雙圓盾構(gòu)泡沫劑砂性土改良施工地面沉降分析

劉鵬 張慶賀 張峰

1 概述

近年來,隨著各大城市地下鐵道等市政工程的大量修建,有效、可持續(xù)發(fā)展的地下空間資源日益減少,并逐漸開始制約和限制城市規(guī)劃的發(fā)展。雙圓盾構(gòu)隧道以其有效利用地下空間資源、施工效率高、掘削土量少等優(yōu)點(diǎn)而得到推廣使用[1]。

雙圓盾構(gòu)較之單圓盾構(gòu)對土體擾動更為劇烈,在砂性土地層中的沉降更加難以控制。在施工中添加泡沫改良劑是解決問題的有效途徑之一,但是目前針對泡沫土體改良技術(shù)在雙圓盾構(gòu)施工中的運(yùn)用研究較少,對泡沫土體改良的規(guī)律尚缺乏足夠的認(rèn)識,探索泡沫土體改良技術(shù)在雙圓盾構(gòu)中的運(yùn)用有其必要性。

本文針對上海軌道交通10號線郵電新村路站—大連路站區(qū)間隧道工程,通過對現(xiàn)場地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析并與經(jīng)驗(yàn)解析公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,探索添加泡沫劑對地表沉降的影響規(guī)律,給此技術(shù)在我國的推廣使用提供借鑒和參考。

2 工程概況

上海市軌道交通10號線郵電新村路站—大連路站區(qū)間隧道始于郵電新村站,沿四平路止于大連路站。本區(qū)間里程為SK23+483.975～SK24+290.068,起始中心標(biāo)高分別為-9.113 m,-16.665 m,相應(yīng)中心埋深分別為12.755 m,20.207 m,區(qū)間長度為806.1 m。本隧道斷面尺寸:外尺寸:φ 6 300 mm×W10 900 mm(外徑×寬度)、內(nèi)尺寸:φ 5 700 mm×W10 300 mm(內(nèi)徑×寬度),雙線中心間距:4 600 mm,采用雙圓盾構(gòu)工藝來完成區(qū)間隧道的推進(jìn)任務(wù)。

隧道襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片,錯(cuò)縫拼裝,環(huán)寬1 200 mm,厚度為300 mm。每環(huán)管片由8塊圓形管片A(A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8),1塊大海鷗形管片B,1塊小海鷗形管片C和1塊柱形管片 D組成,共計(jì)11塊。設(shè)計(jì)強(qiáng)度C55、抗?jié)B等級不小于S10。接縫防水均采用遇水膨脹橡膠止水條。

3 工程地質(zhì)

本工程盾構(gòu)推進(jìn)主要穿越②3,④,⑤1-1,⑤1-2土層。各土層特征如下:

1)淺部②3層可分為兩個(gè)亞層:②3-1砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層、②3-2砂質(zhì)粉土層。②3-1砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層呈巨厚狀,厚度5.90 m～9.60 m,該層分布較穩(wěn)定,但土質(zhì)欠均勻,從大連路站往同濟(jì)路站方向土層粉性漸重,逐漸尖滅。②3-2砂質(zhì)粉土層砂質(zhì)較純,厚度1.30 m～8.70 m,由大連路站往同濟(jì)路站方向土層逐漸加厚。

2)④層淤泥質(zhì)黏土層為高靈敏、高壓縮性軟弱土,土質(zhì)極差,厚度2.00 m～9.00 m,厚度由西至東漸厚。

3)⑤1層分為兩個(gè)亞層:⑤1-1灰色黏土層、⑤1-2灰色粉質(zhì)黏土層。灰色黏土為高靈敏、高壓縮性軟弱土,土質(zhì)較差,厚度1.50 m～4.50 m;⑤1-2為灰色粉質(zhì)黏土,層厚3.60 m～17.40 m,該層一般厚度約為5 m,僅在古河道切割處呈巨厚狀。

4 施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 測點(diǎn)布置

布置平行于盾構(gòu)中心線的沉降監(jiān)測點(diǎn)和垂直于盾構(gòu)中心線的沉降監(jiān)測點(diǎn)。平行于盾構(gòu)中心線的沉降監(jiān)測點(diǎn)一般情況下布設(shè)3條,分別位于雙圓盾構(gòu)上行線、中軸線和下行線的正上方,每隔5環(huán)(6 m)設(shè)一排測點(diǎn)。以50環(huán)(60 m)為間隔在原來3個(gè)測點(diǎn)的基礎(chǔ)上,垂直于盾構(gòu)中心線方向左右各增設(shè)5個(gè)測點(diǎn),到盾構(gòu)中軸線的距離分別為1 m,3 m,5 m,8 m和13 m。

