杭州過江盾構隧道施工引起的地表沉降分析

杭州過江盾構隧道施工引起的地表沉降分析

0人工與自然條件越江隧道由于其良好的航道狀況、無氣候條件、抗疲勞防滑性能和戰(zhàn)略意義，近年來被廣泛用于越江工程。泥水平衡盾構法是越江隧道主要的施工方法之一,如上海上中路隧道工程、上海長江隧道工程、武漢長江隧道工程、南京長江隧道工程等均采用泥水平衡盾構施工。雖然盾構法有機械化程度高、掘進速度快、施工安全、對周圍環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點,但仍不可避免地對周圍土體產生擾動,引起周圍地層的移動和地表沉降。防洪大堤是整個防洪體系的重要組成部分,其抗洪能力直接關乎堤防保護范圍內人民生命財產安全。在上海若干越江隧道工程施工中,曾發(fā)生了大堤防汛墻底板滲水、防汛閘門變形、防汛墻倒塌等威脅提防安全的事故。因此,盾構法越江隧道穿越大堤時,如何控制施工減少對大堤的擾動以確保大堤的安全是十分重要的問題。本文通過對杭州慶春路過江盾構隧道施工地表沉降監(jiān)測數(shù)據的分析,討論了Peck公式在該工程中的適用性,對比分析了盾構穿越錢塘江南岸大堤時地表沉降較大的原因,并結合工程實踐總結了泥水盾構穿越大堤控制地表沉降的措施。1工程概論和地質條件1.1管片、盾構隧道杭州慶春路過江隧道南北方向垂直穿越錢塘江,盾構段總長3532.442m,其中東線長1765.478m,西線長1766.924m。管片外徑11.3m,內徑10.3m,厚50cm,環(huán)寬2m。管片采用通用契型環(huán),采用6標準塊+2鄰接塊+1封頂塊的分塊形式,錯縫拼裝,縱環(huán)向采用高強螺栓連接。盾構隧道采用2臺泥水平衡盾構機掘進,2臺盾構機均從江南盾構工作井始發(fā),始發(fā)段縱向坡度為-4.25%。盾構主機長11.4m,后配3節(jié)拖車,上載砂漿泵、電器液壓設備、主控室等,長約20m。盾構主機總重1100t,外徑11.65m。1.2工程地質與土層評價沿線場地地貌主要為錢塘江河床及兩岸的錢塘江河口沖海積平原,錢塘江南北兩岸已建成標準堤塘,岸區(qū)已不受潮汐影響,地貌上屬平原。擬建隧道與錢塘江垂直,該段河面寬度約為1200m,岸區(qū)標高5.0~6.5m(85國家高程)左右,北岸為錢江新城,已建成慶春路,道路兩側以綠化帶為主;南岸以苗木、魚塘為主,因人工魚塘開挖影響,微地貌有一定起伏。盾構施工主要穿越(3)層粉砂夾粉土、(4)層淤泥質粉質黏土、(5)層粉質黏土、(6)層粉質黏土、(7)層粉細砂和(8)層圓礫。各土層物理力學指標見表1。隧道穿越土層剖面見圖1。2加固區(qū)和測點布置地表沉降監(jiān)測從江南工作井至錢塘江南岸大堤一共布置19個斷面,編號D1~D19。監(jiān)測斷面布置情況如圖2所示。其中D1~D6因處于加固區(qū),數(shù)據失真,數(shù)據未采用;D7~D15所處地面隧道施工前為農田;D16~D19位于錢塘江南岸大堤之上。錢塘江南岸大堤于2002年建成,為50a一遇的標準堤塘。大堤頂部為寬8m的瀝青道路,有重型車輛頻繁通過。大堤結構見圖3。各監(jiān)測斷面垂直于隧道軸線,測點布置如圖4所示。根據各個斷面地表的具體情況,實際測點布置有所變動。本文僅對西線隧道盾構施工引起的地表沉降監(jiān)測數(shù)據進行分析。3地面沉降槽模型對隧道開挖引起地面位移的預測,目前工程實踐中普遍采用的是Peck提出的地面沉降的橫向分布估算公式:式中S(x)為地層損失引起的地面沉降;x為距隧道中心線的距離;Smax為隧道中心線處地層損失引起的最大沉降量;i為地表沉降槽寬度系數(shù);Vs為隧道單位長度地層損失;η為地層損失率,是地表沉降槽的面積與隧道開挖面積之比;R為隧道開挖半徑。