盾構(gòu)慢速掘進(jìn)(停機(jī))沉降影響因素及控制措施探討

郭　幪

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津　300133)

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盾構(gòu)慢速掘進(jìn)(停機(jī))沉降影響因素及控制措施探討

郭幪

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津300133)

摘要：分析和探究軟土地層中盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)地面沉降的影響因素以及對(duì)沉降進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，能夠?yàn)橥翂?泥水)平衡盾構(gòu)在不同軟土地層中的掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化和沉降控制提供理論依據(jù)。以盾構(gòu)慢速掘進(jìn)(停機(jī))工程實(shí)例為研究對(duì)象，采用理論解析解和三維數(shù)值模擬2種方法，計(jì)算單純由盾構(gòu)施工引起的理論地面沉降量，并與南京寧和城際一期工程新梗街站—天保路站(2號(hào)盾構(gòu)井)區(qū)間施工過(guò)程中盾構(gòu)停機(jī)時(shí)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)總結(jié)，從量值差異探究盾構(gòu)施工引起地面沉降的主要影響因素。分析結(jié)果表明，盾構(gòu)施工工藝參數(shù)、超孔隙水壓力消散和地層損失是影響盾構(gòu)施工中地面沉降的主控因素。通過(guò)優(yōu)化施工參數(shù)，并采取經(jīng)濟(jì)可靠的超前地基處理措施，能較大程度地減小盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地面沉降的影響。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)；慢速掘進(jìn)；停機(jī)；理論解析解；數(shù)值模擬；沉降控制措施

0引言

盾構(gòu)法作為一種安全可靠的地下區(qū)間施工方法，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于城市軌道交通建設(shè)。由于軌道交通區(qū)間線路不可避免地要穿越建筑物及地下管線密集區(qū)，對(duì)區(qū)間隧道施工引起的地層位移控制提出了嚴(yán)格的要求，尤其是軟土盾構(gòu)施工。正確認(rèn)識(shí)和分析盾構(gòu)掘進(jìn)施工引起地面沉降的作用機(jī)制，能更好地通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和施工參數(shù)，從而有效地控制地面沉降。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)隧道施工引起的地層位移進(jìn)行了廣泛深入地研究，采用的方法主要有解析法[1]、數(shù)值模擬法[2-3]、經(jīng)驗(yàn)公式法[4-7]、模型試驗(yàn)法[8]和工程實(shí)例分析法[9]等，并分析和研究了沉降原因及沉降控制措施[2，3，10]。這些研究考慮了施工方法、地層條件、隧道埋深及直徑和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)等多種因素對(duì)地面沉降的影響，然而，大多數(shù)研究只是驗(yàn)證了理論計(jì)算與實(shí)際沉降規(guī)律的相似性或理論計(jì)算的適宜性，并未對(duì)盾構(gòu)慢速掘進(jìn)(停機(jī))和施工工藝參數(shù)引起的地面沉降做明確的量化對(duì)比及地面沉降發(fā)展的主控因素分析，且提出的控制沉降的措施不盡全面。

為了更清楚地了解盾構(gòu)慢速掘進(jìn)施工對(duì)地面沉降的影響程度及沉降發(fā)展趨勢(shì)的主控因素，本文以盾構(gòu)慢速掘進(jìn)施工的極限條件——盾構(gòu)停機(jī)作為分析對(duì)象，采取理論解析解和三維數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算分析，并通過(guò)南京寧和城際軌道交通一期工程新梗街站—天保路站(2號(hào)盾構(gòu)井)區(qū)間盾構(gòu)停機(jī)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算沉降量進(jìn)行比對(duì)，分析盾構(gòu)慢速掘進(jìn)(停機(jī))造成地面沉降的機(jī)制和沉降發(fā)展的主控因素，并根據(jù)各種影響因素提出有針對(duì)性的控制措施。本文理論計(jì)算僅考慮盾構(gòu)原狀地基條件下的非正常停機(jī)引起的地面沉降，不考慮理論解析解對(duì)隧道開(kāi)挖基底土體回彈(加載、卸載過(guò)程)、掘進(jìn)參數(shù)控制和盾構(gòu)切口壓力損失等因素。

