軟土地區雙圓盾構施工引起的地表沉降分析摘 要:與單圓盾構工法相比,雙圓盾構工法有其獨特的施工技術要求,其影響地表沉降的因素更為復雜。根據上海軌道交通六號線雙圓盾構區間段地表沉降實測數據的統計分析,總結了地表沉降槽的形態特征,提出了沉降槽寬度范圍的估算公式。結合雙圓盾構區間段的工程實踐,進一步探討了與地表沉降相關的雙圓盾構施工參數的取值問題。關鍵詞:雙圓盾構;沉降槽;施工參數1 引言 近年來,雙圓盾構施工技術開始引入我國,并已成功應用于上海軌道交通楊浦線和六號線的建設。與單圓盾構施工雙線隧道相比,雙圓盾構具有許多優勢,它能夠一次完成雙線隧道,施工速度快,土方挖掘量少,隧道斷面面積利用率高。雙圓盾構正逐漸成為地鐵隧道、道路隧道等地下工程施工的主流形式。 盾構施工引起的地表沉降是施工環境保護的一個重要問題,特別是在樓群密集區域建設的城市軌道交通,對地表沉降有嚴格的控制標準。對于單圓盾構工法的地表沉降機理、沉降槽形式和沉降預測等理論,國內外專家已做了較多的研究[1,2],但是對于雙圓盾構工法引起的地表沉降尚缺乏足夠的認識,探索雙圓盾構工法的地表沉降規律有其必要性。本文針對上海軌道交通六號線雙圓盾構區間隧道工程,通過對現場沉降監測結果的統計分析,得出雙圓盾構工法的地表沉降規律,并探討了軟土地層中雙圓盾構施工參數與地表沉降的關系,為后續工程積累經驗。2 工程概況 上海軌道交通六號線雙圓隧道的單圓外徑為6300mm,隧道襯砌每環寬1200mm,在兩個單圓相交處采用海鷗塊管片拼裝。隧道覆土厚度為6.5~11.2m,掘進所在地層主要為砂質粉土夾粉質粘土、淤泥質粉質粘土和灰色淤泥質粘土,上覆土主要有雜填土和粉質粘土。 施工采用條幅式土壓平衡雙圓盾構機,如圖1所示,單圓外徑6520mm,兩圓圓心距4600mm,切削面積58.37m2。在長度方向上,雙圓盾構機由切口環、支承環和盾尾三個部分組成,總長7145mm,可進行轉彎半徑300m以上的曲線隧道推進。
在現場布置平行于盾構中心線的沉降監測點和垂直于盾構中心線的沉降監測點。平行于盾構中心線的沉降監測點一般情況下布設三條,分別位于雙圓盾構上行線、中軸線和下行線的正上方,每隔5環(6m)設一個測點。另外,以30環(36m)為間隔在原來三個測點的基礎上,垂直于盾構中心線方向左右各增設三個測點,到盾構中軸線的距離分別為4.3m、8.3m和15.3m。由于地表為具有結構剛度的鋼筋混凝土路面,其變形不能反映土層的真實變位,因此,測點都設置在地表以下約0.5m處。監測測量按二等水準的要求進行。3 監測數據分析3.1 橫向沉降槽分析 通過對橫向監測斷面的分析,提出對雙圓盾構地面沉降曲線形態規律的幾點認識: (1)地表沉降量較大的區域在中軸線兩邊15m左右,離軸線15.3m的測點沉降量最大可達10mm。假設沉降影響范圍符合土體主動滑裂面所對應的區域,對地層均勻水平分布、覆土厚度在10m左右的直線隧道段進行總結,提出雙圓盾構工法的地表沉降橫向影響范圍S的估算公式: 其中,αi為第i層土沉降影響面與水平面的夾角, 在粘土層中α=45°+φ/2,在富水砂性土層中α=φ/3;φ為土層內摩擦角(φ1,2,3=30°,35°,11°);hi為第i層覆土厚度(h1,2,3=2,8,5.56m);R為盾構機單圓外半徑(R=6.52m);L為圓心距(L=4.6m);S為橫向沉降影響范圍(S=54m),見圖2。 計算值S比實測沉降范圍(42~48m)稍大,但從環境保護的角度來說,該經驗公式是較為安全的。 (2) 雙圓盾構橫向沉降槽的形態可歸納為兩種:U形和V形。 