大断面泥水盾构地表沉降控制及监测信息反馈技术

2011-06-07刘洪震

铁道勘察 2011年1期

武凡刘洪震

(中铁隧道集团股份有限公司，河南郑州 450003)

1 工程概况

1.1 工程位置及用途

武汉长江隧道为湖北省重点工程,位于武汉长江一、二桥之间。隧道江北起点为汉口大智路与铭新街的交叉口,江南终点为武昌友谊大道南侧规划中的沙湖路,作为过江公路交通的城市主干道,它的建成运营将很大程度上缓解武汉市区环线内过江交通压力问题。该工程设计为左右2条隧道,隧道为单向2车道,设计车速为50 km/h。盾构隧道左右线长2 538 m,其中北岸汉口到达井至长江边段长度约420 m,过长江段1 310 m,南岸武昌始发井至长江边段约800 m。盾构隧道管片外径为11.22 m。内径为10 m,管片宽度为2 m,管片分块形式为6标准块+2邻接块+1封顶块。

1.2 工程地质

盾构隧址区江南段穿越地层情况如表1、表2。

表1 右线地质分段

表2 左线地质分段

1.3 水文地质

地下水主要有上层滞水、孔隙水和基岩裂隙水3种类型。上层滞水主要赋存于上部人工填土层中；孔隙水主要赋存于第四系松散层中,可分为孔隙潜水和孔隙承压水2种类型；基岩裂隙水主要赋存于下部基岩裂隙中。

2 变形分析

2.1 地表沉降纵向比较

江南盾构隧道施工引起的地表沉降基本情况见图1,图2及表3。

图2 江南左线隧道中线地表沉降分布

表3地表沉降统计

序号1234位置最大沉降/mm平均沉降/mm左线-130.25-71.62右线-93.85-58.7左线-36.10-29.9右线-77.85-24.9左线-26.70-14.2右线-26.95-17.8左线-18.85-8.4右线-24.60-10.2覆土厚度(洞径D)<11～22～3>3

可以看出,随着覆土厚度的增加,地表沉降逐渐减小。覆土厚度小于一倍的隧道直径时,盾构机通过地层主要为黏土层时,地表沉降较大；随着埋深的增加,盾构机通过地层为细砂层时,地表沉降急剧减小,左右线具有相似性。

2.2 地表沉降横向比较

因盾构机左线先行施工,参数设置在摸索阶段。在黏土地段,左线明显比右线地表沉降大,说明左线泥水压力设置偏小,而右线施工时对参数设置进行了调整。相同进程段,左线地表测点平均要比右线测点累计沉降大10 mm左右。

2.3 地表横向沉降范围分析

盾构施工引起地表横向沉降横分布形态受地层条件、埋深和开挖模式影响比较大。横断面HS2(埋深11.9 m)处黏土层,沉降槽范围为11 m左右。受右侧7层楼影响,右侧地层压力高于左侧,左线先行隧道地表沉降不对称(如图3)，右侧变形大。

图3 淤泥质黏土层HS2(RK5+104)断面横向沉降曲线

2.4 地表沉降历程分析

根据以往隧道施工时的观测,盾构隧道的施工变形是一个不断累加的过程,以隧道轴线地表点的经时变位曲线为例,地表点的地层移动经历五个阶段(图4)。

图4 盾构掘进时地表变形过程

浅埋段,左线同步注浆量在18～23 m3左右,填充系数在1.4～1.78之间,管片脱出盾尾之后的沉降较小,平均沉降11.6 mm,占总沉降的16%；右线同步注浆量14～18 m3,填充系数在1.1～1.4之间,平均地表沉降24 mm左右,占总沉降的40%,沉降量较大。

刀盘到达前地表产生的沉降受施工参数影响的因素较多,比如：切口水压力及波动、推进速度、总推力、排泥量、方向纠偏等。从表4可知,该施工阶段地表沉降所占总沉降比例分部比较离散,占9%～50%不等。如对地层扰动过大，会增加后续两个阶段地表沉降量。因此,施工过程中控制此阶段产生的地表沉降尤为重要。

2.5 地层位移与空隙水压力监测

在施工试掘进段,隧道浅埋7 m左右(<1D),属于小覆土隧道。由于覆土荷载减小,而且开挖面压力所允许的管理幅度缩小,所以,即使是少量的管理误差也会给开挖面带来很大的影响。因此,监测项目包括地表沉降监测、地层土体水平位移、土体分层沉降、地下水位、空隙水压力。

(1)土体水平位移分析

①轴向水平位移：盾构到达前后距左线隧道较远地层向掘进的反方向移动,最大地层水平位移接近10 mm。受泥水压力作用,实际泥水压力大于地层静止侧压力,盾构到达前,距隧道中线较近的地层向掘进方向移动；盾构通过及盾尾脱出管片后,地层向隧道掘进的反方向移动,盾尾脱出管片后地层向掘进的反方向移动。

表4 江南盾构施工过程中各阶段地表沉降比例

同时,在埋深10～12 m地层在盾构到达前向掘进方向位移较小,而盾尾脱出管片后,向掘进的反方向变形最大,变形曲线呈明显的V字形。该地层为淤泥质黏土层,地层侧压力系数接近1,释放荷载最大。为控制开挖面变形,应以释放荷重最大的那一层来决定控制压力较为合适,此时,释放荷重小的地层将被动受压,但一般情况下地基被动受压能力很强,所以不会出现被动破坏。

②横向水平位移：盾构到达前,地层均向隧道外移动,并达到最大值,左线右侧,最大位移20 mm左右。说明实际泥水压力大于地层静止侧压力。盾构通过过程中及盾尾脱出管片后,地层向隧道方向移动,说明同步注浆量不足。

(2)土体分层沉降

盾构到达前隧道上覆土各地层分层沉降4.5～7.5 mm,沉降值基本相等,说明由于地面建筑物的影响,地面附加荷载较大,泥水压力采用静止侧压力来设定,泥水压力偏小,盾构到达前地表产生沉降。

(3)孔隙水压力

孔隙水压力发生两次突变,一是盾构刀盘到达前孔隙水压从急剧上升,在黏土层那样透水性小的地层中,在开挖面附近因有效泥土压力变得很小,土体强度下降,在到达开挖面附近发生一定的土体沉降。实际作用在开挖面的有效泥水压力减小,盾构到达前地表产生沉降。

二是管片脱出盾尾时,同步注浆压力引起孔隙水压增加,之后迅速消散,引起地表发生较大固结沉降。同时由于左线该段同步注浆量在18 m3左右,填充系数在1.4,对于黏土地层,注浆量明显不足,需增加到同步注浆23 m3左右。

2.6 地层土压力监测

但当覆土厚度大于隧道的外径时,地基产生拱效应的可能性比较大,为确定合理的松弛土压力提供了依据。在里程LK4+500地层压力监测断面埋设 (沿江大道处),隧道覆土39.6 m(>2D)。每环由9片拼装管片组成,每片埋设一组测点,共埋设9组/环,导线统一引出,集结在引线盒内。

监测数据显示隧道承受的地层压力对称性分布,压力分布具有明显规律性,拱腰处稍大,这与理论计算结果相似。图5所示为EP1变化历程曲线,首先承受盾尾刷内油脂压力,油脂压力很大,实测值接近5 Bar,管片脱出盾尾后承受注浆压力,实测最大压力3.6 Bar。在浆液凝固后,承受地层压力,实测最大地层压力1.9 Bar,该处的松弛土压力计算值在2.6 Bar左右。所以隧道覆土厚度较大时,泥水压力可以采用松弛土压力作为控制基准。