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软土地层盾构施工中地表沉降分析及控制措施

摘要:本文从郑州五号线地铁隧道工程出发,分析了该工程中土体沉降监测结果,根据结果,判断土体沉降变化规律,最后有针对性的提出了几点控制措施,以期为广大从业者提供有价值的参考借鉴。
0  引言
  盾构施工技术务必要考虑地表沉降问题,为解决该问题,近十数年内,国内外开展了大量研究,当前有着诸多技术成果。如,在盾构施工过程中,若土舱压力为超平衡状态,那么地表沉降值会因此减小,地表隆起值会适当增加;注浆压力对于地表沉降有直接影响,尤其是注浆压力在0.25MPa左右时,地表沉降情况可得到行之有效的控制干预。大部分研究都认为,盾构施工对于地表沉降造成的影响,需要根据拟建地土质条件进行具体分析,根据地表沉降规律再合理选择相关技术方法。尤其是针对双圆盾构施工,地表沉降的控制难以预测也难以实现,所以当前对该种盾构施工方法进行探究有着至关重要的现实意义。
1  工程概况
  郑州地铁五号 线隧道工 程 ,隧道单圆报警为6300mm,隧道衬砌宽度为1200mm,隧道单元拼装采用海鸥块管片,隧道上部覆土厚度约为6.6-10.8m,根据地质勘查报告显示,施工区域掘进主要遭遇土质从上至下分别为杂填土、粉质粘土、灰色淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、砂土、粉质粘土。
  施工采用条幅式土压平衡双圆盾构设备,设备双圆圆心距离为4600mm,设备单圆为6520mm,经过初步计算,设备的切削面积约为58m2,条幅式土压平衡双圆盾构设备由盾尾、支撑环、切口环三个部分构成,设备长度为7150mm,转弯施工半径为300mm。
  工程拟建地为典型软土环境,为实现对软土的有效控制,在施工现场布置多个沉降监测点,监测点多平行于盾构施工中心线或者和盾构施工中心线保持垂直,平行检测点布置分为三条平行线。另外,基于垂直于盾构施工中心线测点,额外在左右方向布置多个测点。
  因本工程上部为钢筋混凝土市政道路,所以市政道路路基以上处均不能够反映盾构施工对地表造成的真实影响,所以测点均在道路以下,以“二等水准”为参考标准实现有效监测。
2  监测数据分析
2.1  横向沉降槽监测数据分析
  基于国内外当前针对盾构施工的研究,通过对本工程盾构施工横向断面监测结果的分析,探究盾构施工对软土地层地表沉降的影响规律:
  ①本工程地表沉降量较大的部分在盾构施工中心线左右两处15m左右,监测数据显示,在15.3测点处,最大沉降量为10mm。
  考虑到盾构施工影响范围符合基本的土体滑裂规律,且场地地层均匀分布无其他外部影响因素,对覆土厚度在10m左右的地层进行分析,根据公式:
,在公式中ai为监测i层沉降影响面和基准水平面的夹角;hi为第i层上部覆土的实际厚度;R为盾构施工设备单圆施工外径;L为园心距;S为盾构施工横向影响距离,经过测算,本工程黏土层,该夹角为45°+准/2,富水砂土土层中,该夹角为准/3,S=54m。
  实际测试的沉降影响横向距离在45m左右,公式计算出的数值比实际监测数值更大,从我国现行的隧道施工规范而言,该施工方法对环境并无恶性影响,且施工安全性明显。
  ②本工程所用条幅式土压平衡双圆盾构设备,施工产生的沉降槽大约可分为V型沉降槽、U型沉降槽两种类型,监测数据显示,U型沉降槽范围内的沉降量明显大于V型沉降槽内的沉降量,且U型沉降槽底部相对平坦,V型沉降槽的沉降变化相对均匀,和常规隧道工程所采用的单圆盾构施工方法产生的沉降槽状态类似,尤其是在“反弯点”方面,U型槽、V型槽表现一致。
  根据实际测试数据进行分析,U型沉降槽的状态,是因海鸥块管片产生的背土效应对上层的软弱土壤扰动作用加大所导致,分析类似既往研究,判断相似的材料以及相似现场观测资料,多数隧道工程在厚冲积层的条件下,沉降槽表现出较为明显的区县状态,U型沉降槽处的沉降量变化相对突出,在本工程中,上部覆土层塑性最大的土质为淤泥质粘土,该类土壤的物理性状极差,海鸥块管片产生的背土效应对其影响极为突出,以至于盾构施工上部空间出现突出的裂缝以及弯曲,最终导致地表的沉降加大。另外,在开挖的过程中,盾构施工同时受到土壤弯曲作用、土壤下沉自重作用产生的泊松效应所影响,受盾构施工的影响也相对较小,所以沉降量比较小,产生的曲线表现出极为平缓的发展状态,在上部覆土层影响下以及在土壤性状较差的条件下,会产生V型沉降槽。
