類矩形盾構(gòu)與雙圓盾構(gòu)施工地表沉降變形規(guī)律對(duì)比分析

邱波

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315012)

1 引 言

寧波市軌道交通地下工程周邊環(huán)境復(fù)雜，特別是中心城區(qū)老舊建筑群、地下管線、河流溝渠等更多，區(qū)間線路施工需頻繁穿越建構(gòu)筑物、橋樁基礎(chǔ)以及河道等風(fēng)險(xiǎn)，且沿線歷史保護(hù)建筑、市政工程節(jié)點(diǎn)眾多，穿越條件復(fù)雜，工程難度較大。盾構(gòu)將面臨復(fù)雜地層、小曲率半徑、淺覆土穿河、穿越拔樁區(qū)、轉(zhuǎn)角控制等施工難題。在此背景下嘗試采用橫向沉降影響范圍較小的盾構(gòu)區(qū)間形式，寧波軌道交通首創(chuàng)陽(yáng)明號(hào)類矩形盾構(gòu)，采用新研制的 11.83 m×7.27 m類矩形土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在3號(hào)線一期工程順利實(shí)施，隧道管片斷面尺寸如圖1所示。

類矩形盾構(gòu)左右并線，能有效利用地下結(jié)構(gòu)空間，并減小地表建構(gòu)筑物、管線拆遷工作量，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1類矩形盾構(gòu)與普通雙圓盾構(gòu)隧道斷面對(duì)比

盾構(gòu)掘進(jìn)施工引起的周邊地表沉降變形在空間分布是三維的[1]。本文將類矩形盾構(gòu)與普通雙圓盾構(gòu)橫向、縱向地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并研究其變形規(guī)律，從地層沉降變形方面探索類矩形盾構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

2 地質(zhì)情況

類矩形盾構(gòu)主要穿越土層為②2a層淤泥及②2b層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，如圖2所示；類矩形盾構(gòu)段各土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖2 類矩形盾構(gòu)隧道地質(zhì)剖面圖 矩形盾構(gòu)段及明挖段各土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表 表1

3 主要沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置對(duì)比

圓形盾構(gòu)與類矩形盾構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置對(duì)比如表2所示。

圓形盾構(gòu)與類矩形盾構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置對(duì)比 表2

4 橫向地表沉降變形規(guī)律對(duì)比分析

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)洞通后的雙圓盾構(gòu)隧道典型剖面地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合，如圖3所示，其沉降槽曲線介于W型和正態(tài)分布曲線之間，兩次盾構(gòu)推進(jìn)疊加影響范圍為雙線隧道中心線兩側(cè) 35 m范圍內(nèi)，主要影響區(qū)域在隧道中心線 15 m范圍內(nèi)，最大沉降發(fā)生在左右線隧道軸線之間。

圖3 雙圓盾構(gòu)地表橫向沉降槽

同理，對(duì)類矩形盾構(gòu)隧道地表沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)擬合，如圖4所示，橫斷面沉降槽形狀介于正太分布曲線與V型之間，影響范圍為隧道中心線兩側(cè) 20 m～25 m范圍(約兩倍隧道寬度)內(nèi)，主要影響區(qū)域在隧道中心線 10 m范圍內(nèi)，最大沉降發(fā)生在隧道軸線處。

綜上，類矩形盾構(gòu)隧道由于橫向跨度小于普通雙圓盾構(gòu) 5 m～10 m，且無(wú)二次掘進(jìn)擾動(dòng)，其橫向地表沉降槽寬度約為普通雙圓盾構(gòu)的70%，對(duì)周邊地層的影響范圍較普通雙圓盾構(gòu)更小。

5 縱向地表沉降變形規(guī)律對(duì)比分析

根據(jù)寧波軌道交通1、2號(hào)線大量盾構(gòu)區(qū)間地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖5所示，盾構(gòu)掘進(jìn)方向地表沉降變形曲線呈起峰、落峰、沉降、收斂形態(tài)，基本符合軟土地區(qū)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)地表縱向沉降變形規(guī)律，即較小的初始沉降、盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的瞬時(shí)沉降和通過(guò)后一段時(shí)間內(nèi)較明顯的持續(xù)沉降?？v向地表沉降影響范圍基本為盾構(gòu)切口前方 10 m，盾尾 30 m內(nèi)。

類矩形盾構(gòu)縱向地表沉降影響范圍為刀盤前方 15 m至盾尾后方 20 m左右，變形趨勢(shì)如圖6所示，盾構(gòu)到達(dá)時(shí)刀盤上方及前方一定范圍地表出現(xiàn)小幅隆沉變形，盾構(gòu)通過(guò)時(shí)及通過(guò)后一段時(shí)間內(nèi)上方及盾尾地表出現(xiàn)明顯沉降變形，脫出盾尾后地表呈緩慢固結(jié)沉降趨勢(shì)，基本符合緩慢發(fā)展、快速發(fā)展和逐步穩(wěn)定3個(gè)階段的地表時(shí)程變形規(guī)律[2]。