U形沉降槽在盾構機寬度范圍內的沉降量明顯大于稍遠處的沉降量,曲線在拐點處變化較快,槽底平坦;而V形沉降槽的曲線斜率變化平緩,類似于單圓盾構工法的沉降槽形狀。兩種典型形態見圖3。U、V形沉降槽的反彎點較為一致,實測反彎點離中軸線7~8m,位于盾構開挖邊界正上方附近。 分析認為,U形沉降槽是由于雙圓盾構的擠土作用和海鷗塊管片處的背土效應對上覆軟弱土層擾動加劇引起的。文獻[3]通過室內相似材料模擬試驗和現場觀測資料分析,發現在厚沖積層開挖條件下,沉降槽在拐點處具有較陡的曲線形態。本雙圓盾構隧道的上覆土層為淤泥質粘土,抗拉強度小,擠土與背土產生的拉應力易導致開挖空間上方土層的彎曲和裂縫,使土層的冒落加大。開挖空間邊界外地層的下沉主要受自重壓應力和土層彎曲拉應力的泊松效應影響,受盾構施工的影響略為偏小,故其下沉值也略小,形成的曲線平緩。在上覆雜填土層較厚,及上海地區二號土(褐黃—灰黃粉質粘土)缺失的地質條件下,往往出現V形沉降槽。 (3)如圖4所示,沉降槽中心與盾構中心不能較好地吻合,存在偏心現象,最大沉降量一般出現在中軸線和上行線之間。 沉降槽偏心有兩方面原因:一方面是盾構機帶鋸齒的刀盤表面與土層間粘附所造成的引拉作用;另一方面,局部地段土層的不均勻和背斜、向斜構造在一定程度上也造成沉降槽的不對稱分布。 (4)共獲得36個地表橫向沉降全斷面監測數據,實測負地層損失率范圍為0~0.26%,地表隆起值一般小于5mm,均能滿足10mm的隆起控制標準,地層損失率范圍為0.46%~1.35%。地層損失率的計算方法是橫向沉降槽與X軸所圍面積和盾構切削面積的比值。 取上、下行線和中軸線上沉降較大者為最大沉降量,剔除掉盾構進出洞(存在加固區影響)和試推段斷面,共對117個斷面最大沉降量進行統計分析。取地表最大沉降量為隨機變量X,假設X~N(μ,σ2),樣本總數n=117。 經計算,總體均值μ=32.53,總體標準差σ=10.78,故Χ~Ν(32.53,10.78),沉降小于50mm的概率P{X≤50}=0.948。 根據統計資料,當前雙圓盾構施工工藝條件下,若將上海軟土地區地表沉降控制在50mm時有94.8%的保證率;若要提高地表沉降控制標準比如沉降30mm,還需要優化盾構施工參數,并借助二次注漿等輔助手段。3.2 縱向沉降槽分析 上、下行線和中軸線的縱向沉降曲線基本一致。從圖6可看到,距離盾構刀盤前方24m以外的土體未產生變形。在盾構刀盤前方H~24m范圍里(H為上覆土厚度),地表出現隆起,隨著盾構機的推進,地表沉降發展較快,沉降速率大。當盾構機頭穿過測點,并離開測點約20~25m后,沉降速率逐漸減小,沉降發展緩慢。4 優化施工參數控制地面沉降 影響雙圓盾構隧道地表沉降的施工參數主要有土倉壓力、推進速度、出土量、同步注漿壓力、注漿量和注漿開始時間。另外,其他一些施工參數如盾構姿態和坡度、仿形刀超挖量、管片拼裝質量等也對地面變形產生一定的影響。4.1 土倉壓力 土倉壓力、推進速度與出土量是相關的施工參數,若較好地匹配三者的關系,能有效減少盾構的偏移和旋轉[4],減小盾構推進對地表沉降的影響。雙圓盾構機兩側螺旋輸送機的轉速和開口率是相互獨立的,由隔倉板上的土壓力計反饋迎面土壓力值,通過調整左右螺旋機的出土量來控制土倉壓力,維持開挖面土壓平衡。土壓上限為被動土壓和水壓之和,下限為主動土壓和水壓之和。 推進速度為10~50mm/min,正常的推進速度為30mm/min。推進過快,正面土體受壓隆起大;推進過慢,易產生嚴重的叩頭現象,造成盾構在高程上偏離設計軸線。