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地鐵黃土地層中盾構隧道地表沉降控制技術研究
2020-04-04 07:48:26   來源:焦作新礦機械

0 前言

焦作市新礦機械有限公司供應國內隧道機械、地鐵鋼管片、聯絡通道鋼管片為企業客戶,鐵路、高鐵,地鐵客戶,提供一流的機械產品和優質的服務。
地鐵盾構施工技術具有很多優勢,譬如:可以提供保護,使開挖與襯砌的安全性提高;可以采用解析化與自動化的掘進、運土以及管片拼裝,使得工作效率增強,勞動強度減少;且對地面交通不會造成影響,也不受外界環境的限制,且具有較好的經濟效益。因此,在黃土地層的地鐵隧道施工中應用廣泛。但由于黃土地層本身的復雜性,使得地鐵盾構施工技術存在很多安全隱患,地鐵盾構施工技術的安全問題與地表沉降密切相關,因此對地鐵黃土地層中盾構隧道地表沉降控制技術研究極具實用價值,F今,關于地鐵盾構隧道地表沉降的控制方法,還僅僅依靠采取嚴密措施降低沉降,不能有效解決黃土地層中地鐵盾構隧道地表沉降;诖,本文以西安地鐵為例,提出隧道施工穿越古城墻的新模式,通過增強土體力學性能參數,來降低地鐵盾構隧道地表沉降現象。

1 黃土地層概述

黃土地層主要以黃土為主。黃土作為一種特殊的土,在分布在一定的區域。黃土地層的顆粒組成以粉粒為主,大概占據60%~70%。

黃土地層的結構特征表現在:

① 對黃土來講,其具有發育完全的豎向節理,但水平機理發育較差。黃土地層的主要分布區域在干旱地區或者是半干旱地區。在該地區,長時間受蒸發與干縮的影響,以及水的淋溶作用,使得黃土地層具有極為明顯的豎向節理;在風的作用下,黃土物質會被搬移到極為遠的地區,當顆粒均勻混合,且在同一地區沉積,會由于成分、顆粒、顏色等的區別,是黃土結構層次明顯。

② 黃土地層中存在古土壤夾層,在黃土沉積條件下,在黃土表層被剝燭,從而形成剝蝕面,并阻斷土壤進程化,這便形成了上下層之間的不整合面或者是假整合面。土壤中存在較多的有機物,具有不同的礦物成分以及顆粒。由于受當地氣候、經歷時長以及生態環境等的影響,使得這些古土壤夾層表現出不同的顆粒大小及其顏色和厚度。黑沙土位于新黃土上部,呈現灰色。在古土壤夾層中有多個古土壤,這表明第四紀氣候存在氣候大幅度更替的特征。

③ 黃土地層中還有鈣質結核存在。且具有較多的韓質,形成的主要原因在于水自上而下的淋溶。對韓質開始富集時,會呈現白色斑點或者是菌絲狀、網狀形式;高度富集狀態,則會呈現硬結成塊,且大小和形狀表現出不規則形式,結核的呈現形式則表現在直立、群狀以及按層分布。常見的結核表現在半巖石形態,結核處于高密集、硬結狀態。

2 地鐵盾構隧道地表沉降影響因素分析及變形計算

2.1 影響因素分析

在地鐵盾構施工中,影響地表沉降的主要因素包括:

① 正面附加推力。

正面附加推力在-20~20 kPa范圍內波動。如果附加推力太大,則必將導致開挖面前方土體隆起,使得地表沉降。

② 盾構與土體之間的摩擦力。

在施工過程中,盾構與土體之間緊密接觸,這使得盾構機在運行過程中,會引起土體移動。土體移動后會重新固結,導致地表發生變形引起沉降。

③ 盾構開挖過程會有盾尾間隙產生。

盾構在實施開挖時,為了確保盾構可以順利實施,刀盤外徑一般都要超過盾構殼外徑。因此,盾構殼外圍會有厚度差存在,推進方向產生改變引起超挖;土體也可能進入盾尾間隙,導致土體損失,從而引起地表沉降。

