成都地铁盾构隧道地表沉降分析

李 博 苏华友 赵旭伟

(1.西南科技大学环境与资源学院,621010,绵阳;2.吉林建筑工程学院交通科学与工程学院,130021,长春∥第一作者,硕士研究生)

盾构法施作隧道具有对周围建筑物影响较小、适应软弱地质条件、施工速度快等优点,在地下工程中已得到广泛应用[1]。但是,当采用盾构法施工时,一般会引起隧道上方地表沉降。这种现象在含水的松软土层或其他不稳定地层中表现尤为显著。对于城市地铁,盾构法施工区间隧道时一般会穿越建筑物密集、施工场地狭小、地质情况复杂、地下管网密布的城市中心地带,施工条件受到限制,对环境的控制要求更为严格。因此,为保证地铁沿线行人与建筑物的安全,进行地表沉降的相关研究显得尤为重要。本文通过对成都地铁某区间盾构隧道施工的实测沉降分析,寻求适合成都地区横向沉降槽的参数,并与理论值进行对比。

1 工程概况

成都地铁1号线人民北路——天府广场区间沿人民北路和人民中路敷设,设计里程为YCK 5+664.400～YCK 8+696.224。设计里程区间分布3组平曲线,半径分别为400 m、450 m、500 m。线路竖曲线设有两种,半径分别为 3 000 m、5 000 m。线路最大纵坡为23‰。隧道埋深8～20 m。由于该区间地处闹市区,地面交通量大,地下管线复杂,使得施工难度增大。

成都地层岩体松散、含水量大、透水性强、无胶结、自稳能力差,但是单个卵石块强度高,并在地层中起骨架作用。掘进面土层情况见图1。由于砂卵石地层不稳定,颗粒之间的空隙大,没有粘聚力,且在无水状态下,颗粒之间点对点传力,地层反应灵敏,当刀盘旋转切削时,地层很易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌,引起较大的地层损失和围岩扰动,从而引起较大的地表沉降量。

该区间盾构隧道穿越地层及其主要力学性质见表1。

图1 掘进面地层情况

表1 土体力学性质

2 实测数据分析

该区间采用土压平衡盾构进行掘进。本文选取其右线始发试验段进行分析。其主要施工参数设置为:总推力900～1 100 t,掘进速度20～30 mm/min,注浆压力0.2 MPa左右,注浆量6 m3/环。

2.1 监测断面的选取及测点布置

根据隧道不同位置的埋深及土层分布,选择4个具有代表性的监测断面。其桩号、里程及埋深见表2。测点布置见图2。

表2 沉降监测断面里程及埋深

图2 某典型断面沉降槽测点布置图

2.2 实测数据分析

对A1～A 4断面进行连续监测,直至沉降稳定。监测结果绘成的曲线见图3。

根据该沉降曲线图,结合具体地质条件及施工参数,得出以下实测结果:

(1)由于盾构穿越的地层条件相似,各项施工参数接近,4个断面的沉降规律几乎保持一致。可见在砂卵石地层中采用土压平衡盾构开挖能较好地控制地表沉降量。4个断面中最大沉降量为22.4 mm,满足施工要求。

图3 各断面地表沉降曲线图

(2)在砂卵石地层中沉降曲线沿隧道轴线不对称分布,盾构掘进的横向影响区域在线路中心20 m范围内(约6.4倍隧道直径)。其中,在隧道轴线两侧6～8 m的范围内(约2倍隧道直径),地表沉降一般大于10 mm,为主要影响范围;在轴线两侧13～18 m范围内,地表沉降一般小于5 mm,为次要影响范围;隧道中心最大沉降控制在22 mm左右,且大部分沉降分布在12～22 mm之间。

(3)以上各断面的地表沉降在盾构开挖面通过10 d左右即可收敛,沉降值趋于稳定。如A1断面盾构机盾体于2月1日开始经过此断面,2月4日脱出此断面,2月14日该断面沉降开始稳定变化,断面累计沉降量最大为18.47 mm,平均沉降量为0.880 mm/d。

3 沉降槽系数的计算

在成都特有的高富水砂卵石地层条件下,Peck公式计算出的理论曲线与实际曲线存在很大的误差。在缺少类似盾构隧道可以参考借鉴的情况下,得出该类型地层沉降槽系数尤为重要。

1969年,Peck提出了盾构施工引起地面沉降的估算方法,认为地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积,并根据这个假定给出了地面沉降量的横向分布估算公式[2]:

式中:

S(x)——地面沉降量;

x——距隧道轴线的横向水平距离;

Smax——隧道轴线地面最大沉降量;

V loss——盾构隧道单位长度土体损失量;

V L——地层体积损失率;

R——隧道半径;

Z——隧道埋深;

φ——内摩擦角;

k——沉降槽宽度系数;

i—地面沉降槽宽度系数,即沉降槽曲线拐点离隧道轴线的水平距离。

从式(1)～(4)可以看出,只要确定了k和V L,就可以确定以上公式。

通过对各断面实测曲线进行拟合,找出曲线反弯点,得到沉降槽半宽度i,再反算出各断面的k和V L。各断面具体计算结果见表3。

表3 各断面k及V L计算表

从表3可以看出,k的取值范围在0.13～0.31之间,V L的取值范围为 0.32%～0.50%。取k=0.22,V L=0.41%进行计算,并与A1断面实测沉降曲线进行比较。计算结果与实测数据比较如图4所示。由图4可以看出,使用改进后的参数可以较好地预测出地面横向沉降槽的分布情况。

图4 A 1断面实际与理论曲线比对图

上海轨道交通8号线列车

4 结语

(1)在砂卵石地层中使用土压平衡盾构开挖隧道可以较好地控制地表沉降。但是,由于砂卵石地层颗粒间的孔隙大,在刀盘旋转切削时很容易引起较大的地层损失和围岩扰动,因此建议在今后的施工中可加大注浆量,必要情况下加大注浆压力,使得孔隙之间尽量填充密实,减小地面沉降量。

(2)在砂卵石地层中盾构单线推进的主要影响范围为隧道轴线两侧6～8 m左右的区域内(约2倍隧道直径);整个影响区域为线路中心20 m范围内(约6.4倍隧道直径);隧道中心最大沉降量控制在22 mm左右,大部分沉降在12～22 mm之间;在盾体通过后10 d左右地表沉降即可收敛,沉降值趋于稳定。

(3)通过曲线拟合对沉降槽宽度系数k进行计算,并通过Peck公式进行理论计算后与实测数据进行对比,认为k在0.13～0.31之间可较好地分析预测出该区间地表沉降槽。

[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[2]PECK P B.Deep excavations and tunneling in sof t ground[C].Proc 7th Int Confon Soil Mech and Found Engrg M exico City,1969:275-290.

[3]刘树山.砂卵石地层盾构施工对建筑物的影响分析及技术措施[J].城市轨道交通研究,2008(6):39.

[4]周冠南,周顺华,宋天田.砂卵石地层盾构同步注浆参数研究[J].现代隧道技术,2007,44(增刊):342.

[5]张书丰,孙树林,吴凯.南京地铁盾构施工引起的地表沉降分析[J].城市轨道交通研究,2006(5):30.