4.2 同步注漿 管片脫出盾尾后,在管片與土體之間將產生建筑空隙。若注漿不及時,土體很快就塌落到建筑空隙里去,沉降量可達12mm左右。因此,同步注漿是控制地表沉降的重要手段之一。 施工采用雙液漿(A液:水泥+膨潤土+穩定劑;B液:水玻璃)。漿液具有初凝快,混合后一小時的抗壓強度可達到0.06~1MPa。 一般情況下,雙液漿的注漿壓力設定值為0.3MPa。在土質較硬時,注漿壓力在0.3~0.5MPa;在土質較軟時,注漿壓力在0.2~0.3MPa左右。注漿壓力不宜過高,否則會對地層產生較大的擾動,增加后期沉降,還會使管片螺栓發生塑流,甚至損壞管片。 注漿采用注漿量控制方式。注漿充填率一般在150%左右,注漿充填率為實際注漿量與建筑空隙體積的比值,本工程理論注漿量為4.02m3,實際注漿量約為6m3。4.3 盾構姿態與管片拼裝 雙圓盾構不能發生左右偏轉現象。理論上有多種糾偏方法,如利用千斤頂推力的分力、仿形刀超挖等,但為了減少對地表沉降的不利影響,施工中往往采用單側壓重和調節左右出土量來產生糾偏的扭矩。 管片采用錯縫拼裝工藝,使隧道結構縱向、橫向的整體剛度有所提高,有助于減小縱向不均勻沉降。拼裝順序是先下后上,左、右同步進行,最后安裝立柱,封閉成環。拼裝力求保持兩圓的真圓度,若橢圓度控制不利,會造成額外的地表沉陷。5 結語 (1)雙圓盾構工法地表沉降槽有兩種典型形態,其中,U形沉降槽對應于軟弱淤泥質地層的情況;V形沉降槽對應于淤泥質地層較薄、上覆有較厚堅硬地層(如人工填土)的情況。 (2)考察所有已施工和正在施工的雙圓盾構工法隧道,在現有施工技術條件下,在上海軟松土地區的地表沉降可以較普遍地控制在+10mm~-50mm范圍。 (3)與單圓盾構相比,雙圓盾構的正面土壓力控制更為復雜,而且盾構機的偏轉對地表沉降影響較大,施工中應予以重視。 上海基礎公司和上海市政二公司為本文提供了地表沉降監測資料,在此向他們表示衷心的感謝!參考文獻:[1]JózsefMESCI.GrounddeformationsresultingfromshieldtunnelinginBudapest[C].Geotechnicalengineeringinsoftground,Shanghai:Tongjiuniversitypress.2001,138-141[2]劉建航,候學淵.盾構法隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1991[3]李永樹.地面沉陷災害預報與防治方法[M].北京:中國鐵道出版社.2001[4]宋博.地下隧道雙圓盾構施工技術研究[J].建筑施工,2004,Vol.26,No.2:150-152
在現場布置平行于盾構中心線的沉降監測點和垂直于盾構中心線的沉降監測點。平行于盾構中心線的沉降監測點一般情況下布設三條,分別位于雙圓盾構上行線、中軸線和下行線的正上方,每隔5環(6m)設一個測點。另外,以30環(36m)為間隔在原來三個測點的基礎上,垂直于盾構中心線方向左右各增設三個測點,到盾構中軸線的距離分別為4.3m、8.3m和15.3m。由于地表為具有結構剛度的鋼筋混凝土路面,其變形不能反映土層的真實變位,因此,測點都設置在地表以下約0.5m處。監測測量按二等水準的要求進行。3 監測數據分析3.1 橫向沉降槽分析 通過對橫向監測斷面的分析,提出對雙圓盾構地面沉降曲線形態規律的幾點認識: (1)地表沉降量較大的區域在中軸線兩邊15m左右,離軸線15.3m的測點沉降量最大可達10mm。