1工程概況

1.1區(qū)間概況

南京寧和城際軌道交通一期工程新梗街站—天保路站(2號(hào)盾構(gòu)井)區(qū)間北起新梗街站南端頭，線路沿淮河路下方走行，下穿天保河(寬約15 m)、秦淮新河(寬約278 m)和籮筐村民房后到達(dá)明挖2號(hào)盾構(gòu)井，盾構(gòu)區(qū)間雙線長(zhǎng)度為1 211.8 m。區(qū)間隧道設(shè)聯(lián)絡(luò)通道2座，其中1座兼排水泵站。區(qū)間整體位于長(zhǎng)江高漫灘平原，在里程YCK13+434～+712下穿秦淮新河，區(qū)間穿越地層主要為②-3d3-4粉砂(松散—稍密)、②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、②-2d3-4粉砂(松散—稍密)、 ②-3d3-4粉砂(松散—稍密) 和②-4d2粉砂(中密)，其中②-2d3-4、②-3d3-4為液化地層，②-2b4為高壓縮性地層。隧道拱頂覆土厚7.9～21 m。盾構(gòu)選型采用鉸接型土壓平衡盾構(gòu)，總長(zhǎng)79.57 m，機(jī)頭長(zhǎng)9.57 m，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑 6.44 m，管片外徑6.2 m。

1.2區(qū)間盾構(gòu)停機(jī)情況

區(qū)間盾構(gòu)設(shè)計(jì)從新梗街站南端頭始發(fā)，在2號(hào)盾構(gòu)井到達(dá)接收。區(qū)間地面環(huán)境現(xiàn)狀多為拆遷區(qū)、農(nóng)田和池塘，下穿天保河、秦淮新河及低矮民房區(qū)為本區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)的控制重點(diǎn)。區(qū)間右線和左線盾構(gòu)分別于2014年5月和2014年6月相繼始發(fā)，受南京舉辦青奧會(huì)(2014年8月16—28日)的外部環(huán)境制約，青奧會(huì)期間不能施工和出土，截至青奧會(huì)舉辦前，左線盾構(gòu)掘進(jìn)至300環(huán)左右，右線盾構(gòu)掘進(jìn)至550環(huán)左右，盾構(gòu)須停止掘進(jìn)施工。結(jié)合新梗街站—天保路區(qū)間地質(zhì)縱斷面分析，此時(shí)左線隧道埋深約13 m，盾構(gòu)全斷面處于②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，隧道底3 m以下為②-3d3粉砂層；右線隧道埋深約14 m，盾構(gòu)全斷面處于②-3d3粉砂層，隧道底3 m以下為②-4b4軟流塑粉質(zhì)黏土層。停機(jī)前根據(jù)停機(jī)位置盾構(gòu)下覆地基地層的壓縮系數(shù)和壓縮模量對(duì)盾構(gòu)停機(jī)的安全性進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為停機(jī)位置地面總體為拆遷區(qū)且無(wú)建筑物和地下管線，在保證盾構(gòu)機(jī)械性能、密封性能和土艙壓力正常的情況下停機(jī)是可行的，對(duì)盾構(gòu)區(qū)間出現(xiàn)的管片錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象是可控的。

結(jié)合停機(jī)位置及具體的工程情況，選擇相近的最不利鉆孔進(jìn)行分析，左線隧道所處斷面選取鉆孔D12Q10G32，右線隧道所處斷面選取鉆孔D12Q10J3。

區(qū)間盾構(gòu)停機(jī)平面位置及停機(jī)位置地質(zhì)縱斷面如圖1和圖2所示。

圖1新梗街站—天保路站(2號(hào)盾構(gòu)井)區(qū)間停機(jī)位平面示意圖

Fig.1Plan of shield stop section of Xingengjie Station-Tianbaolu Station (shield shaft No.2)

圖2　新梗街站—天保路站(2號(hào)盾構(gòu)井)區(qū)間停機(jī)位縱斷面圖

2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

新梗街站—天保路站(2號(hào)盾構(gòu)井)盾構(gòu)區(qū)間位于南京河西地區(qū)，屬長(zhǎng)江漫灘平原，線路范圍內(nèi)多內(nèi)流河、溝渠和水塘，地面高程為1.70～10.85 m。

