機場滑行道和停機坪的特殊要求,在布設滑行道與停機坪沉降監(jiān)測點時,沿著機場線隧道前進方向每隔5環(huán)即6 m布置1個監(jiān)測斷面,每個斷面布置9～10個監(jiān)測點,同一斷面上相鄰監(jiān)測點間距6 m。

為了掌握盾構施工過程中道面的沉降變形情況,由于道路面上不能作監(jiān)測標志,故采用全站儀三維紅外掃描技術進行道路面全天候沉降監(jiān)測,同步定期采用人工幾何水準的方式進行對比監(jiān)測。自動化監(jiān)測利用“跳點法”,通過架設于機場圍界的高臺處的高等全站儀對機場內測點進行監(jiān)測。

為了人工比對測量的準確性,每個無棱鏡監(jiān)測點均做了明顯標識,方便人工比對照準。自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測總體趨勢相同,在施工過程中起到相互制約,雙保險的作用。人工測量所用標尺底部經過特殊加工起到尺墊作用,方便在測量時選定監(jiān)測點。

3.2 監(jiān)測頻率、周期

每個測點從盾構切口到達前30環(huán)(36 m)開始監(jiān)測,自動化監(jiān)測頻率為6次/d(即1次/4 h),速率偏大時加密到12次/d(即1次/2 h);人工監(jiān)測頻率為2次/d。

監(jiān)測工作從盾構施工開始前進行,直到沉降穩(wěn)定之后結束監(jiān)測。沉降穩(wěn)定標準為100 d的平均速率小于0.01～0.04 mm/d進行判斷[2]。

3.3 控制標準

機場滑行道和停機坪地面沉降以及差異沉降的預警值為5 mm和5/10 000;報警值分別為8 mm和8/10 000;控制值為10 mm[9]。

4 監(jiān)測結果分析與對比

4.1 巡視異常情況統(tǒng)計分析

施工監(jiān)測方和第三方監(jiān)測每日進行人工巡視,防止出現路面裂縫和冒漿等不良現象;在整個下穿過程中巡視情況均良好正常。

4.2 變形最大值統(tǒng)計分析

由統(tǒng)計結果可知,盾構隧道下穿機場左右線沉降均已超過控制值,由于報警及時,及時調整盾構機工作參數,未發(fā)生安全事故。左線沉降量最大為1 530環(huán)處(軟硬交接處后約20 m處),沉降量為12.3 mm;而由于右線先行施工,受左線二次施工的影響,右線地表沉降量最大為1 550環(huán)處(軟硬交接處后約30 m處),沉降量為13.8 mm,略大于左線最大地表沉降值12.3 mm。

4.3 監(jiān)測數據分析及其與有限元計算對比

(1)復合地層段沉降

復合地層段[8]沉降典型斷面曲線見圖6。

由圖6可知,盾構隧道開挖影響范圍約為兩隧道中線外16 m。在穿越該斷面時,出土量有所增大,所以沉降量有所增大,后及時調整盾構機工作參數,增大注漿量,及時補漿,沉降量得到很好控制。該復合地層段為上軟、下硬地層,相比較全斷面巖層,沉降量有所增加,但總體沉降趨勢相近。選取的典型斷面中,最終最大地表沉降值為12.8 mm。在復合地層段采用土壓平衡模式推進,相比較全斷面巖層,復合地層穩(wěn)定性稍差,相應的地層損失較大[6- 7]。

圖6 復合地層段典型斷面沉降

(2)典型監(jiān)測點監(jiān)測曲線與有限元計算對比

本文選取隧道開挖變形敏感區(qū)域典型監(jiān)測點(位于軟硬交界面后10環(huán),即1 560環(huán)處)與有限元計算進行分析對比,其結果如圖7所示。

圖7 對比計算示意

由圖7可知,監(jiān)測數值與有限元計算值整體趨勢相近。隨著盾構開挖進行,典型監(jiān)測點監(jiān)測值與有限元計算值均呈現出“輕微影響階段—快速沉降—緩慢沉降—趨于穩(wěn)定—穩(wěn)定”的變化規(guī)律。此次模擬計算結果與實際工程相符,模擬計算為后續(xù)隧道施工提供了很好地指導作用。與此同時,圖中時間進行到2× 106s時,此時盾構機機頭穿越了被測斷面約6 m,土層逐漸增厚,盾構機所穿巖層變薄,施工引起的沉降量逐漸增大;然后支護壓力和注漿壓力分別由原來的0.1 MPa和0.3 MPa提升到0.13 MPa和0.33 MPa,增大盾構機推力,沉降速率得到很好的控制,該點的最終沉降量控制在良好范圍內。

(3)監(jiān)測點沉降隨施工推進變化規(guī)律

盾構隧道下穿機場復合地層段過程中,機場停機坪及滑行道一般經歷了“輕微影響階段—快速沉降—緩慢沉降—趨于穩(wěn)定—穩(wěn)定”的變形過程[3- 4]。

①輕微影響階段:在盾構機機頭距被測斷面約30 m時產生影響,此時盾構機土壓力為0.1 MPa,注漿壓力為0.3 MPa,同步注漿量為7.0 m3;此過程中,被測面先有輕微隆起,然后進入沉降階段。由圖6可知,此階段沉降量為4.0～5.0 mm。