假設沉降影響范圍符合土體主動滑裂面所對應的區域,對地層均勻水平分布、覆土厚度在10m左右的直線隧道段進行總結,提出雙圓盾構工法的地表沉降橫向影響范圍S的估算公式: 其中,αi為第i層土沉降影響面與水平面的夾角, 在粘土層中α=45°+φ/2,在富水砂性土層中α=φ/3;φ為土層內摩擦角(φ1,2,3=30°,35°,11°);hi為第i層覆土厚度(h1,2,3=2,8,5.56m);R為盾構機單圓外半徑(R=6.52m);L為圓心距(L=4.6m);S為橫向沉降影響范圍(S=54m),見圖2。 計算值S比實測沉降范圍(42~48m)稍大,但從環境保護的角度來說,該經驗公式是較為安全的。 (2) 雙圓盾構橫向沉降槽的形態可歸納為兩種:U形和V形。 U形沉降槽在盾構機寬度范圍內的沉降量明顯大于稍遠處的沉降量,曲線在拐點處變化較快,槽底平坦;而V形沉降槽的曲線斜率變化平緩,類似于單圓盾構工法的沉降槽形狀。兩種典型形態見圖3。U、V形沉降槽的反彎點較為一致,實測反彎點離中軸線7~8m,位于盾構開挖邊界正上方附近。 分析認為,U形沉降槽是由于雙圓盾構的擠土作用和海鷗塊管片處的背土效應對上覆軟弱土層擾動加劇引起的。文獻[3]通過室內相似材料模擬試驗和現場觀測資料分析,發現在厚沖積層開挖條件下,沉降槽在拐點處具有較陡的曲線形態。本雙圓盾構隧道的上覆土層為淤泥質粘土,抗拉強度小,擠土與背土產生的拉應力易導致開挖空間上方土層的彎曲和裂縫,使土層的冒落加大。開挖空間邊界外地層的下沉主要受自重壓應力和土層彎曲拉應力的泊松效應影響,受盾構施工的影響略為偏小,故其下沉值也略小,形成的曲線平緩。在上覆雜填土層較厚,及上海地區二號土(褐黃—灰黃粉質粘土)缺失的地質條件下,往往出現V形沉降槽。 (3)如圖4所示,沉降槽中心與盾構中心不能較好地吻合,存在偏心現象,最大沉降量一般出現在中軸線和上行線之間。 沉降槽偏心有兩方面原因:一方面是盾構機帶鋸齒的刀盤表面與土層間粘附所造成的引拉作用;另一方面,局部地段土層的不均勻和背斜、向斜構造在一定程度上也造成沉降槽的不對稱分布。 (4)共獲得36個地表橫向沉降全斷面監測數據,實測負地層損失率范圍為0~0.26%,地表隆起值一般小于5mm,均能滿足10mm的隆起控制標準,地層損失率范圍為0.46%~1.35%。地層損失率的計算方法是橫向沉降槽與X軸所圍面積和盾構切削面積的比值。 取上、下行線和中軸線上沉降較大者為最大沉降量,剔除掉盾構進出洞(存在加固區影響)和試推段斷面,共對117個斷面最大沉降量進行統計分析。取地表最大沉降量為隨機變量X,假設X~N(μ,σ2),樣本總數n=117。 經計算,總體均值μ=32.53,總體標準差σ=10.78,故Χ~Ν(32.53,10.78),沉降小于50mm的概率P{X≤50}=0.948。 根據統計資料,當前雙圓盾構施工工藝條件下,若將上海軟土地區地表沉降控制在50mm時有94.8%的保證率;若要提高地表沉降控制標準比如沉降30mm,還需要優化盾構施工參數,并借助二次注漿等輔助手段。3.2 縱向沉降槽分析 上、下行線和中軸線的縱向沉降曲線基本一致。從圖6可看到,距離盾構刀盤前方24m以外的土體未產生變形。在盾構刀盤前方H~24m范圍里(H為上覆土厚度),地表出現隆起,隨著盾構機的推進,地表沉降發展較快,沉降速率大。當盾構機頭穿過測點,并離開測點約20~25m后,沉降速率逐漸減小,沉降發展緩慢。