場(chǎng)區(qū)地下水類型主要為孔隙潛水及孔隙承壓水，覆蓋層中孔隙潛水與孔隙承壓水、孔隙承壓水與下伏基巖裂隙水水力聯(lián)系微弱。

各土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1—4。

表1　各土層物理性質(zhì)指標(biāo)

表2　各土層壓縮、固結(jié)指標(biāo)

表3　各土層抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

表4　各土層波速測(cè)試指標(biāo)

3Mindlin理論解析解計(jì)算分析

3.1盾構(gòu)下臥土層固結(jié)沉降計(jì)算

3.1.1盾構(gòu)下臥土層沉降理論計(jì)算及參數(shù)選取

盾構(gòu)停機(jī)位置地層斷面如圖3所示。地基各層土t時(shí)刻的主固結(jié)沉降量

Sct=ScUt。

(1)

式中：Sc為地基各層土的總固結(jié)沉降量，mm;Ut為t時(shí)刻的地基土平均固結(jié)度。

根據(jù)Mindlin[11]給出的豎向點(diǎn)荷載作用在彈性半無(wú)限空間內(nèi)部時(shí)的應(yīng)力彈性解，Poulos等推導(dǎo)出了條形均布荷載作用在彈性半無(wú)限空間內(nèi)部時(shí)豎向應(yīng)力的彈性解，荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

(a) 左線隧道 (b) 右線隧道

圖3停機(jī)位置隧道斷面地層(單位:m)

Fig.3Geological diagram of tunnel tubes at shield stop section (m)

a為條形荷載寬度，取隧道開(kāi)挖直徑；h為條形荷載距地面的距離，取隧道底至地面距離；z為計(jì)算深度距離(至基巖面)。

圖4彈性半無(wú)限空間內(nèi)部作用條形荷載簡(jiǎn)圖

Fig.4Strip load inside a semi-infinite mass

在不考慮擾動(dòng)土體超孔隙水壓力消散[12]的情況下，僅考慮盾構(gòu)、管片、壁后注漿與置換開(kāi)挖土體的荷載差值引起的下臥土體的應(yīng)力釋放，圖4中P點(diǎn)豎向附加應(yīng)力

(2)

式中:p為對(duì)盾構(gòu)底部土體施加的附加應(yīng)力；μ為土體泊松比。

采用單向壓縮分層總和法[13]計(jì)算盾構(gòu)底部土體總固結(jié)沉降量

(3)

式中：Δpi為盾構(gòu)底部可壓縮土層各點(diǎn)位置的附加應(yīng)力,kPa，盾構(gòu)底部土層中各深度點(diǎn)的附加應(yīng)力近似為線性關(guān)系，計(jì)算中可取各土層中間點(diǎn)位置的附加應(yīng)力值;Hi為各可壓縮土層的厚度,m；Esi為盾構(gòu)底部可壓縮土層的壓縮模量。

在盾構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用下，其下臥土體排水固結(jié)。引用太沙基一維固結(jié)理論[13-14]計(jì)算不同時(shí)刻點(diǎn)的平均固結(jié)度Ut。

(4)

(5)

(6)

(7)

式(4)—(7)中：Cv為固結(jié)系數(shù)，m2/s；kv為豎向滲透系數(shù)，m/s；mv為體積壓縮系數(shù)，kPa-1；e0為土體初始孔隙比；rw為地下水重度，kN/m3；av為豎向壓縮系數(shù)，kPa-1；Tv為豎向固結(jié)因子，無(wú)量綱；t為固結(jié)沉降歷時(shí)，s；H為地基土層的最大豎向排水距離，m，對(duì)于雙面排水為土層厚度的一半，本工程為單面排水，取土層厚度。

根據(jù)各層土的總固結(jié)沉降量和t時(shí)刻的平均固結(jié)度Ut，可通過(guò)式(1)計(jì)算各層土t時(shí)刻的固結(jié)沉降量，各層土的t時(shí)刻固結(jié)沉降量之和即為t時(shí)刻的下臥土層固結(jié)沉降量(盾構(gòu)整體下沉量)。

