盾構(gòu)穿越沉降敏感區(qū)段的沉降監(jiān)測(cè)及分析

萬(wàn)宗祥， 董漢軍, 蒲訶夫

(1. 廣州市地下鐵道總公司建設(shè)事業(yè)總部, 廣東 廣州 510380;2. 中交集團(tuán)第二航務(wù)工程局有限公司, 湖北 武漢 430071;3. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

盾構(gòu)穿越既有地鐵線路、下穿淺基礎(chǔ)建筑或文物保護(hù)建筑等這類(lèi)對(duì)沉降要求非常敏感的區(qū)段，對(duì)沉降控制要求很高[1,2]。因此，盾構(gòu)掘進(jìn)施工前掌握不同地層的沉降規(guī)律，制定完善的施工控制措施，確保穿越區(qū)域地面沉降不超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)，顯得非常重要。

盾構(gòu)施工沉降實(shí)質(zhì)上是隧道施工引起的地層位移問(wèn)題。擾動(dòng)的影響范圍和程度取決于很多因素，包括盾構(gòu)型式、地層性質(zhì)、地下水位、隧道上部荷載、施工參數(shù)(如土倉(cāng)壓力、刀盤(pán)扭矩、推力、出土量、注漿量、注漿壓力、盾尾間隙等)、施工管理以及其他施工條件，其機(jī)理非常復(fù)雜[3～5]。

國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)隧道施工引起的地基變位問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。如Peck[6]公式系統(tǒng)地提出了地層損失的概念和估算隧道開(kāi)挖地表下沉的實(shí)用方法，后來(lái)很多學(xué)者對(duì)Peck公式中參數(shù)的取值進(jìn)行了大量研究，給出了很多經(jīng)驗(yàn)取值；日本在長(zhǎng)期的城市隧道施工中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，半谷通過(guò)整理58例實(shí)測(cè)資料，給出了預(yù)測(cè)地表最大沉降量的方法，他指出，在軟弱黏土的情況下，壓密沉降在總沉降中占相當(dāng)大的比重；藤田應(yīng)Peck要求，對(duì)軟弱地層隧道工程不同施工方法對(duì)地層的影響差別進(jìn)行研究。劉建航院士[7]提出了“負(fù)地層損失”的概念，并修正了Peck公式預(yù)測(cè)地表縱向沉降計(jì)算式。

從國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)于盾構(gòu)隧道施工引起的地表變形以及對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響的研究方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、模型試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法、數(shù)值計(jì)算法等[8～10]。研究主要集中在軟土地層，而硬巖地層由于盾構(gòu)開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定性好，盾尾脫出管片后及時(shí)進(jìn)行同步注漿充填，幾乎不會(huì)造成地面變形。對(duì)于復(fù)合地層，即上軟下硬地層的沉降變形規(guī)律研究則少見(jiàn)報(bào)道。復(fù)合地層是一種特殊的地質(zhì)，在工程上表現(xiàn)為高度的非均質(zhì)性，盾構(gòu)機(jī)在這類(lèi)地層中推進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)切削工作面土體，上部軟地層較易進(jìn)入密封土艙，而下部較硬巖體不易破碎，盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)較難控制，需要經(jīng)常變換盾構(gòu)施工模式，采用的施工工藝和施工參數(shù)也需要根據(jù)地層情況隨時(shí)調(diào)整。本文主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，介紹了復(fù)合地層中盾構(gòu)穿越沉降敏感區(qū)段的沉降規(guī)律，并對(duì)控制沉降的措施進(jìn)行了分析。

1 工程概況

廣州至佛山城際地鐵(菊樹(shù)站～西朗站)盾構(gòu)區(qū)間下穿廣州地鐵1號(hào)線，此段隧道頂部覆土厚約10～11 m，隧道覆土自上而下主要為(1)人工填砂、(2-1A)5～10 m厚淤泥，(6)全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、(7)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、(8)中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，隧道范圍內(nèi)頂部為厚1～2 m(2-1A)淤泥層，下部為(6)、(7)、(8)泥質(zhì)粉砂巖。隧道上部(2-1A)淤泥層標(biāo)貫擊數(shù)為1～2擊，下部(8)微風(fēng)化粗砂巖層強(qiáng)度約20 MPa，為典型的上軟下硬復(fù)合地層，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)和沉降控制較困難。左線隧道地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖1。

圖1 左線隧道地質(zhì)縱斷面

廣州地鐵1號(hào)線線路全長(zhǎng)18.497 km，其中地面線2.048 km，地下線路16.449 km，于1996年全線開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，以西南面西朗站為起點(diǎn)，到坑口站后轉(zhuǎn)入地下，穿珠江水下隧道至黃沙，途經(jīng)人口稠密、交通繁忙的市中心繁華地區(qū)，最后到達(dá)終點(diǎn)廣州東站。由于其位于人口稠密的商業(yè)區(qū)，因此要求盾構(gòu)施工必須對(duì)該線路地鐵影響很小。

