北京地區(qū)典型地層條件下盾構(gòu)始發(fā)對(duì)地表沉降的影響分析

岳楹沁 李輝

摘要：本文以北京地鐵7號(hào)線工程某盾構(gòu)區(qū)間為依托，運(yùn)用理論分析并結(jié)合工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)始發(fā)出洞后，即刻下穿鐵路專用線、廠房所引起的地表沉降進(jìn)行綜合分析，總結(jié)出盾構(gòu)整體始發(fā)、分體始發(fā)并下穿地面復(fù)雜環(huán)境對(duì)地表變形的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)始發(fā)；復(fù)雜環(huán)境；地表沉降

1前言

隨各城市地鐵網(wǎng)絡(luò)初具規(guī)模，越來越多新建地鐵車站不得不選在周邊環(huán)境復(fù)雜，地面建構(gòu)筑物密集區(qū)域，為避免車站暗挖大跨斷面施工的風(fēng)險(xiǎn)，仍采用明挖施工，而連接站點(diǎn)的區(qū)間常采用暗挖法施工，由于盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境影響較小而廣泛采用，因此復(fù)雜地面環(huán)境下，盾構(gòu)始發(fā)出洞就須下穿重要建構(gòu)筑物，極易引起地面沉降[1][3]，帶來風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2地面沉降實(shí)測(cè)分析

2.1區(qū)間概況

北京地鐵7號(hào)線工程某盾構(gòu)區(qū)間位于朝陽區(qū)東四環(huán)外，區(qū)間全長(zhǎng)955m。采用一臺(tái)海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)管片外徑6m，內(nèi)徑5.4m，每環(huán)管片長(zhǎng)1.2m，厚0.3m，先推進(jìn)右線，轉(zhuǎn)場(chǎng)后繼續(xù)推進(jìn)左線，左右線分別從車站西端盾構(gòu)井始發(fā)，右線受盾構(gòu)井東側(cè)結(jié)構(gòu)施工的影響，采用分體始發(fā)，左線施工時(shí)盾構(gòu)井東側(cè)結(jié)構(gòu)施工已完成，故采用整體始發(fā)。盾構(gòu)始發(fā)段100m范圍內(nèi)，需下穿鐵路專用線（距離始發(fā)端5.9m）、兆豐陶瓷廠（距離始發(fā)端20m），隧道拱頂埋深11m～12m，線路縱坡10.9‰，盾構(gòu)推進(jìn)方向?yàn)橄缕?，在平面上位于直線段，盾構(gòu)始發(fā)段與鐵路及廠房關(guān)系如圖1

圖1 下穿段平面示意圖

隧道穿越段自上而下土層分別為①粉土素填土；③粉土； ③3粉細(xì)砂；③粉土； ③1粉質(zhì)粘土；④3粉細(xì)砂；⑥2粉土，洞身均位于④3粉細(xì)砂層中，如圖2

圖2下穿段縱斷面圖

2.2線路加固方案

盾構(gòu)始發(fā)前采用旋噴樁、袖閥管對(duì)周邊地層進(jìn)行加固，加固區(qū)分兩部分，一為起限制隔離作用（旋噴加固區(qū)），一為增加線路上方土體承載力及抵抗變形能力（斜孔注漿加固區(qū)）。

圖3線路加固剖面圖

2.3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方案

本次監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如下：

鐵路路基沉降測(cè)點(diǎn)：垂直盾構(gòu)掘進(jìn)方向設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共32個(gè)測(cè)點(diǎn)。

地表沉降點(diǎn)：沿盾構(gòu)推進(jìn)方向每30m設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

廠房基礎(chǔ)沉降測(cè)點(diǎn)：沿廠房每20m設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。（圖4）

圖4 測(cè)點(diǎn)平面圖

2.4盾構(gòu)始發(fā)地面沉降變形分析

（1）盾構(gòu)右線分體始發(fā)沉降分析

本工程右線施工受場(chǎng)地影響，盾構(gòu)采用分體始發(fā)，于2012年11月26日開始掘進(jìn)，分體始發(fā)掘進(jìn)共85m，先后下穿鐵路專用線、廠房，于廠房西側(cè)空地內(nèi)盾構(gòu)后配套全部下井開始整體始發(fā)（12月10日），分體始發(fā)到整體始發(fā)共歷時(shí)15天。