(8)

3.1.2計(jì)算結(jié)果

盾構(gòu)下臥各土層附加應(yīng)力及土層總固結(jié)沉降值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5—8。

圖5　左線盾構(gòu)底部各下臥層中心處附加應(yīng)力計(jì)算值

Fig.5Calculation results of additional stress of every soil layer centers of left line shield tunnel

圖6　左線盾構(gòu)底部下臥各土層總固結(jié)沉降計(jì)算值

Fig.6Calculation results of total consolidation settlement of every soil layer of left line shield tunnel

圖7　右線盾構(gòu)底部各下臥層中心處附加應(yīng)力計(jì)算值

Fig.7Calculation results of additional stress of every soil layer center of right line shield tunnel

圖8　右線盾構(gòu)底部下臥各土層總固結(jié)沉降計(jì)算值

Fig.8Calculation results of total consolidation settlement of every soil layer of right line shield tunnel

由計(jì)算結(jié)果可知，左線盾構(gòu)底部中心點(diǎn)總固結(jié)沉降量最大為22.05 mm，右線盾構(gòu)底部中心點(diǎn)總固結(jié)沉降量最大為25.61 mm。

3.2盾構(gòu)整體下沉引起地面沉降計(jì)算

假定盾構(gòu)為一個(gè)剛性體，下臥土層固結(jié)沉降即為盾構(gòu)的整體沉降量，盾構(gòu)整體沉降使其與上部土層之間產(chǎn)生空隙，周圍土層填充該空隙引起地面沉降。應(yīng)用Peck[1，5]公式計(jì)算由地層損失引起的地面沉降。

(9)

(10)

式(9)—(10)中:Smax為盾構(gòu)中心軸線位置的地面沉降量，mm；D3為盾構(gòu)外徑(開(kāi)挖直徑)，m;V1-a為盾構(gòu)沉降產(chǎn)生的額外地層損失；S(x)為地面距離盾構(gòu)軸線x處的地面沉降量，mm；k為沉降槽寬度系數(shù)，無(wú)量綱，依照施工經(jīng)驗(yàn)本工程取0.25；z0為隧道軸線埋深，m。

將盾構(gòu)底部下臥各土層總固結(jié)沉降值帶入式(9)和式(10)可得，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程由于下臥土層固結(jié)沉降引起的地面沉降曲線如圖9和圖10所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，單純由盾構(gòu)下臥土層固結(jié)沉降引起的最大地面沉降，左線為12.15 mm，右線為13.82 mm。

圖9　左線盾構(gòu)掘進(jìn)由于下臥土層固結(jié)引起的地面沉降

Fig.9Ground settlement of left line shield tunnel induced by consolidation of soil layers

圖10　右線盾構(gòu)掘進(jìn)由于下臥土層固結(jié)引起的地面沉降

Fig.10Ground settlement of right line shield tunnel induced by consolidation of soil layers

4三維數(shù)值模擬計(jì)算

4.1三維模型建立及參數(shù)選取

通過(guò)前述理論解析解的計(jì)算可知：當(dāng) t=0時(shí)，由盾構(gòu)下臥土層固結(jié)沉降引起的地面沉降，左線為6.53 mm，右線為4.72 mm。由于左線盾構(gòu)所處地層較為敏感，故三維數(shù)值模擬僅選取左線盾構(gòu)所處位置進(jìn)行模擬計(jì)算。

在有限元模擬過(guò)程中，模型的巖體力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1—4，隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)按照實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行取值。盾構(gòu)管片厚350 mm，為C50預(yù)制混凝土，其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5　盾構(gòu)管片物理力學(xué)參數(shù)

為研究盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周邊土體位移的影響，建立MIDAS-GTS三維有限元模型如圖11所示。

1)計(jì)算域。上下范圍：考慮左線隧道所在的地層自上而下主要有素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉砂等，同時(shí)受巖層深度影響，三維總體模型高60 m，隧道頂部埋深13.3 m，整個(gè)模型的高度是盾構(gòu)隧道直徑的10倍，滿足鐵路隧道開(kāi)挖的影響范圍要求。橫向范圍：隧道中心線兩側(cè)各40 m，總長(zhǎng)80 m。前后范圍：前后共56環(huán)，長(zhǎng)67.2 m。

