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盾构施工对上软下硬地层的沉降分析及防控措施

摘 要:以广州某地下综合管廊及道路快捷化改造配套工程的盾构隧道区间为工程背景,研究不同软硬岩比例的复合土层中盾构掘进对地表沉降的规律,选择具有代表性的断面进行有限元的模拟,把模拟结果和实测数据进行对比。
  结论表明:盾构在上软下硬地层的掘进过程中,硬土比例越大,其地表沉降值以及管底隆起值越小,反之亦然。最后通过地表沉降的预测做好施工参数的优化,提前通过工程手段做好防护工作,将隐患降到可控范围内。

0 引言
  随着我国城市地下综合管廊(简称“综合管廊”)建设的不断发展,盾构法施工在综合管廊中的应用也日益普遍。盾构在施工过程中,工程地质条件是影响地层扰动以及变形的重要因素。上软下硬地层是盾构施工中一种常见的复杂地质条件,因上部软弱土体强度较小,稳定性较差,而下部硬岩力学性能较好,盾构在掘进过程中易使盾构姿态失稳,造成土体超挖,引起较大的地层损失,甚至严重的地表沉降等工程问题。
  国内外学者通过对复合地层中盾构掘进所引起的地表沉降等问题,做了一系列的研究与分析,并给出了相应的工程建议。文献利用对盾构隧道在上软下硬的工程地质条件下,施工引起的横向地表沉降进行预测,并通过与实测数据的对比分析以验证预测模型的可靠性。文献根据不同的地质情况选择合适的掘进参数,合适的施工参数可以有效地提高掘进效率,减少刀具磨损以及保持开挖面稳定。
  但以上研究只是针对笼统意义上的复合地层,所研究的复合土层仅是软硬土比例各一半,未对地层形式进行细化分析,与工程实际结合得不太贴切。本文采用在不同软硬岩高度比的概念去分析支护压力等施工参数,结合工程需求去精细化、优化施工过程,减少对地层的扰动和破坏,避免造成不必要的损失。
1 工程背景
1.1 工程概况
  广州某地下综合管廊与道路快捷化改造配套工程是广州市政府重点建设项目,全长约为16.3 km,管廊盾构段全场约 2.65 km,隧道直径为 6000 mm,管片厚度 300 mm,内径 5400 mm,环宽 1500 mm,采用一台直径为 6 300 mm 的土压平衡式盾构机,机身长度为 8750 mm。
1.2 工程地质
  据地质钻探资料表明,盾构段主要出露①第四系人工填土层、②第四系全新统冲积层、③第四系上更新统冲积层及④残积层、基岩为⑤三叠系和⑧石炭系等沉积岩。始发段地层主要为①2 人工填土层、③4 流塑淤泥质土、④2 可塑粉质粘土、⑧1 强风化带石灰岩、⑧2 微风化石灰岩;如图 1 所示。
  在盾构区间内仅有低洼处分布有零星的地表水,对工程基本无影响。地下水主要为上层滞水以及岩溶裂隙水,上层滞水主要赋存于人工填土层,为第四系孔隙性潜水,但含水量有限;岩溶裂隙水主要赋存在
  石炭系的石灰岩和炭质页岩溶蚀裂隙中,水位埋深一般介于 1.40~3.50 m 之间,故在模型中设置水位为2.14 m,不考虑地下水与土体的耦合作用。
1.3 施工难点
  由于盾构掘进路线中存在同一断面岩性不均一的土体,这给掘进施工造成极大的困难。盾构隧道线路周边管线及建构筑较多,需减少地表沉降以确保众多建构筑物的安全。隧道穿越岩溶发育强度不一的灰岩以及上软下硬地层,易造成上部土体沉降量过大、刀具磨损严重、盾构纠偏过大等问题。
2 地表沉降因素的分析以及施工参数的选定
2.1 地表沉降因素分析
  在盾构掘进过程中,引起地层损失以及地层固结沉降的因素是极其复杂的,其主要因素可总结为以下几个方面:
2.1.1 掘进压力
  当盾构推进施工时,挖掘面土体的水平支护力与原始侧应力的平衡关系决定着地表的沉降或隆起。当土体受到的水平支护应力过小时,掘进面上方的土体为弥补地层损失而向隧道内部移动,从而导致土体沉陷;当开挖面土体所受水平支护力大于原始侧应力时,则掘进面上部土体会向前或向上位移,引起掘进面前部土体隆起。
2.1.2 注浆压力
  当盾构机尾部脱出后,因盾构外径和管片之间存在一定的间隙,造成土体应力松弛,从而引起地层下沉,适宜的注浆压力以及注浆量会在一定程度上对沉降量起到控制作用。其作用效果受注浆压力以及浆液参数等因素影响,如若注浆压力过小,则控制效果不明显,反之,则会导致地表隆起。