2.2 變形計算

基于地鐵盾構隧道地表沉降的影響因素,以半解析法為基礎,對各因素引起的地表沉降量進行分析,從而為盾構進行隧道地表沉降控制提供依據。盾構在進行具體施工時,其施工基本力學模型如圖1所示。

圖1 盾構施工力學模型
Figure 1 Mechanical model of shield construction

并進行假定,即:土體屬于半無限體,具有不固結、不排水、均質的特性;盾構機的推進方法采用直線模式;盾構機為均勻分布受載,換句話說,土體與盾構機之間的摩擦力沿盾構機方向均勻分布,正面附加推力的方向則為圓形方向分布;盾構進行推進時,僅僅考慮空間位置變化,對于時間效應則忽略。具體變形分析如下:

① 正面附加推力導致的地表沉降變化計算。

由圖2所示,選取盾構機工作面的圓形區域,取面元微分rdrdθ,基于Mindlin解公式可得出在正面附加推力作用下土體位移豎直方向的變形公式(1):

(1)

其中:

(2)

式中:x表示盾構推進方向距離開挖面的水平距離,m;μ表示土體的泊松比;P為正面附加推力,kPa;D表示盾構直徑,m;h表示隧道與地面間的豎直距離,m;y表示的是垂直于隧道軸線的水平距離,m;z代表距離地面的豎直距離;G代表土體剪切彈性模量,MPa,大小為,E為土體模量,MPa。

式(1)通過直接積分求得結果比較困難,因此基于數值計算方法對其進行計算。

正面附加推力的大小一般為-20~20 kPa之間,黃土地層的土體模量為2.8 MPa,泊松比μ為0.3,所以G大小為 1.076 9。西安地鐵的襯管半徑為3 m,但在實際開挖時,要超挖情況存在,因此,D取3.05 m。隧道埋深相同,此時x=10 m,h=15 m。正面附加推力相同,此時x=10 m,P=10 kPa。

計算結果如圖2和圖3所示。

圖2 相同隧道埋深時地表沉降隨正面附加推力的變化曲線
Figure 2 Surface subsidence curve with additional thrust front under the same tunnel depth

圖3 相同正面附加推力地表沉降隨隧道埋深的變化曲線
Figure 3 Ground settlement curve with the tunnel depth under same positive additional thrust

由圖3可知:隧道埋深相同的情況下,地鐵盾構隧道地表沉降隨正面附加推力的增加而增大,但地表沉降的范圍基本不變。盾構推力的大小與地表沉降密切相關,當正面附加推力超過穩定開挖面所需壓力時,地表會隆起;當低于穩定開挖面所需壓力條件下,則地表會沉降。由圖4可知,在正面附加推力相同的條件下,當地表豎直方向位移量距離隧道軸線±15 m以內時,盾構隧道地表的變形隨隧道埋深的增加而降低;在距離隧道軸線±15 m以外,則隨隧道埋深的增加而增大,但增加比例較低。

② 盾構與土體相互摩擦造成的地表沉降計算。

同正面附加推力相同,見圖1,選取盾構機工作面的圓形區域,取面元微分rdrdθ,基于Mindlin解公式可得出在正面附加推力作用下土體位移豎直方向的變形公式(3):

(3)

其中:

(4)

式中:L表示盾構機長,m;p1則代表盾構機與土體之間單位面積摩擦力,kPa,大小為p1=σN×f,f為摩擦系數,σN代表正壓力。對(3)計算,同正面附加推力的變形計算相同,分兩種情況,即:隧道埋深相同,此時x=10 m,h=15 m;摩擦力相同,此時x=10 m,p1=4 kPa。計算結果如圖4和圖5所示。

如圖4可知:在隧道埋深相同的情況下,地表變形量隨摩擦力的增大而增大,且摩擦力作用,地表會產生隆起。因此,在盾構施工時,可以通過減少盾殼與土體之間摩擦力的方式,控制地表沉降。由圖5可知:在隧道埋深相同的條件下,在距離隧道軸線±20 m范圍內,對隧道埋深的增大,地表變形量降低;當在距離隧道±20 m范圍外,隨隧道埋設的增大,地表變形量增加。