(a) 三維總體模型

(b) 結(jié)構(gòu)模型

2)荷載。模擬過(guò)程中主要考慮永久荷載，僅考慮地層壓力，且初始應(yīng)力場(chǎng)僅由自身重力產(chǎn)生，不考慮地層構(gòu)造應(yīng)力的影響，盾構(gòu)和后配套產(chǎn)生的附加應(yīng)力為17.8 kPa，均勻作用于所在范圍的土體上。

3)邊界條件。固定模型X方向的左右邊界水平位移、Y方向底邊界位移，限制Z方向前后水平位移，模型頂面為自由面。

4)單元類型。三維實(shí)體模型采用彈塑性模型，摩爾-庫(kù)侖計(jì)算準(zhǔn)則，實(shí)體單元為四面體4節(jié)點(diǎn)單元，盾構(gòu)襯砌采用MIDAS-GTS中特有的板單元，三維計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)共2 922個(gè)，單元總數(shù)為14 194個(gè)。

4.2數(shù)值模擬計(jì)算

本次計(jì)算不考慮流固耦合及盾構(gòu)切口地層損失，且三維數(shù)值計(jì)算僅考慮t為最大時(shí)刻(土層應(yīng)力完全釋放時(shí))的情況。

土體總豎向位移云圖如圖12所示。盾構(gòu)掘進(jìn)施工的主要影響范圍為隧道周邊1倍洞徑的土體，最大沉降位于隧道底部，為28.2 mm,地表沉降為5.99 mm，與理論解析解計(jì)算結(jié)果基本相仿。

圖12　盾構(gòu)停機(jī)引起的周邊土層豎向位移云圖

Fig.12Nephogram of vertical displacements of surrounding soils induced by shield stop

5工程施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析及沉降控制措施探討

新梗街站—天保路站(2號(hào)盾構(gòu)井)區(qū)間盾構(gòu)施工過(guò)程中，左線盾構(gòu)掘進(jìn)至300環(huán)左右，受外界條件限制，于2014年7月18日停止施工，并于2014年8月28日恢復(fù)施工；右線盾構(gòu)于2014年6月中旬通過(guò)左線停機(jī)位。選取左線停機(jī)段最近的T5H-K13+368-3測(cè)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)右線T5H-K13+368-7測(cè)點(diǎn)(右線通過(guò)左線停機(jī)點(diǎn))的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，測(cè)點(diǎn)的地表累計(jì)沉降量-時(shí)間曲線如圖13和圖14所示。

圖13　新梗街站—天保路站(2號(hào)盾構(gòu)井)區(qū)間左線地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量-時(shí)間曲線圖(2014年)

圖14　新梗街站—天保路站(2號(hào)盾構(gòu)井)區(qū)間右線地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量-時(shí)間曲線圖(2014年)

若盾構(gòu)按照理想的施工工藝參數(shù)，在不考慮隧道開(kāi)挖基地土體回彈(加載、卸載過(guò)程)、掘進(jìn)參數(shù)控制和盾構(gòu)切口地層損失等因素的前提下，以一維固結(jié)理論為前提的理論解計(jì)算得盾構(gòu)通過(guò)T5H-K13+368-3測(cè)點(diǎn)引起的地面沉降量為6.53～8.03 mm，由三維數(shù)值模擬計(jì)算的地面沉降量約為5.99 mm。