對于i的取值,應用最為廣泛的是O’Reilly&New(1982)根據倫敦地區(qū)經驗提出的式中K為沉降槽寬度參數(shù);z0為隧道軸線埋深。3.1地表沉降規(guī)律圖5為部分監(jiān)測斷面隧道軸線位置地表沉降隨盾尾離開時間的變化曲線,圖中地表隆起記為正值,地表沉降記為負值。從圖5發(fā)現(xiàn),D7～D11沉降隨時間的變化規(guī)律基本相同:在盾尾離開監(jiān)測斷面之前,地表位移相對較小;盾尾脫離后,沉降速度和沉降量陡增;盾尾脫離5～6d后,地表稍有回彈,然后沉降速度出現(xiàn)轉折,沉降速度明顯變慢;之后沉降速度遞減。一般認為,管片脫離盾尾初期,由于建筑空隙引起地層損失,會產生比較大的沉降;之后的沉降主要由擾動土體固結引起。一般在盾構施工階段由于地層損失引起沉降的速度要大于后期固結沉降的速度。結合圖5,故認為盾尾離開5～6d之前的地表沉降主要由地層損失引起,之后繼續(xù)產生的沉降則主要由固結引起。從圖5可以看出,后期D7～D11沉降曲線斜率基本相同,說明固結沉降速度基本相同。從圖5可以發(fā)現(xiàn),D16～D19沉降規(guī)律基本一致:盾尾脫離之前,同D7～D11,D13相比,地表沉降相對較大;盾尾脫離后,沉降速度和沉降值驟增;盾尾脫離約15d之后,沉降曲線出現(xiàn)轉折,沉降速度明顯變慢;盾尾脫離約88d之后,地表沉降趨于穩(wěn)定。D7～D11,D13沉降曲線與D16～D19沉降曲線對比發(fā)現(xiàn),后者盾構通過時引起的地表沉降更大;前者盾尾脫離5～6d沉降速度出現(xiàn)轉折開始減小,后者盾尾離開后約15d沉降速度才明顯變慢。D13在盾尾離開6d之前沉降規(guī)律與D7～D11基本一致,但之后沉降速度相對較大。圖6為盾構穿越部分監(jiān)測斷面期間掘進進度曲線。如圖6所示,盾構切口到達里程RK2+986后,由于設備故障在此處擱置18d,此時盾尾到D13水平距離12.52m,后續(xù)拖車剛好位于D13正下方。盾構主機及后續(xù)拖車巨大的壓重壓縮下臥土層,進而引起地表產生較大沉降。這是D13后期沉降速度明顯大于D7～D11的原因。由此可見,盾構長時間在某一斷面擱置將加劇地表沉降。3.2地表沉降立體圖圖7為盾尾離開各監(jiān)測斷面不同時間(t=5,10,20d)時隧道軸線位置縱向地表沉降曲線。分析中,D7斷面為縱向坐標零點,各個監(jiān)測斷面縱向坐標見表2。圖8為各監(jiān)測斷面在盾構通過后沉降趨于穩(wěn)定時地表沉降立體圖,圖9為對應的地表沉降等值線圖。從圖7～9中可以看出,垂直于隧道軸線方向,隧道軸線位置處地表沉降最大,向兩側遞減;無論是在盾構離開各個監(jiān)測斷面初期,還是在各個斷面地表沉降趨于穩(wěn)定后,大堤處地表沉降都遠遠大于其他斷面。從圖7～9中還可以看出,縱坐標60～80m處(即D13所處位置)地面沉降也相對較大,這主要是盾構機在該位置擱置18d,盾構壓縮下臥土層,加劇了地表沉降。3.3不同地表沉降特性分析本文使用Peck公式對實測橫向地表沉降曲線進行擬合,進一步對比大堤和其他斷面地表沉降,并評價Peck公式在該工程中的適用性。Peck公式假定施工引起的地表沉降是在不排水情況下發(fā)生的,沉降槽的體積等于地層損失的體積。D7～D15在盾尾脫離5～6d之前主要為地層損失引起的沉降。所以取盾尾脫離5～6d的數(shù)據進行分析;為對比,D16～D19取盾尾脫離5d后的沉降數(shù)據進行分析。