2.1.3 盾构姿态控制
  盾构机在沿曲线或“仰头”推进时,需对盾构的姿态进行连续纠偏,而盾构实际的挖掘面不是规则圆而是椭圆,会导致土体超挖的现象发生,增大了地层损失的可能性,进而引发地表沉降。
2.2 模拟土层的选取
2.2.1 土层复合高度比
  在分析过程中,为了能够更好地对不同比例的上软下硬复合地层进行理解,引用软硬复合地层高度比B 的概念,如图 2 所示。
  软硬复合地层高度比 B 是指隧道断面软弱部分的高度与隧道断面总高度(隧道直径)之比:
  B=h/H
  式中:B 为软硬复合地层的高度比;h 为上部软弱地层的高度;H 为隧道断面总高度。
2.2.2 分析断面的选取
  当盾构在不同地层中掘进时,为了能够使对比更加直观和简便,选取 5 个埋深约为 18 m 的典型断面,断面(1)、断面(2)、断面(3)、断面(4)、断面(5)分别相对于隧道位置的 354 环、398 环、446 环、485 环和 527环,其断面的软硬土高度复合比依次为 100%、75%、50%、25%、0%。分别在以上管片所对应的位置设置监测点,以轴线为中心,测点以 3 m、3 m、5 m 的距离相隔,如图 3 所示。
3 Midas 有限元模拟
  依据关于软硬复合地层高度比定义的阐述,结合实际地层分布情况以及地勘资料,本文选用 MidasGTS 构建 5 个不同高度比地层的三维有限元模型,来分析在盾构隧道掘进过程中,支护压力的选取对不同复合比地层的地层沉降影响分析。
3.1 模型的尺寸和网格划分
  本节拟建立 5 个大小为 80 m(x)×140 m(y)×50 m(z)的隧道分析模型,单元数总共为 36963 个。盾构穿过软硬复合高度比分别为 100%(模型 1)、75%(模型 2)、50%(模型 3)、25%(模型 4)、0%(模型 5)的典型断面所在的地层。在三维有限元分析模型中,除盾壳、注浆层、隧道衬砌管片采用 2D 板单元模拟外,其余材料均为 3D 实体单元。其所分析的三维计算模型如图 4 所示。
3.2 边界条件
  在盾构隧道施工阶段应力分析中,主要有 3 种边界条件需要考虑;第 1 种为位移边界条件,即对模型土体周围施加相对应的约束(模型前后面约束 x 方向移动;左右面约束方向 y 移动;模型底部约束 x、y、z 方向移动),以此来防止模型的轴向位移和转动,MidasGTS 的自动位移边界能够满足所研究对象的位移边界需求。
3.3 材料参数的设定
  依据综合管廊盾构段详细勘察报告以及相关经验和规范,该盾构隧道内各土层、材料的参数如表 1、表 2 所示。
3.4 施工阶段模拟
  施工阶段的模拟是以实际开挖工序为基础,借助Midas GTS 施工阶段应力分析完成数值计算。注浆压力以及千斤顶力的选定,均根据施工方案以及理论计算的优化,如表 3 所示。
4 数值模拟结果与实测数据分析
  分别将 5 个典型断面与其监测数据进行对比分析,其整体沉降云如图 5 所示。
  受文章篇幅所限,本节仅取模型 1 截面的沉降曲线进行分析,为了减小边界效应,分析断面为 y=40 的中间断面,如图 6 所示。
  由图 7 可知:由于实际施工中的多重因素对地表沉降产生影响,典型断面数值模拟的沉降槽与监测数据稍有差异,但形态大体相同,均符合盾构开挖致使地表沉降的分布形态规律。在隧道目标断面的轴线处对应了地表沉降的最大值,随着软硬土复合高度比的逐渐减小(软土厚度逐渐减小),其沉降值也在不断降低,100%软土模型断面沉降值为 4.09 mm,0%软土的沉降值为2.20 mm。随着分析模型软硬土复合高度比的减小,与轴线距离相同点所对应的沉降量也逐渐减小,其沉降槽的宽度逐渐变小。
5 复合地层中的沉降控制措施
5.1 姿态控制应对措施
  盾构在上软下硬土地层中掘进过程中,由于软硬土的力学性质差异会造成刀盘受力不均,盾构的姿态容易改变,造成盾构的姿态以及掘进方向的控制较困难。因此采取以下措施:
