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1、浅覆土软弱地层盾构施工地面变形控制浙江建筑,第27卷,第4期,2010年4月ZhejiangConstruction,Vo1.27,No.4,Apr.2010浅覆土软弱地层盾构施工地面变形控制ControIofGroundDeformationinShieldConstructioni13ThinEarthCoveredWeakStrata石文广,虞兴福,黄小斌SHIWenguang,YUXing-fu,HUANGXiao-bin(浙江省大成建设集团有限公司,浙江杭州310012)摘要:介绍了在杭州地区粉砂,粉土且地下水丰富的浅覆土软弱地层中,杭州地铁l号线盾构工程施工技术,通过对盾构掘进施工
2、过程中的异常情况进行分析,得出如何控制地表沉降变形,减少对周边环境影响的施工技术措施,从而保证盾构施工的安全.关键词:盾构;浅覆土;软弱地层;地面变形中图分类号:TU94文献标识码:B文章编号:10083707(2010)040027一o4土压平衡盾构机在砂质粉土夹粉砂,淤泥质粉质黏土夹粉土为主的地层中穿越建筑物施工,由于盾构开挖范围内的土层振动易液化,易坍塌变形,且在地下水作用下易产生流砂,因此,在此地层中施工,减小对地层的扰动,控制地面变形,减少对周边环境的影响,是工程实施的重点控制环节.l工程概况杭州地铁1号线某区间盾构工程,区间线路最小平面曲线半径为600m,线间距最小值为13m,区间
3、隧道纵剖面为人字坡,最大坡度3.4%0,隧道顶埋深约7.810.5m;区间设计起点起始里程为K26+039.180K27+055.761,全长1022.920m,隧道采用的管片分块为5+1块,管片外径为6200mm.线路在管线较多的市政道路下通过,其中,两次穿越建筑物,建筑物的状况见表1.表1穿越建筑物的状况1.1工程地质情况区间主要地层从上往下依次为:1杂填土,2砂质粉土,3砂质粉土夹粉砂,6粉砂夹砂质粉土,7淤泥质粉质黏土夹粉砂.其中,隧道断面所处地层以6粉砂夹砂质粉土为主,各层力学性能参数见表2.表2地质情况汇总表收稿日期:2oo91029作者简介:石文广(1975一),男,广东广州人,
4、工程师,从事工程管理工作.28浙江建筑2010年第27卷1.2水文地质情况沿线浅层地下水属孔隙性潜水,主要赋存于表层填土及28层粉土,粉砂中,由大气降水和地表水径流补给,地下水位随季节变化.勘探期间测得钻孔静止水位埋深0.52.2m,相应高程3.724.98m.根据区域水文地质资料,浅层地下水水位年变幅为1.02.0m,多年平均高水位埋深约0.51.0m.1.3盾构机概况盾构机是由日本小松公司生产的加泥型土压平衡盾构机,其性能规格参数见表3.表3盾构机性能参数表序号位置项目名称参数适应地层土质种类最小曲率半径条件最,J,衄罕半伫最大坡度总长总重开挖直径盾构装备总功率整体最大推力盾尾密封最大工作
5、压力形式最大转速,刀盘刀率刀盘对复合地层的适应性4同步注浆系统泡沫系统对应淤泥质黏土,粉质黏土,黏土,砂质黏土,粉砂150In40%8680mill约360t4,6340mm约792.2kW37730kN3道钢丝刷刀盘密封0.8MPa,铰接密封0.8MPa盾尾刷密封0.4MPa面板式1.3n/rain5147kN?m(100%)40%能适应各种软土层及小于10MPa的风化岩A液泵流量280L/min压力5.5MPa功率30kWB液泵流量20L/rain压力1.5MPa功率1.5kw清洗用泵流量100L/min压力5MPa功率15kW水泵:流量133L/rain0.8MPa功塞7.5kW泡沫泵:
6、流量5L/rain0.9MPa功摩0.75kW2地面沉降变形情况及原因分析2.1地面沉降变形的理论分析R.B.Peck(1969)通过对大量地表沉降数据和有关工程资料的分析以后,提出了地表沉降槽呈似正态分布的概念.认为地层移动由地层损失所引起,且盾构施工引起的地面沉降是在不排水条件下发生的,所以地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积.地表沉降横向分布估算公式为:.s()=SP(一).=一一2.5i其中:s()一距离隧道中心轴线为处的地表沉降值;一施工引起隧道单位长度的地层损失(m/m);S一隧道中心线处的地表沉降最大值;一地表沉降槽宽度系数,即隧道中心线至沉降曲线反弯点的距离.由i=2竹(45.