分析結果見表3。因D11橫向沉降曲線呈“W”形,未對其進行擬合。擬合結果發(fā)現(xiàn),各個監(jiān)測斷面橫向地表沉降曲線均可以用Peck公式較好地擬合。從表3同樣可以看出,D7～D15地表沉降擬合結果同D16~D19差別很大。D7～D15最大沉降量Smax為7.5～20mm,沉降槽寬度參數(shù)K取值范圍為0.25~0.31,地層損失率η取值范圍為0.10%～0.34%;D16～D19最大沉降量Smax為29.68～34.32mm,沉降槽寬度參數(shù)K取值范圍為0.33～0.41,地層損失率η取值范圍為0.78%～1.02%。D16～D19與D7～D15相比,地表沉降更大,沉降范圍更寬,地層損失率更大。普遍認為,在相同隧道開挖直徑的情況下,盾構施工引起的地表沉降隨覆土厚度的增加而減少。D16～D19隧道平均埋深比D7～D15大8.15m,但是地表最大沉降量卻平均比D7～D15大17.17mm,與地表沉降隨埋深增大而減少的觀點恰恰相反。圖10為部分監(jiān)測斷面的實測橫向地表沉降曲線,圖11～15為部分監(jiān)測斷面橫線地表沉降用Peck公式擬合的結果。3.4盾構掘進在利益分析方面的應用堤頂沉降相對于其他斷面較大的原因總結如下:(1)D7～D15所處土層盾構施工之前未曾有施工擾動,為原狀土,土質和土體力學性質相對較好;而大堤上覆厚約5m的填土,土質和土體力學性質相對較差。(2)大堤結構重度大于一般地層,與盾構在一般地層中掘進相比,在相同埋深的情況下,在大堤下掘進時開挖面水土壓力更大。(3)大堤為碾壓式土石堤(見圖3),主體結構為人工填土,整體性較差,局部變形沉陷之后,土石結構難以抑制變形的進一步發(fā)展,而是帶動鄰近土體位移。(4)堤頂?shù)缆酚兄匦凸こ誊囕v頻繁通過,對土體施加循環(huán)動荷載,對土體繼續(xù)產生擾動,并加速了盾構擾動后土體的固結沉降。(5)盾構穿越大堤期間,降雨較頻繁,且雨量大,持時久。降雨使大堤土體穩(wěn)定性降低:(1)雨水入滲使大堤淺部土體飽和度上升,重度增加;同時,雨水入滲產生滲透力,使大堤坡體下滑力增加。(2)隨雨水的入滲,大堤淺部土體的基質吸力下降,黏聚力減小,抗剪強度大幅下降。(3)盾構施工引起大堤坡面土體沉陷,土體內部產生裂縫,使得雨水更容易入滲,并使裂隙進一步加深、貫通,深層土體吸水后抗剪強度大幅下降。(4)降雨入滲使大堤土體迅速飽和,且在持續(xù)降雨作用下,土體排水受限,此時又受到盾構施工及車輛的擾動,產生較大的超孔隙水壓力,使得大堤坡面土體容易產生流滑。(6)大堤迎水面坡度1∶2,背水面坡度1∶3。盾構通過大堤時覆土埋深最大值和最小值差值△h約5m,盾構在通過大堤時開挖面水土壓力不斷變化,隧道軸線處水土壓力最大值和最小值差值△P約95kPa(取土體重度γ=19kN/m3,△P=γ△h=95kPa)。大堤兩個坡腳之間水平距離為34.26m,盾構在保持一定的速度掘進時,短距離內,切口泥水壓力難以隨開挖面的水土壓力及時調整。當泥水壓力設置過小時,開挖面土體失穩(wěn),引起較大的地表沉降。(7)盾構穿越大堤時,開挖面土層以淤泥質粉質黏土、粉質黏土為主。由于粉質黏土具有較強的黏性,切削后往往抱團形成大的泥土塊(見圖16);因此在該地層中掘進,泥水倉及泥漿泵易堵塞,從而導致泥水倉壓力波動劇烈,易造成開挖面土體失穩(wěn)。4盾構施工注意事項為確保盾構順利穿越大堤而不影響其正常使用和安全,本工程盾構穿堤時采取了一系列措施。在盾構穿越3個月后堤頂沉降趨于穩(wěn)定,沉降值控制在70mm之內,不均勻沉降斜率在0.24%之內?