通過(guò)與T5H-K13+368-3和T5H-K13+368-7 測(cè)點(diǎn)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)，實(shí)際沉降程度較理論計(jì)算值要大很多，可明顯看出：1)單純由于盾構(gòu)施工引起土體固結(jié)沉降或彈塑性變形而造成的地面沉降是有限的，不同的施工狀態(tài)對(duì)實(shí)際沉降程度有顯著的影響，且累計(jì)沉降量-時(shí)間曲線圖離散性強(qiáng)、沉降量收斂較慢；2)本工程由于盾構(gòu)掘進(jìn)速度不均勻、出渣量控制不嚴(yán)格及同步注漿材料配比不適宜等造成了地面沉降量過(guò)大，盾構(gòu)停機(jī)也進(jìn)一步加劇了沉降的發(fā)展，故盾構(gòu)施工掘進(jìn)參數(shù)控制、管片背后注漿材料性能和切口地層損失控制等施工因素是主控沉降程度及沉降發(fā)展的關(guān)鍵因素；3)盾構(gòu)停機(jī)狀態(tài)下，實(shí)際地面沉降量加大19.75 mm，停機(jī)期間理論計(jì)算固結(jié)沉降量約為5.62 mm(見(jiàn)圖15)，由于停機(jī)期間盾構(gòu)刀盤要一直處于慢速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，超孔隙水壓力消散和地層損失成為導(dǎo)致沉降量加劇的主要因素。

圖15　左線盾構(gòu)停機(jī)解析計(jì)算沉降量-時(shí)間曲線圖

Fig.15Time-dependent curve of analytic calculated ground surface settlement of left line when shield stop

通過(guò)以上分析并根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)的施工原理[15]，為了達(dá)到控制地表沉降的目的，可針對(duì)地層自身特性和盾構(gòu)施工工藝參數(shù)提出具體的控制措施。

1)土體在附加應(yīng)力作用下的固結(jié)沉降或彈塑性變形，其大小主要取決于附加荷載的大小，若通過(guò)材料技術(shù)的發(fā)展，減小盾構(gòu)和后配套拖車的自身質(zhì)量(其重力盡量偏向于開(kāi)挖土體自身重力)，能減小單純由于盾構(gòu)施工荷載引起的地面沉降量。

根據(jù)底部下臥土層的應(yīng)力分布規(guī)律，越靠近盾構(gòu)底則附加應(yīng)力越大，可優(yōu)化設(shè)計(jì)施工方案，通過(guò)在管片底部標(biāo)準(zhǔn)環(huán)增加注漿孔(見(jiàn)圖16)，增大注漿范圍和注漿量(見(jiàn)圖17)，可改良盾構(gòu)底部地層，從而減小施工引起的地面沉降。在地面沉降控制苛刻的區(qū)域，可直接對(duì)盾構(gòu)穿越區(qū)域進(jìn)行地層預(yù)注漿加固等地層改良措施。

圖16　預(yù)制管片底部標(biāo)準(zhǔn)環(huán)新增注漿孔示意圖(單位:mm)

Fig.16Added grouting holes of standard ring at bottom of precast segment (mm)

圖17　成型管片增大同步注漿范圍示意圖(單位:mm)

Fig.17Sketch diagram of synchronous grouting scope increasing (mm)

2)在盾構(gòu)施工工藝參數(shù)控制方面，可提高盾構(gòu)掘進(jìn)施工速度，在保證施工質(zhì)量和施工安全的前提下，盡可能快速地通過(guò)；同步注漿須保證注漿壓力和注漿及時(shí)性，快速封閉盾構(gòu)施工引起的建筑空隙，盡可能減少地層損失；在軟土地區(qū)，由于地層的自愈性，可采用初凝時(shí)間較短的注漿材料，如水泥-水玻璃雙液漿等，提高填充區(qū)的早期強(qiáng)度；采用高質(zhì)量的渣土改良劑和嚴(yán)格控制出渣量，提高密封性，平衡開(kāi)挖面水土壓力，以控制盾構(gòu)刀盤切口地層損失，減小因水土流失造成的地層超前沉降，避免地面沉降量的疊加。

6結(jié)論與體會(huì)

1)通過(guò)理論解析解計(jì)算和三維數(shù)值模擬分析得出的單純由于盾構(gòu)施工荷載引起的地面沉降是有限且較小的，施工工藝參數(shù)是主控沉降程度及發(fā)展的關(guān)鍵因素。盾構(gòu)快速平穩(wěn)地掘進(jìn)施工，能減小對(duì)地面沉降的影響。