7、一/2)计算所得,日为地面至隧道中心的深度,为土体内摩擦角(.).距隧道中线距离,m-25-2015一l0505l0l52025曲塑一一s.o/蜉,一10.0图1横断面沉降槽分布曲线图以上分析可以看出,盾构在富水砂层中掘进,由于隧道覆土浅,地层受扰动变形敏感.所以,控制盾构掘进对地表的影响尤显重要.横断面沉降槽分布曲线见图1.2.2施工参数及地面变形异常情况结合本区间盾构施工与地表沉降变形关系,进行如下分析.在本区间左线隧道约200m的盾构掘进施工中,盾构施工参数异常表现有以下两方面:(1)盾构土仓压力波动大,以土仓上部的压力值为参照,当设定压力为0.08MPa时,压力变化幅度为0.060.1
8、2MPa.(2)此段隧道埋深约为8.59.Ill,施工中,用于土仓内改良土体的泡沫从下水管道附近或地质探孔中喷出.以上异常情况,地表表现沉降变化大.选取地表沉降较为典型的两个断面,见图2:左线380环断面沉降图;图3:左线405环断面沉降图.第4期石文广等:浅覆土软弱地层盾构施工地面变形控制29图2左线Z380断面沉降图=,.一,/,=棚8月日(5:日(16:0oI8丹7日(5:00如月7日(16:I8月8日(日YsMI,-:,b月(I-_1_.一咖:一明邶图3左线Z405断面沉降图可见:(1)在浅埋富水性砂层中,盾构刀盘前方约15m范围内的地层有所扰动.(2)地层的灵敏度高,相邻两次测量值显
9、示,刀盘前地层呈起伏变化.(3)盾构过后地层沉降量大,部分测点超过规范充值(+10mm,一30mm),且盾构过后能迅速趋向稳定.2.3地面变形过大的原因分析根据盾构施工引起地表沉降变化情况,按地表断面沉降变形曲线的形态,结合本区间的水文,地质及隧道覆土情况,对以上情况进行如下原因分析.根据盾构机达到的时间先后,将地表沉降划分为五个阶段:盾构到达前地表沉降,盾构到达时的地表沉降,盾构通过时的地表沉降,盾尾建筑空隙引起的沉降及后期地表固结沉降.2.3.1盾构到达前地表沉降盾构开挖面尚未到达测点以前的沉降或隆起,主要是由土仓压力波动引起,当设定的掘进土压力设置偏低时,刀盘前方土体受主动土压力影响,盾
10、构处在欠压掘进模式,刀盘前方的土体易产生坍塌,引起地面沉降.反之,当设定的掘进土压力偏高时,刀盘前方土体受被动土压力影响,开挖面土体挤压,富水砂层的高压缩性,易造成土体中水流失,土体挤密,并引起地面隆起.参照图2,图3两个断面,盾构机到达前的地表隆起,主要是由于此原因造成.2.3.2盾构到达时的地表沉降开挖面到达测点时,周围土体因开挖卸荷(应力释放)导致变形发生,引起地面沉降;如开挖面设定压力过大时,产生隆起.因此,掘进施工中根据地面变形监测情况,严格控制开挖面土体的受力情况,以土体受静止土力压力为宜,建立较为理想的土压平衡掘进模式.此方面的控制主要表现在盾构推进力,出土量的控制.2.3.3盾
11、构通过时的地表沉降开挖面到达盾体上方时,期间发生的沉降或隆起主要是由于盾体向前移动过程中受盾体自重的影响,盾壳对其周边地层的摩擦和剪切作用引起,主要表现为地表下沉.2.3.4盾尾离开测点后发生的沉降由于盾构机外径大于管片外径,盾尾离开测点后,管片外表面与地层间的建筑空隙需要填充,以控制地表变形.因此,盾尾壁后注浆不及时或注浆量,注浆压力,注浆盘蛙30浙江建筑2010年第27卷部位,浆液配比和材料方面不适当,使得建筑空隙未能及时填充以形成支撑,管片脱出后,无自稳能力的软土自行填充建筑空隙,造成地层应力释放.另外,盾构在平面或高程纠偏过程中所引起的单侧土体附加应力在盾尾脱出后亦发生应力释放,最后反