，F(xiàn)場觀察大堤,未見明顯裂隙,盾構穿越對大堤的正常使用和安全并沒有造成太大影響;堤頂仍有車輛頻繁通過,盾構穿越并未破壞堤頂?shù)缆范绊戃囕v的正常通行。因此認為,盾構穿堤時采取的施工措施行之有效地將大堤沉降控制在安全范圍內。結合本工程盾構越堤的工程經驗,對泥水盾構穿越大堤給出以下幾點建議。(1)盾構穿堤前:(1)對大堤結構及大堤處隧道開挖面及上覆土層進行詳細調查,分析盾構穿越對大堤可能造成的影響及盾構施工的不利因素,針對性地提出應對措施。(2)對盾構全面檢修,以保證設備正常運轉,避免在穿堤時停機檢修。(3)在對大堤結構、隧道穿越及上覆土層分析之后,并基于當前施工經驗,如果認為盾構施工會影響大堤的正常使用和安全;或對沉降和差異沉降的控制要求較嚴格,當前施工無法滿足時,需對施工影響范圍內的土體進行加固。(4)準備必要的應急物資和搶險設備,一旦出現(xiàn)險情及時處理。(2)避開加大沉降的不利因素:(1)合理安排施工進度,避免在雨季和汛期穿越大堤。(2)對于堤頂有車輛通行的情況,在盾構穿越時和穿越后一段時間內,如條件許可,應使車輛繞行,避免車輛對大堤的再次擾動。(3)盾構穿堤時:盾構穿越時,應不斷優(yōu)化各施工參數(shù),并使各參數(shù)相匹配,使對周圍地層的影響最小。(1)泥水壓力、泥漿流量及質量控制:因穿堤時覆土厚度不斷變化,泥水壓力難以隨水土壓力及時調節(jié),為避免泥水壓力過小導致開挖面土體失穩(wěn),建議取隧道最大埋深設定泥水壓力,同時將大堤結構的超載考慮在內。當開挖面土層以黏性土為主時,黏土易結塊,泥水倉及泥漿泵易堵塞;為避免堵塞引起泥水壓力波動,應加大進出泥漿流量,提高泥漿攜帶土塊的能力;同時加大刀盤轉速,減小掘削下土體的尺寸。泥漿的黏度、比重等參數(shù)要與當前開挖面土質相適應;進出漿量要與掘進速度相匹配,防止不合理的超挖和欠挖;盡可能避免泥水壓力的波動。(2)同步注漿及二次注漿控制:在盾構穿堤時,適當提高注漿量,合理設定注漿壓力,及時、同步地注漿;嚴格控制漿液質量,在盾構穿堤前反復試驗確定漿液的最佳配比;注漿應均勻,注漿量和掘進速度相匹配;推進時均勻、同步地壓注盾尾密封油脂,保證盾尾密封的止水效果。在盾構通過后,進行二次注漿,進一步填充建筑空隙,抑制地層變形的進一步發(fā)展。(3)盾構掘進速度及姿態(tài)控制:在保證開挖面穩(wěn)定的前提下,盡可能快速地通過大堤,并避免盾構較長時間的擱置;推進軸線盡量與隧道軸線保持一致,減小糾偏量,減輕盾構與周圍土層之間的摩擦;防止偏挖,減少盾構機俯仰、偏轉及橫向偏移。(4)管片拼裝質量控制:提高管片拼裝精度和拼裝質量;加強螺栓連接,在盾構通過一段距離后應再對其復緊,避免襯砌變形過大引起大堤沉降。(5)監(jiān)測控制:在大堤上布置合理的監(jiān)測點位,加大監(jiān)測頻率,密切關注大堤沉降情況,根據監(jiān)測結果實時優(yōu)化掘進參數(shù)。(6)穿越期間持續(xù)降雨的處理:持續(xù)降雨時,考慮到雨水入滲增加了土體重度,應將泥水倉壓力適當提高0.01～0.02MPa。對堤頂和坡面出現(xiàn)的張拉裂縫應立即采取防滲措施,防止雨水入滲。(4)盾構穿堤后:在盾構穿越后,仍需長期監(jiān)測,掌握大堤的沉降狀況,出現(xiàn)情況及時處理。大堤沉降監(jiān)測應持續(xù)到沉降穩(wěn)定為止。5地表沉降影響本文通過對杭州慶春路過江隧道盾構施工地表沉降監(jiān)測數(shù)據的分析,得出以下幾點結論。(1)由于大堤結構整體性差、大堤的超載、大堤結構的復雜性、降雨以及車輛荷