根據(jù)地鐵1號(hào)線運(yùn)營(yíng)要求，盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越既有地鐵線路的施工變形控制標(biāo)準(zhǔn)按表1執(zhí)行，而《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50446-2008)確定的沉降標(biāo)準(zhǔn)為(+10 mm；-30 mm)[11]。因此，穿越地鐵1號(hào)線這一沉降敏感區(qū)段提出了超出規(guī)范要求的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。由于地鐵1號(hào)線運(yùn)營(yíng)繁忙，無(wú)法預(yù)先從地面對(duì)軌道下地基進(jìn)行土體加固，使得沉降控制更為困難。

表1 盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越既有地鐵線路施工控制標(biāo)準(zhǔn)

2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為確保地鐵1號(hào)線安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)軌行區(qū)長(zhǎng)度范圍進(jìn)行了密切監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括軌道沉隆、路基沉降、供電接觸網(wǎng)柱沉降及傾斜等，監(jiān)測(cè)頻率為每半小時(shí)一次。左線隧道測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。目的是通過(guò)監(jiān)測(cè)工作的實(shí)施，掌握穿越1號(hào)線過(guò)程中道床路基、軌道等的沉降情況，為掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整和地鐵運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供及時(shí)可靠的信息，確保地鐵1號(hào)線正常運(yùn)營(yíng)。

圖2 左線隧道沉降測(cè)點(diǎn)布置

3 沉降情況及沉降規(guī)律分析

3.1 沉降情況

盾構(gòu)穿越期間，沉降變形均在控制值之內(nèi)，變形最大點(diǎn)見(jiàn)表2，其中1、2、3號(hào)監(jiān)測(cè)斷面沉降量隨時(shí)間變化曲線如圖3～圖5所示。

表2 左線盾構(gòu)沉降變形最大值統(tǒng)計(jì)

圖3 1號(hào)監(jiān)測(cè)斷面沉降量隨時(shí)間變化曲線

圖4 2號(hào)監(jiān)測(cè)斷面沉降量隨時(shí)間變化曲線

圖5 3號(hào)監(jiān)測(cè)斷面沉降量隨時(shí)間變化曲線

3.2 沉降規(guī)律及控制措施分析

根據(jù)上面的沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，沉降可劃分為以下六個(gè)階段：

(1)刀盤(pán)離監(jiān)測(cè)斷面5～8 m以上之前，地面基本無(wú)沉降；

(2)刀盤(pán)在監(jiān)測(cè)斷面前后5 m左右，普遍表現(xiàn)為隆起2～6 mm；

(3)盾體通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面下方時(shí)，表現(xiàn)為2～3 mm左右的平緩沉降；

(4)盾尾脫出監(jiān)測(cè)斷面后，表現(xiàn)為5～8 mm左右的急劇沉降，這一期間的沉降速率大，沉降量也較大;

(5)盾尾脫出監(jiān)測(cè)斷面后及時(shí)二次注漿，表現(xiàn)為4～6 mm左右的快速隆起，個(gè)別點(diǎn)甚至達(dá)到了10 mm的隆起；

(6)盾體逐步遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面，表現(xiàn)為4～6 mm的緩慢沉降并逐步趨于穩(wěn)定。

通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，第一階段未發(fā)生先期沉降，說(shuō)明對(duì)前方開(kāi)挖面無(wú)擾動(dòng)；第二階段開(kāi)挖面附近隆起，是由于土艙壓力設(shè)定值超過(guò)了被動(dòng)土壓力值(理論計(jì)算土壓力為120 kPa，而實(shí)際設(shè)定為160～180 kPa)；第三階段盾體通過(guò)時(shí)發(fā)生的平緩下沉是由于盾構(gòu)外周面與圍巖發(fā)生摩擦，且開(kāi)挖直徑大于盾體直徑；第四階段盾尾脫出引起急劇沉降；第五階段盾尾及時(shí)二次補(bǔ)注漿，使地表快速隆起，若無(wú)及時(shí)的二次補(bǔ)注漿，則第四階段的急劇沉降會(huì)加大；第六階段后續(xù)下沉是軟弱淤泥中出現(xiàn)的現(xiàn)象，主要是由于盾構(gòu)推進(jìn)引起整個(gè)地基松弛或擾動(dòng)而發(fā)生的，并最終趨于穩(wěn)定。