4.2 橫向沉降分析

130環(huán)斷面位于未添加泡沫劑的砂質(zhì)粉土層中,開挖面穩(wěn)定不能很好控制。最大地面沉降量達(dá)到72.94 mm。切口到達(dá)該斷面前的地面沉降占總地面沉降的比例微小,地面沉降主要由切口到達(dá)至盾尾剛脫離階段和盾尾脫開后的后期沉降構(gòu)成。切口到達(dá)至盾尾脫離階段沉降約占總沉降的30%,盾尾脫開后的后期沉降占總地面沉降比例最大,約為60%。

圖1為285環(huán)斷面處地面橫向沉降曲線圖。285環(huán)位于砂質(zhì)粉土層中添加泡沫劑地段。由圖1可以看到切口到達(dá)至盾尾剛脫出階段地面沉降顯著減小,添加泡沫劑主要控制此階段的地面沉降,而盾尾脫開后的后期沉降并沒有減小。130環(huán)處最大地面沉降達(dá)到了72.94 mm,285環(huán)處最大地面沉降為38.02 mm,減小了約48%。

圖2為390環(huán)處地面橫向沉降曲線圖。390環(huán)位于黏土層地段。比較圖1,圖2,添加泡沫劑的位于砂質(zhì)粉土層地段的285環(huán)處地面沉降和不添加泡沫劑的位于黏土層地段的390環(huán)處地面沉降接近。

4.3 縱向沉降分析

圖3,圖4分別為切口到達(dá)130環(huán)和285環(huán)時(shí)上行線地面縱向沉降曲線圖。對比圖3,圖4,285環(huán)處盾構(gòu)開挖面后方地面沉降曲線斜率變小,沉降曲線變得平緩,距離盾構(gòu)開挖面同樣距離處沉降量值減小。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)頭穿過測點(diǎn),并離開測點(diǎn)約20 m～25 m后,沉降速率逐漸減小,沉降發(fā)展緩慢并趨于穩(wěn)定,這與孔壓消散引起的土層固結(jié)、盾構(gòu)擾動減小、注漿凝固等使土層沉降趨勢減弱的因素有關(guān)。

5 橫向沉降簡化理論計(jì)算

本文采用等效大圓模型[4]計(jì)算橫向沉降。

5.1 等效大圓模型假定

假定雙圓盾構(gòu)施工引起的地面沉降符合正態(tài)分布規(guī)律,同時(shí)將雙圓盾構(gòu)按面積等效為 1個(gè)較大的單圓。然后采用單圓的Peck公式來計(jì)算地面沉降。

5.2 計(jì)算公式

先計(jì)算出等效單圓的半徑,然后利用式(1)計(jì)算。

其中,Sx為距離隧道中心線x處的地面沉降,m;x為距隧道中心線的距離,m;Vi為盾構(gòu)隧道單位長度的地層損失,m3/m;i為沉降槽寬度系數(shù),m。

根據(jù)上海地區(qū)隧道施工經(jīng)驗(yàn),土體損失率在0.5%～2.0%之間取值;而沉降槽寬度系數(shù) i則可通過計(jì)算得到,本文計(jì)算采用克洛夫及施密特提出的公式,即:

其中,i為飽和含水塑性黏土中地面沉降槽寬度系數(shù);Z為地面至隧道中心深度,m;R為隧道半徑,m。

5.3 計(jì)算結(jié)果分析

隧道第130環(huán)處上覆土層厚度為11.731 m,地層損失取實(shí)測值。監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果的比較見圖5。從圖5中可以看出,用等效大圓模型計(jì)算地面沉降得到沉降槽的寬度、沉降最大值、反彎點(diǎn)位置及距離中軸線不同距離處沉降能夠與實(shí)測結(jié)果比較吻合。但雙圓盾構(gòu)施工是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)連續(xù)過程。加之在交通繁忙的市區(qū)施工過程中不可避免的要受到周圍環(huán)境以及相鄰構(gòu)筑物程度不等的影響,實(shí)測沉降曲線與理論預(yù)測的不完全一致。

6 結(jié)語

1)砂土地層中添加泡沫劑主要控制切口到達(dá)至盾尾剛脫出階段地面沉降;

2)添加泡沫劑后砂土地層中最大地面沉降值大約可以減小一半,其地面橫向沉降形態(tài)與不添加泡沫劑的黏土地層地面橫向沉降形態(tài)接近;

3)簡化計(jì)算結(jié)果與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合。

[1] 周文波,顧春華.雙圓盾構(gòu)施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2004,41(4):22-44.

[2] 朱偉譯.隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解說[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.

[3] 朱 偉,陳仁俊.盾構(gòu)隧道施工技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].巖土工程界,2002,12(4):14-20.

[4] 呂 虎,張慶賀.地鐵雙圓盾構(gòu)施工引起的地面沉降模型[J].建井技術(shù),2006,27(1):32-34.