2)當(dāng)盾構(gòu)下臥土層為較厚的砂土層時(shí)，在盾構(gòu)施工荷載影響下，其固結(jié)時(shí)間較短，初期沉降明顯，造成的地面累計(jì)沉降值收斂較快；當(dāng)盾構(gòu)下臥土層為較厚的黏土層時(shí)，其固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，初期沉降不明顯，造成的地面累計(jì)沉降值收斂較慢，且盾構(gòu)施工造成的累計(jì)地面沉降量總體大于下臥土層為較厚砂層時(shí)的地面沉降量。

3)根據(jù)地層自身特性和盾構(gòu)施工工藝參數(shù)2類影響因素，通過(guò)選用與地層特性相適應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)型，合理選擇并優(yōu)化盾構(gòu)施工工藝參數(shù)，嚴(yán)防盾構(gòu)刀盤切口地層損失，嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行同步注漿及二次注漿，可較大程度地減小盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)環(huán)境的影響。通過(guò)在預(yù)制管片底部標(biāo)準(zhǔn)環(huán)上新增注漿孔，增大成型管片底部注漿量和注漿范圍，理論上可有效控制施工期地面沉降和工后沉降，對(duì)后期周邊地塊開(kāi)發(fā)對(duì)成型盾構(gòu)區(qū)間造成的影響也有良好的控制作用。

4)在盾構(gòu)慢速掘進(jìn)時(shí)，更應(yīng)該根據(jù)穿越地層條件和地面環(huán)境，充分預(yù)測(cè)和評(píng)估盾構(gòu)施工對(duì)地面建(構(gòu))筑物的影響，按地面環(huán)境的重要級(jí)別和對(duì)沉降的承受能力，綜合判斷其安全性，必要時(shí)可采取超前地層預(yù)處理措施。若在盾構(gòu)施工因外界條件限制須停機(jī)的情況下，應(yīng)提前籌劃，盡量選擇下臥土層較好的區(qū)段，如復(fù)合盾構(gòu)選擇巖層地段，軟土盾構(gòu)選擇密實(shí)砂層等。在施工環(huán)境復(fù)雜的情況下，應(yīng)經(jīng)常對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行檢查維護(hù)，避免非正常停機(jī)。

本文在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用了土層壓縮變形只考慮豎向附加應(yīng)力引起的地基沉降、土層不發(fā)生側(cè)向變形、土層的壓縮和土中水的滲流只沿豎向單向發(fā)生、土層中水流是單相穩(wěn)定線性流動(dòng)和各土層為單一均質(zhì)的彈塑性體等基本假定，為同類工程的相關(guān)研究提供了計(jì)算思路，而其普遍適用性則有待于進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

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Influencing Factors and Control Technologies for Ground Surface Settlement Induced by Shield Tunneling When Shield Bores Slowly/Shield Stop

GUO Meng

(China Railway Tunnel Survey &Design Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300133,China)

Abstract:The analysis of influencing factors of ground surface settlement induced by shield tunneling in soft ground and the accurate prediction of settlement can provide theory basis for shield tunneling parameter optimization and settlement control.The theoretical analysis method and three-dimensional numerical simulation method are adopted for studying shield boring with a low speed (or shield stop).The ground settlement induced by shield tunneling is calculated by the above-mentioned two methods,and is compared with the measured settlement data of shield stop section of Xingengjie Station-Tianbaolu Station section of Ninghe Intercity Railway in Nanjing.The influencing factors of ground settlement induced by shield tunneling are analyzed in terms of settlement value differences.The analytical results show that the shield tunneling parameters,excess pore water pressure dissipation and ground loss are the main influencing factors of ground surface settlement.The ground settlement induced by shield tunneling can be minimized by means of construction parameters optimization and economical and reliable advanced foundation treatment.

Keywords:shield;slow advancing;shield stop;theoretical analytical solution;numerical simulation;settlement control technology

收稿日期：2016-01-08;修回日期:2016-03-24

作者簡(jiǎn)介：郭幪(1984—)，男，河南伊川人，2006年畢業(yè)于長(zhǎng)沙理工大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)從事隧道及地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。 E-mail:velen7979@163.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.008

中圖分類號(hào)：U 455.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1672-741X(2016)06-0701-09