4 優化施工參數控制地面沉降 影響雙圓盾構隧道地表沉降的施工參數主要有土倉壓力、推進速度、出土量、同步注漿壓力、注漿量和注漿開始時間。另外,其他一些施工參數如盾構姿態和坡度、仿形刀超挖量、管片拼裝質量等也對地面變形產生一定的影響。4.1 土倉壓力 土倉壓力、推進速度與出土量是相關的施工參數,若較好地匹配三者的關系,能有效減少盾構的偏移和旋轉[4],減小盾構推進對地表沉降的影響。雙圓盾構機兩側螺旋輸送機的轉速和開口率是相互獨立的,由隔倉板上的土壓力計反饋迎面土壓力值,通過調整左右螺旋機的出土量來控制土倉壓力,維持開挖面土壓平衡。土壓上限為被動土壓和水壓之和,下限為主動土壓和水壓之和。 推進速度為10~50mm/min,正常的推進速度為30mm/min。推進過快,正面土體受壓隆起大;推進過慢,易產生嚴重的叩頭現象,造成盾構在高程上偏離設計軸線。4.2 同步注漿 管片脫出盾尾后,在管片與土體之間將產生建筑空隙。若注漿不及時,土體很快就塌落到建筑空隙里去,沉降量可達12mm左右。因此,同步注漿是控制地表沉降的重要手段之一。 施工采用雙液漿(A液:水泥+膨潤土+穩定劑;B液:水玻璃)。漿液具有初凝快,混合后一小時的抗壓強度可達到0.06~1MPa。 一般情況下,雙液漿的注漿壓力設定值為0.3MPa。在土質較硬時,注漿壓力在0.3~0.5MPa;在土質較軟時,注漿壓力在0.2~0.3MPa左右。注漿壓力不宜過高,否則會對地層產生較大的擾動,增加后期沉降,還會使管片螺栓發生塑流,甚至損壞管片。 注漿采用注漿量控制方式。注漿充填率一般在150%左右,注漿充填率為實際注漿量與建筑空隙體積的比值,本工程理論注漿量為4.02m3,實際注漿量約為6m3。4.3 盾構姿態與管片拼裝 雙圓盾構不能發生左右偏轉現象。理論上有多種糾偏方法,如利用千斤頂推力的分力、仿形刀超挖等,但為了減少對地表沉降的不利影響,施工中往往采用單側壓重和調節左右出土量來產生糾偏的扭矩。 管片采用錯縫拼裝工藝,使隧道結構縱向、橫向的整體剛度有所提高,有助于減小縱向不均勻沉降。拼裝順序是先下后上,左、右同步進行,最后安裝立柱,封閉成環。拼裝力求保持兩圓的真圓度,若橢圓度控制不利,會造成額外的地表沉陷。5 結語 (1)雙圓盾構工法地表沉降槽有兩種典型形態,其中,U形沉降槽對應于軟弱淤泥質地層的情況;V形沉降槽對應于淤泥質地層較薄、上覆有較厚堅硬地層(如人工填土)的情況。 (2)考察所有已施工和正在施工的雙圓盾構工法隧道,在現有施工技術條件下,在上海軟松土地區的地表沉降可以較普遍地控制在+10mm~-50mm范圍。 (3)與單圓盾構相比,雙圓盾構的正面土壓力控制更為復雜,而且盾構機的偏轉對地表沉降影響較大,施工中應予以重視。 上海基礎公司和上海市政二公司為本文提供了地表沉降監測資料,在此向他們表示衷心的感謝!參考文獻:[1]JózsefMESCI.GrounddeformationsresultingfromshieldtunnelinginBudapest[C].Geotechnicalengineeringinsoftground,Shanghai:Tongjiuniversitypress.2001,138-141[2]劉建航,候學淵.盾構法隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1991[3]李永樹.地面沉陷災害預報與防治方法[M].北京:中國鐵道出版社.2001[4]宋博.地下隧道雙圓盾構施工技術研究[J].建筑施工,2004,Vol.26,No.2:150-152