12、映到地表沉降变形.-图2,图3两断面沉降最大测点,即为盾构机离开测点后,发生最大沉降,但在盾尾同步注浆填充后,地表产生一定的隆起.2.3.5后期地表固结沉降盾尾脱出约一周后的地表沉降.主要由底土蠕变而产生的塑性变形,包括超孔隙水压消散引起的主固结沉降和土体骨架蠕变引起的次固结沉降.原土体的力学性能发生改变,即使过后土体得到水补充.3盾构施工中减少土体扰动的控制及效果根据以上分析,依据富水砂层的特性,采取相应技术措施,较好地控制了地面沉降,具体如下.3.1确定开挖面土压力,控制出土量,较好地建立土压平衡掘进模式土压力的设定应严格保持开挖面的土压平衡,减少压力的波动,同时还应严格控制与切口平衡压力
13、有关的施工参数,如出土量,推进速度,总推力,实际土压力绕设定土压力波动的差值等(通常土压力波动范围为0.O1MPa),并根据监测情况,适当调整.施_T中,建议切口前方土体隆起值控制在+2+3mm.严格控制出土量,采用体积计量法,每环的实际出上星为理论土方量的1.01.05倍,施工中按一定体积的土方量对应的推进千斤顶的行程进行计量,避免超挖.3.2严格控制盾构土仓内泡沫的注入量及注入压力,减小对土层的扰动本区间大部分地段为孔隙比大的富水性粉砂层,隧道覆土浅.为减少对地层的扰动,应严格控制土仓内注发泡剂的使用,减少用量,避免与泡沫并存的压缩空气排挤开挖面前后土中的水,或穿透地层冒出地面,对地层造成
14、大的扰动,导致地面产生较大的变形.3.3优化浆液配比,合理设定注浆量及注浆压力,必要时,进行盾构过后的二次注浆(1)同步注浆的效果,对于在敏感,自稳性能差的砂层中控制地表沉降而言,具有决定性的影响,因此,对于浆液配比,注浆量以及注浆压力的确定尤为重要.施工中,对浆液的容重,粘度应有一定的要求.实际注浆量按理论注浆量的200%250%进行控制.施工中,严格控制盾尾油脂的用量,按每环2O30kg/环进行控制.盾尾间隙调整均匀以防漏浆,上,下(左,右)间隙差不超过20mm,以防止漏浆.(2)盾构过后的二次补浆.通常而言,盾构穿越前,测点会有一个持续缓慢隆起的过程,在盾构穿越后,测点会有一个持续沉降的
15、过程.二次补浆的目的就是要尽可能地降低盾构施工引起的后期沉降.为避免对地层的扰动过大,二次补浆以少量多次为原则,在测点刚脱出盾尾时,根据测点沉降变化情况,选择是否进行二次注浆.二次注浆每天施工1次,每次注浆量约为500L/孔,浆液采用水灰比1:1的单液浆(水泥浆),经过几次补浆后,测点沉降速度变缓,当测点稳定后,则停止二次注浆施工.3.4采用信息法施工,利用监测结果指导施工,不断优化施工参数,提高推进水平加强地面监测频率,正常施工状态下每班的沉降测量数据应在下一班接班前得出,如有异常,则适时增加监测次数,如盾构穿越房屋期间,每天进行六次监测,白天三次,晚上三次,并及时将结果反馈,以便对盾构施工