圖5 雙圓盾構(gòu)縱向地表沉降變化過(guò)程線

圖6 類矩形盾構(gòu)縱向地表沉降變化過(guò)程線

對(duì)比分析可知，近似地質(zhì)情況和埋深條件下，類矩形盾構(gòu)與雙圓盾構(gòu)縱向地表沉降影響范圍基本相同，約 50 m左右；縱向地表沉降變形時(shí)程變化規(guī)律均表現(xiàn)為盾構(gòu)到達(dá)時(shí)的小幅初始沉降、盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的明顯沉降和通過(guò)后一段時(shí)間內(nèi)緩慢持續(xù)沉降規(guī)律。所不同的是，由于類矩形盾構(gòu)更為復(fù)雜的刀盤切削開挖及進(jìn)出土平衡控制方式，周邊土體處于較為復(fù)雜的受力狀態(tài)[3]，數(shù)據(jù)離散性較大，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)土體彈塑性變形受土體改良、土壓力及注漿控制等影響較大，規(guī)律不明顯，尚需大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘分析。

6 其他沉降變形

6.1 因聯(lián)絡(luò)通道引起的沉降變形

類矩形盾構(gòu)由于結(jié)構(gòu)形式及施工工藝改進(jìn)[4]，無(wú)須設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，避免了軟土地區(qū)冰凍法聯(lián)絡(luò)通道施工地層凍脹、融沉變形風(fēng)險(xiǎn)及后期通道結(jié)構(gòu)滲漏水、不均勻沉降等風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)寧波軌道交通1、2號(hào)線數(shù)個(gè)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道上方地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如圖7所示，連通道凍結(jié)及開挖施工對(duì)上方地表影響較明顯，在開挖前的積極凍結(jié)階段，受地層凍脹影響，地表有少量隆起變形，在開挖及結(jié)構(gòu)施工即維護(hù)凍結(jié)階段，地表變形基本較穩(wěn)定，但結(jié)構(gòu)施工完成后的解凍及隆沉注漿階段，通道上方地表發(fā)生較大沉降，且3個(gè)月融沉注漿結(jié)束后仍未收斂，最大沉降累計(jì)值超過(guò) -60 mm。

圖7 雙圓盾構(gòu)聯(lián)絡(luò)通道冰凍法施工地表沉降變化過(guò)程線

6.2 工后沉降變形

盾構(gòu)隧道貫通后至鋪軌開始前，一般要超過(guò)半年時(shí)間，期間隧道上方地表受土體固結(jié)、地面荷載等影響，往往會(huì)持續(xù)數(shù)月較明顯沉降時(shí)期[5]。

根據(jù)寧波1、2號(hào)線圓形盾構(gòu)工后沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖8所示，隧道貫通3個(gè)月后，地表沉降平均變形速率不超過(guò) 0.4 mm/d，4～6個(gè)月后，平均變形速率一般不超過(guò) 0.25 mm/d。

根據(jù)類矩形盾構(gòu)隧道軸線地表工后沉降統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖9所示，隧道貫通后3個(gè)月地表沉降基本收斂穩(wěn)定。

由此可見，類似地質(zhì)和埋深條件下，圓形、類矩形盾構(gòu)隧道上方地表工后沉降主要受土層物理力學(xué)特性、地下水及管片變形等因素影響，土體蠕變壓縮呈長(zhǎng)期緩慢固結(jié)沉降趨勢(shì)。

圖8雙圓盾構(gòu)隧道縱向地表沉降累計(jì)值分布線

圖9 類矩形盾構(gòu)縱向地表沉降累計(jì)值分布線

7 結(jié) 論

本文從盾構(gòu)施工地表環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控的視角出發(fā)，通過(guò)寧波軟土地區(qū)普通雙圓盾構(gòu)和類矩形盾構(gòu)施工地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出地表沉降一般變形規(guī)律，得出主要結(jié)論如下：

(1)類矩形盾構(gòu)由于橫向跨度小，無(wú)二次掘進(jìn)擾動(dòng)等因素，其橫向地表沉降槽寬度約為普通雙圓盾構(gòu)的70%，對(duì)周邊地層的影響范圍較普通雙圓盾構(gòu)更小。

(2)類矩形盾構(gòu)與普通圓形縱向地表沉降影響范圍基本相同，其時(shí)程變化規(guī)律均表現(xiàn)為盾構(gòu)到達(dá)時(shí)的小幅初始隆沉、盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的明顯沉降和通過(guò)后一段時(shí)間內(nèi)緩慢持續(xù)沉降規(guī)律。

(3)圓形、類矩形盾構(gòu)隧道上方地表工后沉降只受土層物理力學(xué)特性、地下水及管片變形等影響，土體蠕變壓縮呈長(zhǎng)期緩慢固結(jié)沉降趨勢(shì)，一般3個(gè)月左右地表沉降收斂穩(wěn)定。

(4)類矩形盾構(gòu)區(qū)間一次性掘進(jìn)成形，相比雙圓盾構(gòu)施工的兩次掘進(jìn)，避免了施工交互影響引起的地表疊加沉降，和對(duì)相鄰盾構(gòu)區(qū)間管片的水平位移影響。

(5)由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工工藝改進(jìn)，類矩形盾構(gòu)無(wú)聯(lián)絡(luò)通道，避免了軟土地區(qū)冰凍法聯(lián)絡(luò)通道施工地層凍脹融沉變形風(fēng)險(xiǎn)及由此帶來(lái)的結(jié)構(gòu)滲漏水、不均勻沉降等風(fēng)險(xiǎn)。

類矩形盾構(gòu)的姿態(tài)、土壓平衡控制對(duì)地層變形影響更為復(fù)雜，與雙圓盾構(gòu)地表沉降規(guī)律存在一定異同，隨著類矩形盾構(gòu)在工程中的進(jìn)一步應(yīng)用，其地層變形規(guī)律有待進(jìn)一步探索。