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盾构施工穿越砂卵石地层引起复杂地面沉降安全研究

摘 要:通过研究富水砂卵石地层中隧道盾构开挖地表沉降的影响因素,利用迈达斯 GTS 模拟隧道开挖,分析比较各种因素对地层沉降影响。通过研究获得了富水砂卵石地层中盾构施工地表沉降规律,获得了地层纵向及横向沉降量的分布,提出富水砂卵石地层中盾构施工地表沉降控制措施。
0 前 言
  由于地铁穿过地层比较复杂,且受多种不良地质及地层构造的影响,加之城市道路交通及其他控制点的制约,隧道盾构施工参数的确定对地面重要建筑的安全、地铁工程质量有决定性的影响。因此,对卵石地层区段进行研究是很有必要的。
1 工程概况
  模拟的地铁工程拟建工程场地在勘探深度 55. 0 m 范围内的地层主要为第四系松积物,即由全新统人工填土、冲积黄土状土、粉质黏土、中粗砂、卵石和中更新世冲积粉质黏土、中砂组成。模拟的地铁隧道主要穿行于砂卵石富水层
中,地下水位埋深位于 3. 0~4. 0 m。
2 模型的建立
  模拟的地铁为两条平行盾构开挖的单行圆形隧道,双孔隧道中心线间距为 14 m。开挖隧道的基本参数取值为:衬砌管片外径为 5. 8 m,衬砌管片厚度为 0. 35 m。管片的混凝土为 C35,管片的混凝土的弹性模量26 GPa,泊松比为0. 28。模拟隧道边界为 8 倍洞径,所以两侧面及地面距离隧道边缘为 30 m,模型的横截面尺寸为 80 m×55 m。通过迈达斯软件来模拟卵石地层中双孔盾构的开挖过程。
3 计算结果与分析
  在富水卵石地层中,盾构施工时,隧道覆土层的土层越厚,地面沉降量就越小; 最大沉降量与盾构机的推进速度成正比,地面沉降量的范围也和盾构机的推进速度成正比关系。所以我们选取对地面沉降起关键作用的弹性模量、泊松比以及摩擦角进行正交分析。本模拟的正交设计试验方案为 27 个,每个方案有弹性模量 E/( MPa) 、泊松比 μ、摩擦角φ/(°) 三个因素不同的组合形式。
  从模拟结果中可以看出,在富水卵石地层中,相同弹性模量、泊松比情况下,内摩察角越小,地面最大沉降量越大。随着弹性模量的增大,内摩察角增大时地面最大沉降量成现正态分布曲面的变化。由此可以看出在富水卵石地层中,弹性模量、泊松比、内摩察角存在最合理值( 见表 1) 。
  富水卵石地层中,弹性模量、泊松比、内摩察角存在最合理值计算模拟与西安地铁 2 号线韦曲施工段现场检测的结果对比结果如图 1~2 所示。
4 结 论
  1) 在富水砂卵石地层中盾构施工时,应该对隧道开挖的位于有效影响范围内的地面建筑物等采取防护和监测。
  2) 在富水砂卵石地层中,可通过提前注浆有效改变富水砂卵石土的弹性模量、泊松比、内摩察角等参数,以此可以有效降低地面沉降。
  3) 富水砂卵石地层中盾构施工时注浆压力、注浆次数的有效控制,可以有效减少地层沉降量。
  4) 地层初始应力、盾构机对周围地层的扰动、砂卵石地层失水固结等原因是造成地层沉降的主要因素。

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