土压平衡式盾构穿越建筑群施工控制技术

2010-06-11陈周斌

城市轨道交通研究 2010年11期

陈周斌

(杭州市地铁集团有限责任公司,310020,杭州∥高级工程师)

采用盾构法修建隧道是目前地铁建设普遍采用的方法,因为该方法不需要地面开挖施工,对周边环境及构(建)筑物影响较小,造价也较低[1-2]。但由于该施工方法在施工过程中会不可避免地扰动土体,必然会造成隧道周边围岩不同程度的变形。如果是浅埋隧道,其上部土体的变形会更严重,上部土体的变形就会造成相应构(建)筑物的变形和沉降。这种变形和沉降超过一定的值,就会造成构(建)筑物的损毁,并可能发生事故[3-4]。因此,做好盾构施工时有关参数的控制及有关的准备工作,避免构(建)筑物过多沉降和变形,防止事故发生,就显得非常重要。

1 工程背景

本穿越工点位于杭州地铁某区间,盾构隧道外径6.2 m,管片厚度0.35 m,采用错缝拼装。隧顶埋深9.2～11.5 m。盾构机下穿民居所穿越的土层为:④2淤泥质黏土,⑥1淤泥质粉质黏土。穿越范围内民居有25幢之多。这些民居多为2、3层砖混结构、条形基础,建设年代从20世纪30年代到本世纪初不等。盾构穿越区的平、剖面图如图1、图2所示。

图1 盾构穿越居民建筑群平面示意图

2 盾构掘进参数的确定

盾构下穿建筑物施工时,相关参数的控制尤为重要,主要包括土仓压力、盾构推进速度、同步注浆参数等。现从数值模拟、理论分析对盾构主要施工参数进行分析确定,以对施工进行指导。

2.1 土仓压力值的设定

土仓压力值的设定对地层变形控制影响较大,根据经验一般设定为理论值(静止土压+水压)的105%～115%[5];但由于各地土层性质差异,需对该系数进行适当的修正。

图2 盾构穿越居民建筑群剖面示意图

通过有限元模拟,分析不同土仓压力值对上部建筑物沉降的影响[6]。选取一计算断面,隧道埋深为9.5 m。利用岩土工程软件PLAXIS建立三维隧道有限元模型,有限元网格基于15节点楔形单元。计算土层区域横向取60 m,纵向取24 m。模型中的土体采用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则。隧道衬砌与土体的相互作用则是通过在模型隧道表面设置古德曼接触面单元,并选取合理的虚拟厚度因子及强度折减因子模拟。模型底部施加完全固定约束,在两侧施加竖直滑动约束,模型表面则取为自由边界。计算中先开挖右线,后开挖左线。

模型中土层参数及结构物参数分别如表1、表2所示。

表1 土层参数

在数值模拟中分别选取土仓压力为1.1 P0、1.2 P0、1.3 P0三种工况进行计算(P0为静止土压力),分析在不同的土仓压力设定下,盾构隧道开挖对于上部建筑物的影响。由于本工程所涉建筑物均为浅基础,因此可以方便地认为基础底部变形与地表变形一致[5]。本文取不同工况下地表沉降作为分析对象。计算模型如图3所示。

表2 结构物参数

图3 计算模型

经计算,得到不同土仓压力下盾构推进引起地表的沉降(如图4所示)。

图4 地表沉降曲线

通过图4可知,随着土仓压力的加大,地表沉降量相应减小,但两者呈非线性变化关系。因此,在盾构穿越民居时适当增大土仓压力,可减小开挖引起的地表沉降,相应可减小地面建筑物的变形。因此,在盾构穿越过程中土仓压力设置为静止土压的1.2～1.3倍。

2.2 推进速度的选取

穿越区推进速度的选取,并不是单一因素的确定,而是与刀盘转速、盾构机推力、扭矩、螺旋输送机转速等多个控制参数有关,甚至与线路条件、地质条件等有关[7]。穿越建筑物时,推进速度是快还是慢才对上部建筑物有利,尚无定论。但在穿越过程中保持推进速度的稳定,避免波动过大,就可降低施工风险。

推进速度的确定,不能简单参照其他穿越工程的经验,必须根据本工程所处地层条件、线路条件及盾构机性能而定。

为得到合理的推进速度,在盾构穿越民居前选取一定长度(近100 m)作为试验段。该试验段内将推进速度保持在2.0～2.5 cm/min。观测该试验段内盾构推进过后地表的沉降,如图5所示。

