杭州慶春路過江盾構隧道施工引起的大堤沉降實測分析

杭州慶春路過江盾構隧道施工引起的大堤沉降實測分析

1人工與自然條件的融合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大堤沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,討論了Peck公式在該工程中的適用性,對比分析了盾構先后兩次穿越錢塘江南岸大堤時引起的大堤沉降,并結合工程實踐總結了泥水盾構穿越堤壩控制沉降的措施。2工程概論和地質條件2.1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。管片采用通用楔型環(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。盾構隧道采用兩臺泥水平衡盾構機掘進,兩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。2.2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)層淤泥質粉質泥土、(5)層粉質粘土、(6)層粉質粘土、(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。3材料和監(jiān)測概況錢塘江南岸大堤上垂直隧道方向布置4排沉降監(jiān)測斷面,編號D13~D16,布置情況如圖2所示。錢塘江南岸大堤于2002年建成,為50年一遇的標準堤塘。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(jù)各個斷面地表的具體情況,實際測點布置有所變動。4地表沉降槽t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公式。Peck提出的地面沉降橫向分布估算公式為:式中S(x)———地層損失引起的地面沉降;x———距隧道中心線的距離;Smax———隧道中心線處地層損失引起的最大沉降量;i———地表沉降槽寬度系數(shù);Vs———隧道單位長度地層損失;η———地層損失率,為地表沉降槽的面積與隧道開挖面積之比;對于i的取值,應用最為廣泛的是O’Reilly&New(1982)根據(jù)倫敦地區(qū)經驗提出的:式中K———沉降槽寬度參數(shù);z0———隧道軸線埋深。4.1沉降速度分析西線盾構于2009年5月5日開始掘進,7月24日至8月3日期間穿越錢塘江南岸大堤;東線盾構2009年6月22日始發(fā),8月29日至9月2日穿越大堤。東西線相距60m,在正常施工情況下相互影響較小。圖5為東西線隧道軸線位置大堤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。WD13~WD16為西線隧道監(jiān)測斷面,ED13~ED16為東線隧道監(jiān)測斷面。從圖5可以發(fā)現(xiàn):(1)WD13~WD16沉降規(guī)律基本一致:盾尾脫離后,沉降速度較大;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。(2)ED13~ED16沉降規(guī)律基本一致:盾尾脫離后,沉降速度相比西線要小;直至盾尾脫離約53d期間,沉降累積、沉降速度緩慢變小;之后沉降基本趨于穩(wěn)定。(3)西線盾構穿越時引起的大堤沉降與東線差別很大,西線在盾尾脫離初期(0~15d)沉降速度更大,且沉降趨于穩(wěn)定所需時間比東線長約33d,西線引起的大堤沉降遠遠大于東線。4.2地表沉降立體圖圖6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。從圖6可以看出,垂直于隧道軸線方向,隧道軸線位置處的大堤沉降最大,向兩側遞減;西線隧道上方大堤沉降遠遠大于東線。4.3地表沉降特征本文使用Peck公式對實測橫向地表沉降曲線進行擬合,評價Peck公式在預測大堤沉降時的適用性,并進一步對比東西線隧道上方的大堤沉降。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。大堤上各個沉降監(jiān)測點一般在盾尾離開10d之前沉降速度較大,之后明顯變小并隨時間推移遞減。所以認為盾尾離開10d之前的大堤沉降主要由地層損失引起,故均取各個監(jiān)測斷面盾尾脫離10d之后的沉降數(shù)據(jù)進行分析,其擬合結果見表2。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2同樣可以看出,WD13~WD16大堤沉降擬合結果同ED13~ED16差別很大。ED13~ED16最大沉降量Smax為15.83~21.91mm,沉降槽寬度參數(shù)K取值范圍為0.240~0.338,地層損失率η取值范圍為0.252%~0.515%;WD13~WD16最大沉降量Smax為39.86~47.71mm,沉降槽寬度參數(shù)K取值范圍為0.325~0.471,地層損失率η取值范圍為0.990%~1.570%。WD13~WD16與ED13~ED16相比,沉降更大,沉降范圍更寬,地層損失率更大。圖7為部分監(jiān)測斷面的實測橫向地表沉降曲線,圖8~圖11為部分監(jiān)測斷面橫向地表沉降用Peck公式擬合的結果。4.4土體受盾構施工擾動西線堤頂沉降相對于東線較大的原因總結如下:(1)西線盾構穿越大堤時降雨頻繁,且雨量大,持時久,降雨加劇了大堤沉降。降雨增加了大堤淺部土體的容重,并降低了其抗剪強度。