施工過(guò)程中，始終維持30～40 mm/min的推進(jìn)速度，保持土艙壓力在180 kPa并盡量減小波動(dòng)范圍，加大泡沫注入量防止土艙結(jié)泥餅，加大同步注漿漿液稠度，管片脫出盾尾及時(shí)進(jìn)行二次注漿，注漿壓力控制在0.35～0.4 MPa，注漿量根據(jù)地面沉降情況確定。壓力表顯示的0.4 MPa注漿壓力將對(duì)管片外弧面土體產(chǎn)生大約3 kg/cm2的反力，而上覆土自重產(chǎn)生的垂直向下壓力約2 kg/cm2，二者壓力差對(duì)上覆土層產(chǎn)生抬升作用，導(dǎo)致地層隆起。該地層為滲透系數(shù)低的淤泥層，漿液難以向土體深層滲透，因此抬升作用明顯。但如果上部為砂層，二次注漿的漿液可能會(huì)滲透進(jìn)入地層深處，難以產(chǎn)生抬升力，通過(guò)多次注入快速凝固的漿液，封閉滲透通道，也有可能對(duì)地層產(chǎn)生一定的抬升作用。

由盾構(gòu)的推進(jìn)引起的橫斷面方向的最終地基下沉分布，一般以隧道為中心單向橫坡，形狀近似于倒立的標(biāo)準(zhǔn)概率曲線，其影響范圍大致保持以盾構(gòu)下端處起的仰角45°+φ/2擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)(其中φ為土體的內(nèi)摩擦角)。一般情況下，影響范圍考慮仰角45°即可。一般沉降影響范圍如圖6所示，其中對(duì)于全斷面軟土層的影響寬度為2×(D+H)，而對(duì)于下部硬巖、上部軟土地層的沉降寬度為2×H。

圖6 盾構(gòu)推進(jìn)橫斷方向影響范圍示意圖

圖7和圖8為1號(hào)、3號(hào)觀測(cè)斷面實(shí)測(cè)橫斷面方向各階段沉降曲線?？梢钥闯鰞蓚?cè)距隧道軸線10 m測(cè)點(diǎn)均無(wú)明顯沉降，距隧道軸線5 m測(cè)點(diǎn)有2～3 mm左右的沉降，軸線位置點(diǎn)有8 mm左右的沉降。即對(duì)于下部硬巖、上部軟土地層的沉降影響寬度不會(huì)超過(guò)2倍的覆土厚。

各測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)為超土艙壓力下刀盤(pán)前位置的隆起和二次注漿后的抬升。說(shuō)明超土壓力下的隆起和二次注漿后的抬升對(duì)沉降控制起到了重要作用。如A11點(diǎn)有6 mm的最大隆起，該位置的二次注漿量達(dá)到了3 m3，注漿壓力達(dá)到了0.4 MPa。

圖7 1號(hào)觀測(cè)斷面橫斷面方向各階段沉降曲線

圖8 3號(hào)觀測(cè)斷面橫斷面方向各階段沉降曲線

4 結(jié) 論

本次地面最大沉降最終控制在8 mm以內(nèi)，滿足了地鐵正常運(yùn)營(yíng)的要求。對(duì)于敏感地段的沉降規(guī)律與控制措施有如下結(jié)論：

(1)對(duì)于下部為硬巖、上部為淤泥或黏土等透水性差的上軟下硬復(fù)合地層，當(dāng)?shù)孛婕庸虒?shí)施難度大，無(wú)法采取地面注漿加固措施時(shí)，通過(guò)信息化監(jiān)測(cè)、掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整控制、二次注漿等措施，是可以很好地控制地面沉降的。

(2)復(fù)合地層由于下部硬，上部為流塑狀淤泥，一旦土艙壓力設(shè)定過(guò)小，更易引起土體超挖，通過(guò)設(shè)定較高的土艙壓力，使上部淤泥層在超土壓力下形成隆起有助于減小最終沉降。

(3)同步注漿雖能及時(shí)填充盾尾間隙，但由于漿液未凝固時(shí)難以及時(shí)支撐盾尾脫出后上部土層的壓力，盾尾脫出后的急劇沉降無(wú)法避免。

(4)盾尾及時(shí)二次注漿能同時(shí)補(bǔ)充同步注漿量的不足，并能使同步注漿的漿液和二次補(bǔ)充注漿的漿液快速凝結(jié)，對(duì)土體形成支撐。二次注漿壓力的抬升作用在淤泥或黏土地層對(duì)沉降控制作用顯著。

(5)復(fù)合地層沉降槽寬度，取決于覆蓋軟土地層的厚度，與隧道底部埋深無(wú)關(guān)，有助于評(píng)估地面受影響建筑物或構(gòu)筑物的范圍。

(6)復(fù)合地層中盾構(gòu)掘進(jìn)，設(shè)定超土艙壓力時(shí)，應(yīng)特別重視土體改良措施，防止刀盤(pán)結(jié)泥餅，一旦結(jié)泥餅，推力、扭矩上升并產(chǎn)生噴涌、出土量控制困難等，將造成沉降加大。

(7)本次沉降監(jiān)測(cè)頻率達(dá)到了每半小時(shí)一次，由于沉降信息反饋及時(shí)，對(duì)隨時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、及時(shí)指導(dǎo)二次注漿壓力及注漿量、了解注漿效果，起到了非常重要的作用。因此，監(jiān)測(cè)與施工控制的信息化聯(lián)動(dòng)至關(guān)重要。

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