②快速沉降階段:該階段發(fā)生在盾構機機尾穿越了被測斷面的3 d內,尤其是盾尾穿越的第1天,發(fā)生的最大日變量約2 mm/d。該階段沉降量為最終沉降量的主要構成部分,在此階段,由于盾構所穿巖土層變厚,巖層變薄,盾構機施工參數進行相應調整,土壓和注漿壓力均增大0.03 MPa,相應的盾構機的推力和推進速度都有所增大,由圖6可知,此階段沉降累積量達到約9.5 mm。

③緩慢沉降階段:該階段發(fā)生在盾尾穿越被測斷面約40 m處,被測斷面的沉降量明顯減小。

④趨于穩(wěn)定階段:此階段發(fā)生在盾尾穿越被測斷面50 m處,沉降量逐漸變小并趨于穩(wěn)定。沉降量達到最終沉降量的95%。

⑤穩(wěn)定階段:最終沉降到達穩(wěn)定階段,最終值為-12.8 mm。

掘進剛開始階段,盾構機的推力為1 000 kN/m2,土壓力設置為0.1 MPa,注漿壓力為0.3 MPa,同步注漿量為7.0 m3,掘進速度為20 mm/min,沉降量控制良好;掘進過程中,所穿復合地層段土層增厚,巖層變薄,沉降量有所增加,故增大盾構機推力為1 300 kN/m2,增大土壓力設置為0.13 MPa,增大注漿壓力為0.33 MPa,掘進速度增大為25 mm/min。通過改變盾構機的施工參數,沉降量得到良好的控制。

由于右線先行施工,左線后施工,所以右隧道中線上方測點達到穩(wěn)定所需時間小于左線上方測點到達穩(wěn)定所需時間。右隧道下穿滑行道和停機坪時,未受過擾動土體自穩(wěn)性較好,經過快速沉降階段后達到穩(wěn)定階段時間較短。而左隧道下穿時,滑行道和停機坪下方土體已經受到右隧道施工的擾動,所以沉降需要穩(wěn)定的時間相對較長。

5 信息化施工

工程中施工方和第三方監(jiān)測以信息化施工為要求,起到信息收集整理分析從而發(fā)布的關鍵紐帶作用,保證了信息傳輸的及時與暢通。監(jiān)測報表分為日報和周報,傳輸手段以電子郵件、短訊、電話為主。另外,每天還有固定人員負責監(jiān)測報表的上傳整理工作,將監(jiān)測報表匯總上傳至固定平臺,從而進行各方面統(tǒng)計分析[5]。

通過各方面的積極努力配合,祿口機場滑行道及停機坪變形得以有效控制,實現了下穿機場滑行道及停機坪的不停航施工。盾構隧道施工過程中曾出現過沉降速率過大、出土量突然增多等現象,經分析上述異常情況發(fā)現,由于所穿復合地層土層增厚、巖層變薄,盾構機的土壓和同步注漿壓力均偏小導致。經反饋至各方并及時調整參數,異常情況均得到及時處理。

6 結語

在參建各方的積極努力之下,南京至高淳城際快速軌道南京南站至祿口機場段工程1號盾構井—祿口機場站區(qū)間下穿祿口機場滑行道及停機坪區(qū)域復合地層段不停航施工順利完成,南京祿口機場未受影響。在盾構隧道施工過程中,及時發(fā)現并反饋安全隱患,施工參數進行相應調整,工程施工安全得以保障。

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Numerical Simulation and Monitoring Analysis of Shield Construction Passing Through Complex Stratum in Lukou Airport

Chen Qiuxin1,Li Juncai1,Liu Guangchen2,Liu Song3
(1.College of Transportation Science&Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China; 2.Nanjing Pukou Metro Development and Construction Headquarters,Nanjing 210000,China; 3.Nanjing NanDa Geotechnical Engineering Co.,Ltd.,Nanjing 210009,China)

Due to soil excavation,pipe segment and secondary-lining setting-up,settlement or upheaval of taxiway and parking apron in the airport is likely to be induced especially during the time when shield machine is passing through under the airport,which adversely affects the normal operation of the airport. In this paper,shield construction parameters are adjusted to reduce the adverse effects towards the parking apron and the taxiway.Finite element model of intercity fast track between Nanjing and Gaochun passing through the complex stratum where the Lukou airport is located is established with ABAQUS software.The deformation of the parking apron and the taxiway caused by the construction is analyzed and the data show that the max sedimentation value is 11mm,while the max uplift value is 2mm.Meanwhile, operating parameters of the construction are obtained.Compared with the actual monitoring data,some safer shield construction parameters are recommended against construction risks.

Shield construction;Taxiway and parking apron of the airport;Complex strata;Numerical calculation;Deformation law

U455.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.023

1004-2954(2014)12-0094-05

2014-03-20;

2014-04-18

國家自然基金資助項目(NSFC41272302);國家青年科學基金(41102178)

陳秋鑫(1989—),男,碩士研究生,E-mail:cyf710826@ sina.com。