  ⑴ 盾尾与主体的连接方式为铰接式,以减小盾构的长径比,使盾构在调节方向时更加灵活。
  ⑵ 定期人工测量复核
  为确保盾构机掘进方向的可靠性和精准性,盾构机内装有 SLS-T 盾构激光导向系统,该系统能够对盾构掘进姿态、轴线以及位置关系等进行精确的测量和显示。除此之外,对该系统的测量数据进行周期性的人工校核,以确保盾构机能够沿隧道轴线方向掘进。
  ⑶ 在圆周方向设置 4 组推进油缸,每组油缸的推进压力可以单独控制调节,方便进行纠偏及偏选油压,以便能够及时准确地调整盾构的姿态和掘进方向。
⑷ 刀盘四周加装 8 把保径刀,确保刀盘在主切削刀磨损后仍能保证开挖范围,减少盾构姿态纠偏或形成卡筒体情况。
5.2 刀盘受力不均的应对措施
  在盾构的掘进过程中,因刀盘直径范围内的土体力学性能差异较大,易造成刀盘和刀具的不均匀磨损以及频繁地更换刀具等问题,偏磨后的刀具在开挖过程中进一步加大了盾构姿态控制的困难程度。
  ⑴ 做好地质勘探的补充工作,在地层起伏交界处进行钻孔取样,查清上软下硬地层的具体情况。在盾构掘进过程中根据碴土情况以及软硬岩的比例,及时调整掘进参数。
  ⑵ 在上软下硬地层中,因上层土体力学性能相对较差,盾构机姿态易出现上抬现象,应当合理控制千斤顶的推进油压,以确保盾构机能按照设计线路掘进。
  ⑶ 在上软下硬地段掘进中,盾构机应采用高推力、低转速,以减少刀具与岩土分界面的冲击,以期达到降低磨损的效果。
5.3 盾构机具的防磨损措施
  由于盾构机在含高强度岩层中进行长距离的掘进,刀盘、刀具和螺旋输送机都会受到较为严重的磨损,在盾构掘进施工过程中,如何避免盾构机关键部位的严重磨损,是本工程中需要解决的重难点问题。
  ⑴ 通过在刀盘前端及土仓内注入足量的流塑状粘土,对刀盘、刀具以及碴土之间起到全面的润滑作用,以达到改善碴土和易性的目的,形成不透水的塑流性土层,建立良好的土压平衡形态,从而减低机具的磨损程度,提高盾构掘进效率。
  ⑵ 在盾构机选型中适当加大刀盘开率,选用镶嵌合金块的宽刃滚刀和重型齿刀,其中心为鱼尾刀,周边为单刃滚刀,滚刀两侧同一轨迹线加焊贝壳刀来保护滚刀(贝壳刀比滚刀短 5~10 mm);实践证明此措施能够有效降低无功消耗,提高盾构的掘进效率。
  ⑶ 推进时采用土压平衡模式掘进,其推进速度、掘进压力以及扭矩等施工参数要根据软硬土比例的不同进行调整和控制,还应经常转换旋转方向。通过严格盾构掘进压力、推进速度、推力以及刀盘扭矩等参数,既可保持开挖面的平衡和稳定,又有利于保护刀具、降低磨损。
  ⑷ 加强刀盘的整体耐磨性,在刀盘面、进碴口、刀盘轮缘等部位进行焊接耐磨块等处理。
  ⑸ 进行有计划的刀具检查、更换,根据盾构施工经验,及时根据掘进参数的变化判断刀具的磨损量和适应性。
  ⑹ 合理调整发泡剂参数,以改善碴土的流动性及降低土仓的温度,能够有效地降低刀具磨损以及偏磨的程度。
6 结论
  通过模拟分析的土体沉降情况与实测数据比对后有较好的吻合,从而得出一些关于上软下硬土的结论。其总结如下:
  ⑴ 沉降曲线以隧道轴线为对称轴,且在隧道轴线处对应着地层沉降的最大值。其地层沉降形态呈近似正态曲线分布,与 peck 沉降槽大致相似。
  ⑵ 因地层软硬土复合高度比不同,目标横断面的沉降槽的宽度和沉降量也不尽相同,随着开挖面范围内的上软下硬土的复合高度比的增大,其沉降量也逐渐增大。
  ⑶ 在全软土地层掘进过程中,因土层地质条件较差,掘进压力控制值较小,其地层沉降和隆起值均较大;反之,在全硬土地层中,地质条件较好的情况下,对应的掘进压力较大,其地层沉降和隆起值均减小,其结论与现场实测数据符合。
  ⑷ 当掘进距离大于 1 倍的盾构外径时,其地表沉降量较小;在盾构 1 倍外径以内至过断面以后,地表沉降量持续大幅度增加,但在 2~3 倍盾构外径以外增幅降低并逐渐趋于稳定。
  ⑸ 结合工程中盾构区间的施工技术方案、现场监测数据以及有限元模拟数据等进行分析和总结,给出相应的施工措施,以期达到控制地表沉降的要求。

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