圖4 隧道埋深相同條件地表變形量與摩擦力的關系
Figure 4 The relationship between surface deformation and friction under tunnel depth same conditions

圖5 摩擦力相同條件下地表變形量與隧道埋深的關系曲線
Figure 5 The relationship between surface deformation and tunnel depth under the same friction

③ 盾尾間隙引起的地表變形計算。

Loganathan等人前人工作的基礎上,利用地層損失系數的概念以及Lee等人提出的間隙參數的概念,并結合土在隧道內的移動方向為橢圓形,且分布不均勻的特點(見圖6),可知,在短期不排水地層中,地表的變形量如式(5)所示。

(5)

式中:g為間隙參數。

圖6 隧道周邊土體的均勻徑向變形和橢圓形變形
Figure 6 Uniform radial of tunnel surrounding soil deformation and deformation oval

對(5)式進行計算同樣分2種情況,即:隧道埋深相同條件下,取h=15 m;地層損失率相同條件下,取g=25 mm。計算結果如圖7和圖8所示。

圖7 相同隧道埋深條件下地表變形與地層損失的關系圖
Figure 7 The relationship between surface deformation and ground loss of same tunnel depth

圖8 盾尾間隙相同條件下地表變形與隧道埋深的關系圖
Figure 8 The relationship between surface deformation and tunnel depth of the same ground loss

由圖7可知:相同隧道埋深條件下,隨盾尾間隙的增加,地表沉降增大。因此在地鐵黃土地層中,盾構隧道施工中,要嚴格控制盾尾間隙。由圖8可知:盾尾間隙相同情況下,在距離隧道埋深±10 m范圍內,隨隧道埋深的增加,地表變形減少;在距離隧道埋深±10 m范圍以外,則隨著隧道埋深的增加,地表變形增加。

地表沉降大小則是正面附加推力、盾構與土體之間的摩擦力以及盾尾間隙三者共同作用產生的。因此,對地鐵黃土地層中盾構隧道地表沉降控制應綜合考慮這三個因素的影響。

3 地鐵黃土地層中盾構隧道地表沉降控制

技術

3.1 工程概述

西安地鐵2號線的建設需要穿越明代建筑物的古城墻,該古城墻屬于國家一級重點保護文物。依據國家文物局專家的相關意見,在進行盾構施工時,隧道地表沉降值應控制在+15~-15 m,誤差必須控制在1‰,如此可使城墻的穩定不受影響,也不會改變古城墻原貌。以地鐵2號線某區間為例。該區間的具體概況如下:1~2.2 m處屬于素填土,在2.2~11.4 m處新黃土,在11.4~14.8 m處則以古土壤為代表,14.8 m以下直至20 m處,土質為老黃土,20 m以下的土質則為古土壤。在施工過程中,主要的施工參數如下式所示:

L=8.68 m,g=25 m,G=1.076 9 m,D=6.18 m等。

在進行地鐵黃土地層中盾構隧道地表沉降控制之前,首先要對地表沉降進行預測。本文利用上述3種因素對地表變形的計算分析,可得出最大沉降值為15 mm,已達到隧道施工沉降值上限,因此,必須進行地表沉降控制。

3.2 地表沉降控制技術

① 科學設置正面推動壓力,避免超挖現象產生。

科學設置正面推動面壓力,必須以地表監測數據信息為基礎,對其進行調整。譬如,在穿越永寧門城墻段時,依據隧道埋深為15~17 m,因此,正面推動壓力應在1 200~1 500 t。此外,在進行具體施工時,還要依據施工情況進行調整。為避免超挖現象出現,還要對每環的出土量進行控制,一般控制在54 m3左右。