A11點(diǎn)為土體加固區(qū)地表沉降測(cè)點(diǎn)，盾構(gòu)施工前該部分土體已完成加固，受土體改良影響地表沉降明顯得到抑制，最大沉降值約4.39mm，并于12月10日盾構(gòu)整體始發(fā)后趨于穩(wěn)定。J14、J11、J08、J05為沿線地表測(cè)點(diǎn)，11月26日至12月8日，沉降發(fā)展較快，12月9日出現(xiàn)地表最大沉降值14.23mm（J05點(diǎn)），之后沉降基本穩(wěn)定，見圖5

圖5右線地表沉降

（2）盾構(gòu)左線整體始發(fā)沉降分析

本工程左線施工時(shí)已具備盾構(gòu)下井條件，故采用整體始發(fā)于2013年4月2日開始掘進(jìn)，穿越鐵路專用線、廠房段共歷時(shí)10天于4月12日到達(dá)右線整體始發(fā)位置。

A06點(diǎn)為土體加固區(qū)地表沉降測(cè)點(diǎn)，盾構(gòu)施工前該部分土體已完成加固，受土體改良影響地表沉降明顯得到抑制，最大沉降值約3.11mm。J16、J10、J07、J03為沿線地表測(cè)點(diǎn)，4月2日至4月12日沉降發(fā)展較快，4月14日出現(xiàn)地表最大沉降值17.9mm（J03點(diǎn)），之后各點(diǎn)沉降基本穩(wěn)定，見圖6

圖6左線地表沉降

3地面沉降模擬計(jì)算分析

模擬中建立隧道實(shí)體模型。開挖中通過對(duì)各單元網(wǎng)格鈍化，來模擬盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。在每個(gè)掌子面開挖前施加均勻壓力，來模擬盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)壓力。對(duì)注漿模擬，計(jì)算中引入等代層概念[2]，模擬盾尾注漿。通過對(duì)等代層實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義等代層注漿材料特性。計(jì)算中激活全部土體，添加自重荷載，作為計(jì)算模型初始狀態(tài)。隨后盾構(gòu)隧道開挖面施加掘進(jìn)壓力，模擬盾構(gòu)機(jī)頂推力，鈍化開挖范圍內(nèi)土單元及注漿單元，同時(shí)激活同一位置襯砌單元。對(duì)盾構(gòu)整體始發(fā)與分體始發(fā)模擬，主要通過調(diào)整單位時(shí)間內(nèi)開挖進(jìn)尺長(zhǎng)度的辦法，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同始發(fā)狀態(tài)下盾構(gòu)掘進(jìn)所引起圍巖變形趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

圍巖變形分豎向變形與橫向變形兩種，豎向變形主要考慮拱頂變形和地表變形兩種情況，拱頂變形過大會(huì)使支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大和影響圍巖穩(wěn)定性，而地表沉降則是對(duì)地表環(huán)境產(chǎn)生影響。

4結(jié)論與建議

通過施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬，分析盾構(gòu)始發(fā)段地表沉降規(guī)律及圍巖位移分布變化情況，得結(jié)論及建議如下：

（1）始發(fā)段地基加固至關(guān)重要，盾構(gòu)洞門打開后能防止洞口掌子面坍塌以及掘進(jìn)過程中的水土流失，從而有效的抑制地表沉降；（2）始發(fā)段臨近建構(gòu)筑物，合理的土層加固措施，對(duì)于變形控制具有較明顯的效果；（3）盾構(gòu)整體始發(fā)與分體始發(fā)對(duì)于地表沉降的影響主要在于施工中的過程控制，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示分體始發(fā)時(shí)的地表沉降略大于整體始發(fā)階段；（4）從地表沉降的發(fā)展趨勢(shì)看，砂質(zhì)粉土地層沉降主要產(chǎn)生于施工過程中，地面沉降從產(chǎn)生到穩(wěn)定的時(shí)間較短（10～15d），盾尾脫出后6～8天沉降基本呈穩(wěn)定趨勢(shì)，后期沉降變化非常小。結(jié)果表明在砂質(zhì)粉土地層中施工引起的短期沉降量較大，長(zhǎng)期固結(jié)沉降量較小。

參考文獻(xiàn)

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