大堤土體受到盾構施工擾動,加上堤頂來往車輛對土體施加循環(huán)荷載,使大堤內部土體迅速飽和,在地表持續(xù)降雨下,超孔隙水難以及時排出,使土體更容易產生流滑。(2)西線盾構在穿越大堤時,由于出碴不暢造成出漿管堵塞,泥漿管內壓力急劇增大,導致泥漿軟管發(fā)生爆裂,引起切口泥水壓力發(fā)生劇烈波動,盾構停機保壓1d,更換泥漿軟管。當盾構恢復掘進時又對地層產生較大的擾動。(3)在充分總結西線盾構過堤的經驗后,東線盾構穿越大堤時采取了一系列施工保護措施,優(yōu)化了施工參數(shù),減少了施工對大堤的擾動。4.5雙線掘進參數(shù)在充分總結西線盾構過堤經驗后,東線盾構穿越大堤時對掘進參數(shù)進行了優(yōu)化。良好的盾構掘進參數(shù)控制,是東線盾構穿堤引起大堤沉降明顯小于西線隧道的重要原因之一?，F(xiàn)選取東西線D14斷面,分析不同掘進參數(shù)對堤面沉降的影響。圖12為東線堤頂監(jiān)測斷面ED14及西線堤頂監(jiān)測斷面WD14軸線位置沉降隨盾尾離開時間的變化曲線。由圖12可見,盡管東西線監(jiān)測斷面地層及隧道埋深、大堤狀況等相同,但兩監(jiān)測斷面沉降差異較大。東線ED14最終沉降在40mm之內,而西線WD14沉降接近70mm。盾尾離開監(jiān)測斷面之前,西線WD14產生的堤面沉降更大;盾尾脫離后,西線盾尾沉降速度和沉降量遠遠大于東線;東線堤面在盾尾脫離53d后基本穩(wěn)定,而西線在脫離約90d后才趨于穩(wěn)定。圖13為兩線盾構穿越D14斷面期間掘進進度曲線。由圖13可見,穿越D14斷面期間,東線盾構掘進速度遠遠大于西線,計算得西線穿越時平均速度為5.85m/d、東線為9.74m/d。在保證盾構穩(wěn)定均勻掘進的前提下,提高盾構掘進速度:(1)可以減少盾構及后續(xù)拖車巨大壓重壓縮下臥土層引起的地面沉降。(2)可以縮短同步注漿漿液填充盾尾脫離時產生的建筑空隙的時間,減少由于盾尾間隙引起的地層損失沉降。由此看來,東線掘進速度大于西線是其堤面沉降小于西線的原因之一。兩線盾構穿越D14斷面時,部分掘進參數(shù)記錄見表3。由表3可見:(1)切口泥水壓力及切口總推力,東線盾構大于西線。東線適當提高了切口泥水壓力及總推力,降低了開挖面土體損失,這是東線在切口到達監(jiān)測斷面之前地面沉降較小的原因之一。(2)及時充分地填充由于盾尾脫離產生的建筑空隙沉降,是控制盾尾沉降的關鍵。西線WD14斷面盾尾脫離時,同步注漿耗時6h,而東線僅為2h。西線平均注漿量為21.83m3,而東線僅為17.52m3?？梢?單純增加注漿量并不能起到較好地控制盾尾沉降的效果。西線盾尾同步注漿遠大于東線,是西線盾尾沉降遠大于東線的原因之一。(3)東線盾構姿態(tài)控制優(yōu)于西線,且姿態(tài)波動較小。良好的盾構姿態(tài)控制,可以致使盾殼與周圍土層的摩擦、擠壓較小,減少施工擾動,進而減少擾動土體固結,這是東線堤面固結沉降量和沉降時間遠小于西線的原因之一。5下錨岸西線隧道上方大堤在盾構穿越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,現(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,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,參照國內若干工程實例[6、7],對泥水盾構穿越大堤給出以下建議。(1)盾構施工風險的控制(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)穿越麻黃的風險(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)在坍塌時，應連續(xù)優(yōu)化每個施工參數(shù)，并以滿足每個參數(shù)，以最小影響周圍層的影響(1)水平分層開挖土體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。當開挖面土層以粘性土為主時,粘土易結塊,泥水艙及泥漿泵易堵塞,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。泥漿的粘度、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)注漿和密封在盾構穿堤時,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)盾構與周圍土層之間的約束在保證開挖面穩(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)管道安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)測和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(jù)監(jiān)測結果實時優(yōu)化掘進參數(shù)。(6)泥水艙壓力持續(xù)降雨時,考慮到雨水入滲增加了土體重度,應將泥水艙壓力適當提高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)坍塌后的處理在盾構穿越后,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。6工程中價值地層及安全風險的控制(1)由于西線盾構穿越大堤期間持續(xù)降雨,泥漿管爆裂引起泥水壓力劇烈波動,加之缺乏過堤施工經驗,以及盾構掘進參數(shù)控制劣于東線等因素,致使西線盾構施工引起的大堤沉降更大,沉降槽更寬,地層損失率更大。(2)本