② 穿越古城墻時,要減慢推進速度,且確保速度穩定,盾構控制方向要恒定,避免出現大量值糾偏。

盾構的推進速度收土壓力、千斤頂總推力等的影響,因此,要綜合考慮。地表沉降與盾構推進速度密切相關,當推進速度過大時,土壓力相應增大,對土體擾動變回加大。為保證盾構順利實施,對推進速度要嚴格控制,通?刂圃10~15 mm/min,對每天的掘進量也要嚴格把控,使其控制在8環。當盾構機穿越古城墻時,盡量保證盾構的工作狀態最佳,同時對盾構軸線與糾偏量間的夾角進行嚴格把控,確保糾偏坡度控制在±1‰范圍內,平面偏差也要嚴格控制,使其在±30 mm內,且要確保每次的糾偏量低于5 mm。

③ 盾構施工過程中,要進行同步注漿,確保漿液飽滿。

在進行同步注漿過程中,要對注漿壓力進行控制,如果注漿壓力太小,則會降低漿液填充速度,使得填充不充分,當空隙存在條件下,會增加地表的變形量;當壓力過大,也會導致管片外的土層被漿液擾動,導致施工后期產生沉降,引起盾尾漏漿。所以,對注漿壓力要進行嚴格把控。一般來講,同步注漿壓力與盾尾入口密切相關,通常要稍微超過靜止時水壓與土壓之和,并以填補為主。由于每環壓漿量為建筑空隙的1.5~2倍,因此,注漿量一般在3.6 m3以上,注漿壓力為0.15~0.25 MPa。對漿液進行合理配比,確保漿液在進入間隙后6~8 h內初凝。

④ 及時進行二次補漿。

當管片脫落盾尾5環時,便要開始進行二次補漿,補漿大小一般為同步注漿量的30%。由于原有漿液凝固,產生收縮現象,導致空隙產生,因此要進行多次、少量補漿的模式對其進行補充。二次注漿的時間應依據地表沉降情況進行決定。當盾構穿越古城墻時,要確保每推進6環便進行一次環箍注漿。兩個環箍間要進行多次補漿,補漿位置應設置在環箍之后的第二環以及第四環的位置,而注漿位置則應控制在隧道頂部與其毗鄰處的接環管片位置。補漿時間則在環箍補漿之和大概12 h左右進行補漿。且應分為兩次進行,每次間隔24 h。為確保多次補漿對盾構掘進的影響,要確保盾構推進的連續性,并在最末處的臺車上安裝一補漿罐車,使其具有漿液儲備能量,漿液儲備量應控制在7.5 m3。

⑤ 嚴格把控盾構姿態,確保盾尾間隙勻稱。

通常情況下,盾構姿態與盾尾處漏漿密切相關。在推進過程中,盾尾處漏漿,會引起地面發生沉降。因此,盾構在進行推進時,要對盾構的推進軸線進行嚴格把控,使其與設計軸線吻合,并確保使其均勻分布在盾尾四周的間隙處。為保證盾尾處不漏漿,通常以盾尾油脂壓注量作為基礎,確保盾尾油脂量的注入量超過正常值的20 kg。

⑥ 對施工過程嚴格控制,確保盾構在穿越古城墻過程中連續進行。

盾構機的機重高達300 t,因此,在盾構推進過程中,如果由于意外造成長時間停機,則會導致地面沉降。為保證盾構機連續推進,因此,在進行推進之前,要對盾構機進行全面徹底檢測,并對可能存在的缺陷與故障做好檢測。

4 結論

本文以西安地鐵為研究對象,首先基于土力學理論,對引起地鐵黃土地層中盾構隧道地表沉降的因素進行分析,然后利用半解析法以及數值分析法分析各因素對地表沉降的影響規律。實踐證明,該方法可以很好的預測地表沉降值,可以為地表沉降的監測方案提供借鑒與參考。同時,該方法還證明影響沉降的主要因素為正面附加推力、盾構與土體之間的摩擦力以及盾尾間隙。在此基礎上,提出了隧道施工穿越古城墻的新方法,增強了土體力學性能參數,提高了經濟效益,降低了地鐵盾構隧道地表沉降現象。該模式在西安地鐵上應用,成功降低了地鐵盾構隧道地表沉降量。

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