16、参数进行调整.地面沉降24h内超过5mm时应引起高度重视,并迅速组织二次注浆.3.5做好施工各方面的组织准备工作,保持施工过程的连续性应将涉及盾构施工的人员,设备,物资,技术,环境等各方面准备到位,保持施工过程连续,通过同步注浆对周边土体进行填充,以减少开挖面在盾体上方产生的沉降.通过对地面沉降变化大地段的施工过程进行分析,并实施上述的技术措施后,在后一段的盾构掘进施工中,地面沉降变化得到较好的控制,且盾构在穿越建筑物时,对建筑物的影响较少.见图4,5.参照地面沉降变形的理论分析结果,可见,盾构在富水砂层中施工,由于土体受到的盾构正面推力影响,土体的物理力学性质虽然有所改变,但与理论计算相比,
17、形成的沉降曲线基本相似.(下转第34页)34浙江建筑2010年第27卷4结论运用三维有限差分软件FLAC3D模拟了不同施工方法对地面带来的影响,通过以上模拟结果可以得出以下结论:(1)采用盾构法施工时,一般在隧道上面的地表均会有变形,地表变形的程度与隧道施工方法有密切的关系,(2)通过对比双盾构同时施工,同向推进,单盾构施工,双盾构相向施工三种施工方案所引起的应力场,位移场的变化,可知双盾构同时同向施工方案能更有效地减小对地面的影响;(3)在用三维有限差分软件FLAC3D进行数值模拟时,需要对工程进行一些假设和简化,不能反映完全真实的施工情况,但是能够对施工提供一些有益的理论;(4)在软土地下
18、工程双盾构类似工程施工中,建议采用双盾构同时同向施工方案.参考文献WangSH,LeeCI,R8njithPG,ela1.ModelingtheEffectsofHeterogeneityandAnisotropyontheExcavationDamaged/Dis?turbedZoneJ.RockMechanicsandRockEngineering.2009,42(2):229258.张云,殷宗泽,徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析J.岩石力学与工程,2002,21(3):388392.金建峰,吴辉,吴雅峰.盾构施工引起的地表沉降规律分析J.科学技术与工程,2007,15(7):3785
19、3788.丁锐,范鹏,焦苍,等.不同开挖步骤引起浅埋隧道地表沉降的数值分析J.铁道工程,2005(5):6265.张冬梅,黄宏伟.地铁盾构推进引起周围土体附加应力分析J.地下空间,1999,19(5):379382.林志,朱合华,夏才初.近间距双线大直径泥水盾构施工相互影响研究J.岩土力学,2006,27(7):11811186.(上接第30页)图4左线480环断面沉降图入.一点+J47493环/.-It-J48515环5l/.,一.一一-/入./,./.一=一,一.擅l薄u辔I.搏,.静.誓禧辨薄璐.,薄潞-禧,鲁,.船4结语图5盾构通过房屋1沉降变形图引起盾构隧道地表沉降的因素很多,施工时
20、要根据地质特性综合考虑,遵守土压合理,土体平衡,减少扰动,快速掘进,及时注浆,严密监测,迅速反馈的原则,通过对影响地表沉降的要素严格控制,加强严密监测和严格管理,地面沉降是能得到很好控制的.234参考文献刘建航,候学渊.盾构法隧道M.北京:中国铁道出版社,1991:17.付德明.上海地铁区间隧道土压平衡盾构施工及地面沉降控制c/软土地下工程施工技术论文集.上海:华东理工大学出版社.2001:166170.唐益群,叶为民.上海地铁盾构施工引起地面沉降的分析研究J.地下空间,1995(4):250258.张厚美,张良辉.广州地铁二号线赤一鹭区间隧道盾构施工引起的地面沉降规律分析C.2003上海国际隧道工程研讨会,2003:246247.