  ③监测共获得三十余个横向沉降断面数据,数据显示,盾构施工负地层损失率的范围大约在0.21%左右,地表的隆起值一般在5mm以下,满足我国现行规范中地表隆起值小于10mm的标准。
本工程地层损失值的计算主要参考盾构切削面积和横向沉降槽的比值,综合所有监测数据,去除最大值、最小值,减去盾构进出处,取相应数量的样本量。根据计算以及统计资料计算,应用条幅式土压平衡双圆盾构设备施工,有95%左右几率将地表沉降量控制在50mm以下,若是想要进一步对地表沉降进行控制,则还需要对施工方法进行优化,并采用注浆等辅助施工方法。
  ④现场勘察和监测结果表示,盾构中心线、沉降槽中心线并没有保持吻合,存在极为突出的偏心现象,最大的沉降量多处于上行线和中轴线之间,一方面,工程拟建地土层存在一定的背斜、不均匀情况;另一方面,盾构设备本身所带切削用刀盘运动会对土壤起到牵拉作用,以至于出现不符合一般运动变化规律的沉降。
2.2  纵向沉降槽监测数据分析
  本工程监测数据显示,盾构施工前方24m范围内的土体并没有出现明显的变形,在24m外地表存在隆起等问题,伴随着设备的逐步前进,地表沉降开始发展,且发展速度较快,沉降速率相对较大,在施工设备穿过监测位置后并离开监测位置23m左右时,沉降量开始逐步减小,沉降速率也开始减小。
  另外,监测数据显示,土舱压力和工程地表沉降有直接关系,地表沉降量减小,同时土舱压力往往也在逐步增加,土舱压力在0.3MPa左右时,地表的沉降量大幅度减小,且出现一定的隆起情况,全施工段最大的隆起量约为4.10m。
3  盾构施工软土地层地表沉降控制措施
  根据上文分析我们可了解到,影响该工程地表沉降的主要因素为施工速度、土舱压力、注浆压力等,同时设备运作、设备姿态、海鸥块管片等也会对地表沉降造成影响,本工程以监测数据、分析结果为基础判断沉降变化,经过多方商议,决定通过调整土舱压力、盾构姿态以及注浆来实现对沉降的有效控制。
3.1  调整土舱压力
  调整土舱压力能够实现对隆起、沉降情况的有效控制,但土舱压力的调整需要涉及到出土量以及推进速度的调整,若能够有效协调三个因素的相互关系,就能够避免发生无效的旋转,以降低盾构施工对原地层的影响。
  本工程所用条幅式土压平衡双圆盾构设备,设备的开口率、转速并没有直接关系,且设备隔离仓上的土压力计会直接反馈设备迎面的土压力值,通过调整左右螺旋机设备能够实现对土舱压力的有效控制,并达到稳定开挖面土压力效果。
  经过初步分析判断,发现设备推进速度若不大于50mm/min,不小于10mm/min,沉降、隆起较为稳定,最后决定将推进速度调整至30mm/min,土舱压力调整至2.5MPa。
3.2  调整盾构姿态
  条幅式土压平衡双圆盾构设备运作,若发生左右偏转的现象,会导致沉降速率大幅度增加,国内针对条幅式土压平衡双圆盾构设备的使用有着诸多避免偏斜的方法,比如利用千斤顶实现物理调整或者利用仿形刀来避免超挖等,为了减少对于地表沉降的负面影响,本工程考虑采用调整出土量以及利用千斤顶施加单侧压重的方式来避免条幅式土压平衡双圆盾构设备发生偏移。
  考虑到海鸥块管片产生的背土效应会对土体产生不合理扰动,所以对管片的拼装进行调整,采取拼装工艺为“错缝拼装”,确保隧道结构的横向刚度、纵向刚度符合要求,避免发生纵向不均匀沉降。
3.3  采取注浆控制
  海鸥块管片在盾构施工过程中,若脱出盾尾,那么在设备、土体、海鸥块管片之间就会产生一定的空隙,若是该空隙得不到及时填补,那么土体就会在重力作用下出现沉降、塌陷等情况,本工程出现的该类沉降最大沉降量为12mm。
  因此,采用同步注浆技术在海鸥块管片脱出盾尾时,及时填充土体。本工程所采用浆液为膨润土、水泥、稳定剂构成,初步测试,该浆液的初步抗压强度最大值为1MPa,能够满足避免土体沉降的要求。值得注意的是,浆液的压力要根据实际情况调整,若浆液的压力过高,会对地表产生不必要扰动,一般工程控制在0.25MPa左右,本工程经过计算,将注浆压力控制为0.2MPa。
4  结束语
  综上所述,盾构施工对于软土地层地表沉降的影响是多方面的,和单圆盾构施工相比,双圆盾构施工的沉降控制更为复杂,设备、施工参数等均会对土体沉降造成影响,广大从业者应该对盾构施工所导致沉降的机理、变化规律有够的认识,在实践中根据工程实际情况,合理调整施工参数,并合理利用注浆技术,实现对沉降、隆起情况的有效控制,以确保施工安全、施工质量。

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