成都地鐵盾構隧道地表沉降分析

李 博 蘇華友 趙旭偉

(1.西南科技大學環境與資源學院,621010,綿陽;2.吉林建筑工程學院交通科學與工程學院,130021,長春∥第一作者,碩士研究生)

盾構法施作隧道具有對周圍建筑物影響較小、適應軟弱地質條件、施工速度快等優點,在地下工程中已得到廣泛應用[1]。但是,當采用盾構法施工時,一般會引起隧道上方地表沉降。這種現象在含水的松軟土層或其他不穩定地層中表現尤為顯著。對于城市地鐵,盾構法施工區間隧道時一般會穿越建筑物密集、施工場地狹小、地質情況復雜、地下管網密布的城市中心地帶,施工條件受到限制,對環境的控制要求更為嚴格。因此,為保證地鐵沿線行人與建筑物的安全,進行地表沉降的相關研究顯得尤為重要。本文通過對成都地鐵某區間盾構隧道施工的實測沉降分析,尋求適合成都地區橫向沉降槽的參數,并與理論值進行對比。

1 工程概況

成都地鐵1號線人民北路——天府廣場區間沿人民北路和人民中路敷設,設計里程為YCK 5+664.400～YCK 8+696.224。設計里程區間分布3組平曲線,半徑分別為400 m、450 m、500 m。線路豎曲線設有兩種,半徑分別為 3 000 m、5 000 m。線路最大縱坡為23‰。隧道埋深8～20 m。由于該區間地處鬧市區,地面交通量大,地下管線復雜,使得施工難度增大。

成都地層巖體松散、含水量大、透水性強、無膠結、自穩能力差,但是單個卵石塊強度高,并在地層中起骨架作用。掘進面土層情況見圖1。由于砂卵石地層不穩定,顆粒之間的空隙大,沒有粘聚力,且在無水狀態下,顆粒之間點對點傳力,地層反應靈敏,當刀盤旋轉切削時,地層很易破壞原來的相對穩定或平衡狀態而產生坍塌,引起較大的地層損失和圍巖擾動,從而引起較大的地表沉降量。

該區間盾構隧道穿越地層及其主要力學性質見表1。

圖1 掘進面地層情況

表1 土體力學性質

2 實測數據分析

該區間采用土壓平衡盾構進行掘進。本文選取其右線始發試驗段進行分析。其主要施工參數設置為:總推力900～1 100 t,掘進速度20～30 mm/min,注漿壓力0.2 MPa左右,注漿量6 m3/環。

2.1 監測斷面的選取及測點布置

根據隧道不同位置的埋深及土層分布,選擇4個具有代表性的監測斷面。其樁號、里程及埋深見表2。測點布置見圖2。

表2 沉降監測斷面里程及埋深

圖2 某典型斷面沉降槽測點布置圖

2.2 實測數據分析

對A1～A 4斷面進行連續監測,直至沉降穩定。監測結果繪成的曲線見圖3。

根據該沉降曲線圖,結合具體地質條件及施工參數,得出以下實測結果:

(1)由于盾構穿越的地層條件相似,各項施工參數接近,4個斷面的沉降規律幾乎保持一致?？梢娫谏奥咽貙又胁捎猛翂浩胶舛軜嬮_挖能較好地控制地表沉降量。4個斷面中最大沉降量為22.4 mm,滿足施工要求。

圖3 各斷面地表沉降曲線圖

(2)在砂卵石地層中沉降曲線沿隧道軸線不對稱分布,盾構掘進的橫向影響區域在線路中心20 m范圍內(約6.4倍隧道直徑)。其中,在隧道軸線兩側6～8 m的范圍內(約2倍隧道直徑),地表沉降一般大于10 mm,為主要影響范圍;在軸線兩側13～18 m范圍內,地表沉降一般小于5 mm,為次要影響范圍;隧道中心最大沉降控制在22 mm左右,且大部分沉降分布在12～22 mm之間。

(3)以上各斷面的地表沉降在盾構開挖面通過10 d左右即可收斂,沉降值趨于穩定。如A1斷面盾構機盾體于2月1日開始經過此斷面,2月4日脫出此斷面,2月14日該斷面沉降開始穩定變化,斷面累計沉降量最大為18.47 mm,平均沉降量為0.880 mm/d。

3 沉降槽系數的計算

在成都特有的高富水砂卵石地層條件下,Peck公式計算出的理論曲線與實際曲線存在很大的誤差。在缺少類似盾構隧道可以參考借鑒的情況下,得出該類型地層沉降槽系數尤為重要。

1969年,Peck提出了盾構施工引起地面沉降的估算方法,認為地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積,并根據這個假定給出了地面沉降量的橫向分布估算公式[2]:

式中:

S(x)——地面沉降量;

x——距隧道軸線的橫向水平距離;

Smax——隧道軸線地面最大沉降量;

V loss——盾構隧道單位長度土體損失量;

V L——地層體積損失率;

R——隧道半徑;

Z——隧道埋深;

φ——內摩擦角;

k——沉降槽寬度系數;

i—地面沉降槽寬度系數,即沉降槽曲線拐點離隧道軸線的水平距離。

從式(1)～(4)可以看出,只要確定了k和V L,就可以確定以上公式。

通過對各斷面實測曲線進行擬合,找出曲線反彎點,得到沉降槽半寬度i,再反算出各斷面的k和V L。各斷面具體計算結果見表3。

表3 各斷面k及V L計算表

從表3可以看出,k的取值范圍在0.13～0.31之間,V L的取值范圍為 0.32%～0.50%。取k=0.22,V L=0.41%進行計算,并與A1斷面實測沉降曲線進行比較。計算結果與實測數據比較如圖4所示。由圖4可以看出,使用改進后的參數可以較好地預測出地面橫向沉降槽的分布情況。

圖4 A 1斷面實際與理論曲線比對圖

上海軌道交通8號線列車

4 結語

(1)在砂卵石地層中使用土壓平衡盾構開挖隧道可以較好地控制地表沉降。但是,由于砂卵石地層顆粒間的孔隙大,在刀盤旋轉切削時很容易引起較大的地層損失和圍巖擾動,因此建議在今后的施工中可加大注漿量,必要情況下加大注漿壓力,使得孔隙之間盡量填充密實,減小地面沉降量。

(2)在砂卵石地層中盾構單線推進的主要影響范圍為隧道軸線兩側6～8 m左右的區域內(約2倍隧道直徑);整個影響區域為線路中心20 m范圍內(約6.4倍隧道直徑);隧道中心最大沉降量控制在22 mm左右,大部分沉降在12～22 mm之間;在盾體通過后10 d左右地表沉降即可收斂,沉降值趨于穩定。

(3)通過曲線擬合對沉降槽寬度系數k進行計算,并通過Peck公式進行理論計算后與實測數據進行對比,認為k在0.13～0.31之間可較好地分析預測出該區間地表沉降槽。

[1]周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[2]PECK P B.Deep excavations and tunneling in sof t ground[C].Proc 7th Int Confon Soil Mech and Found Engrg M exico City,1969:275-290.

[3]劉樹山.砂卵石地層盾構施工對建筑物的影響分析及技術措施[J].城市軌道交通研究,2008(6):39.

[4]周冠南,周順華,宋天田.砂卵石地層盾構同步注漿參數研究[J].現代隧道技術,2007,44(增刊):342.

[5]張書豐,孫樹林,吳凱.南京地鐵盾構施工引起的地表沉降分析[J].城市軌道交通研究,2006(5):30.