图5 试验段地表沉降

通过试验段推进发现,当盾构推进速度保持在2.0～2.5 cm/min掘进时,地表沉降较小,在可控范围内。因此,确定盾构隧道穿越民居过程中,推进速度应尽量保持在2.0 cm/min,以匀速通过。

2.3 同步注浆量的确定

同步注浆量理论上为衬砌和周围地层之间的空隙体积。本工程中,刀盘外轮廓直径为6.34 m,管片外径为6.20 m,理论上每环空隙体积为1.654 6 m3。考虑到施工中必然存在的超挖量以及浆液流失等因素,实际注浆量常采用理论计算值的1.4至2.0倍[5]。

笔者根据杭州盾构隧道施工经验来看,盾构所穿越土层大多为含砂性土,本地区同步注浆量采用1.4至2.0倍理论值显偏少。以杭州某盾构隧道施工为例:其隧道外径6.2 m,隧顶埋深约15 m,穿越砂质粉土、淤泥质粉质黏土;根据施工记录,整理出推进近700环的注浆量数据(如图6所示)。

图6 某盾构隧道注浆量和注浆率

由图6可见,该区段盾构推进时平均注浆量为3.68 m3,为理论空隙值的224%。

类似收集整理杭州市若干施工区段的施工纪录,包括隧道埋深、穿越土层、注浆率以及盾构施工推进过后发生的最大工后沉降量,如表3所示。

表3 杭州市地铁盾构部分区段施工参数整理

通过上述数据可以发现,在不同标段中盾构隧道施工的同步注浆量均超过理论值的2.0倍,注浆率达到220%～280%。

考虑到本工程盾构隧道所穿越土层为淤泥质黏土,同步注浆量设置较其他区段小,建议注浆率取为200%左右,并根据施工监测进行调整。

3 盾构推进实施及效果分析

盾构于民居下方穿越,整理盾构穿越期间施工参数,并结合监测数据来分析本次穿越工程的施工效果。

3.1 盾构推进实施情况

1)施工参数的选定。将盾构推进过程中的土仓压力、推进速度、同步注浆等参数进行整理,如表4所示。从实际施工参数可以发现,土仓压力的设定约为静止土压力的 1.34倍;同步注浆量约为170%。

表4 穿越区盾构施工参数表

2)其他施工措施:①同步注浆材料——为充分填充管片外部建筑空隙,并形成早期强度,抑制隧道成型管片变形及房屋沉降,选取可硬性浆液作为同步注浆浆液,其配合比见表5。②二次注浆——为减小盾构通过后房屋的后期沉降,在下穿房屋段的隧道内进行了二次注浆,通过每环6个注浆孔进行压注,注浆压力为0.3～1.0 MPa;具体配合比为水泥∶水玻璃∶水=0.8∶0.04∶1。

表5 同步注浆材料配合比

3.2 盾构推进引起的房屋沉降

盾构推进阶段以及推进过后,应对地表隆沉、房屋沉降情况进行监测。测点布置如图7所示。

通过对监测数据的整理,得到盾构到达时刀盘前方土体的隆沉情况以及盾构推进过后地表和建筑物的沉降情况。现选取一个建筑物的典型测点,分析该点位在盾构施工过程中随时间的变化过程。

图7 测点布置图

3.2.1 盾构刀盘前方的隆沉

由监测数据可以发现,刀盘前方始终保持有0.2～1.2 mm的隆起量(见图8)。这在一定程度上有利于保护建筑物。

图8 刀盘前方隆沉

3.2.2 盾构推进过后的沉降

盾构推进过后,地表发生沉降。整理得到盾构通过后12 h、48 h后的地表沉降,以及通过15天后的建筑物沉降情况,如图9、10所示。

通过上述数据可以发现,盾构推进过后12 h累计沉降小于1 mm,48 h内累计沉降不超过3 mm。而工后的建筑物沉降小于10 mm。可见,盾构推进对建筑物的影响在可控范围内。

3.2.3 变形时程曲线

为观测建筑物变形的时程曲线,选取F14观测点整理其变形数据。该点工况为:2009年9月3日23:00,盾构机开始下穿F14点;至9月 4日下午15:00,盾构机盾尾完全脱离F14点。该点处建筑物变形的时程曲线如图11所示。由图11可见,盾构通过后沉降变化速率较快,10天后基本趋于稳定。该点处最大沉降量为9.2 mm。