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地铁隧道盾构施工参数对地表沉降影响的试验研究

 


1工程概况及监测方案
1.1工程地质概况
    南京地铁2号线某盾构区间段主要处在机动车道路下,盾构主要穿越土层为流塑淤泥质粉质粘土层、粉土和粉质粘土互层,局部穿越粉砂夹粉土层、粉质粘土(可塑)。淤泥质粉质粘土淤泥质粉质粘土具有明显河湖相沉积特征,具有高含水量、高压缩性、低强度等特点;粉砂夹粉土、粉土和粉砂易涌水和流砂;粉土为可液化土层,具有轻微液化性。区间隧道沿线地形均较为平坦,地貌类型属古秦淮河河床漫滩。
1.2盾构隧道施工监测方案
    根据以往的工程实践以及现场的情况,在位于盾构隧道推进方向的隧道轴线上每6m布设一个沉降监测点,每30m布置1条监测横断面;在监测横断面上共布设7个测
点,以轴线上的监测点为中心,分别距离轴线3、5、11m对称布设,具体布设情况见图1。现场重点监测范围选定为盾构切口前方20m范围,盾构切口后方50m范围。
2地层变位的影响因素分析
    在盾构法施工过程中,盾构施工参数的变化对隧道周围土体的瞬时变形和长期变形有非常重要的影响。通过对不同施工情况下的监测,得出它们与地表竖向位移之间的关系曲线。在此,盾构直径为6.34m,隧道埋深为18m。
2.1地表竖向位移与盾构推进参数的关系
2.1.1地表竖向位移与盾构总推力的关系
    图2是不同盾构总推力作用下轴线点的竖向位移日变化曲线,图中显示出:①在盾构切口前方6m范围内,盾构总推进力的变化与监测点的竖向位移日变量之间没有明显的关系;②在盾构切口后方3~10m,随着盾构总推力的增加,监测点的竖向位移日变化量随之增大,当距离盾构切口超过10m后,监测点的竖向位移日变化量与总推进力并无明显关系。
 
 
 
    究其原因,主要是由于盾构推进力的提高加剧了盾构对周围土体的扰动程度,而盾尾同步注浆的浆液早期强度较低,浆液的硬化和强度增长需要一定的时间,当注浆压力消失后,隧道周围土体应力释放挤入盾尾空隙,使盾尾后部隧道周边土体向盾尾坍塌产生地层损失,引起地层沉降。随着注浆体的硬化以及强度的增长,沉降将逐步稳定。
2.1.2地表竖向位移与盾构刀盘扭矩的关系
    图3给出了盾构刀盘扭矩与测点竖向位移之间的关系。从图中发现,盾构切口前方监测点的竖向位移日变量没有随着刀盘扭矩的变化表现出明显的规律性变化,当刀盘扭矩从3600kN·m变化到4129kN·m时,监测点竖向位移日变量基本在±2mm之内。这说明盾构刀盘扭矩的变化对地表竖向位移的影响是非常有限的,因此,在监测结果中,刀盘扭矩对地表竖向位移的影响被其他几个因素的影响所掩盖。
 
    图4所示为在不同工作面土压力作用的地表竖向位移变化情况。图中的理论土压力值为0.33MPa,从图中可以看出:①受工作面压力影响的土体范围在盾构切口前方12m左右;②盾构切口前方土体在实际土压力大于理论值时是隆起的,隆起最大点出现在在切口前方6~8m左右,土压力值0.415MPa,最大隆起量为+2.4mm;在小于理论值时是沉降的,沉降最大点在切口前2~3m的位置,土压力值为0.255MPa,最大沉降量为-2.7mm;测点竖向位移变化量的大小与实际土压力的大小成正比。
    监测点竖向位移的这种变化情况是由盾构机的正面土压力偏小或偏大等导致开挖面土压失衡造成的。当盾构机的正面土压力等于开挖面静止土压力时,掘进对土体的影响最小;当盾构机正面土压力小于开挖面的静止土压力时,开挖面土体向着盾构机方向坍塌,造成切口前方土体下沉;当盾构机正面土压力过大则会引起开挖面土体隆起。当正面土压力偏离静止土压力一定范围内时,地层变形处于线弹性阶段,而且变化率较小;如果偏离较大的话,则土体发展为塑性变形。
 
2.3地表竖向位移与注浆压力及注浆量的关系
2.3.1注浆压力
    图5是不同注浆压力下监测点竖向位移日变化曲线,从图中可以看出:①在盾尾前2m、后6m左右的范围内,伴随着同步注浆压力的增加盾构通过后的瞬时沉降量成减小的趋势;②当注浆压力从0.20MPa增加到0.24MPa时,瞬时沉降量减小十分明显,当注浆压力控制在0.24~0.30MPa时,瞬时沉降量控制在±1mm之内;③在距离盾构切口的距离超过6m后,注浆压力变化对竖向位移的影响不明显。
    究其原因,主要是由于在盾构隧道施工,盾尾同步注浆压力的作用是促使浆液及时、足量地充填到盾构施工产生的盾构尾隙中去,以弥补由于正常施工和超挖等非正常原因造成的土体损失,减小瞬时沉降和工后沉降。当注浆压力小于地层阻力时,注浆浆液无法回填到超挖空隙中去,空隙周围土体向空隙方向坍塌,从而产生较大的沉降量;当注浆压力大于地层阻力时,浆液能够顺利压送到空隙中,减小地层沉降,当注浆压力过大时,浆液会在注浆压力作用下挤开隧道周围土体,产生一定量的隆起。当注浆压力偏离地层阻力一定范围时,地层变形处于线弹性阶段,而且变化的斜率较小;如果偏离较大的话,则土体发展为塑性变形。
2.3.2注浆量
    如图6所示,在不同的注浆量情况下,盾构通过后地表竖向位移曲线的差异是很明显的。理论空隙量为1.66m3/环,从图中可以看出:①在盾构机上方以及前方的监测点的竖向位移量基本不受注浆量变化的影响;②在盾尾后方,当注浆量为3.0m3/环时,测点的竖向位移日变化量最大,随着注浆量的增加,沉降量逐渐减小,当注浆量达到4.0m3/环时,日沉降量可以控制在±1mm之内;当注浆量超过4.0m3/环时,再通过增加注浆量来控制地表变形的效果已经不明显了;③在相同注浆量下,靠近盾尾的测点沉降速率最大。
    这是因为在注浆过程中,浆液不可避免地会发生损耗,如浆液的施工损耗,或在注浆压力作用下向掘削空隙以外的周围土体中渗透,尤其是在土质条件较差的地段,浆液的损失比例更大一些,因此,只能通过提高注浆量来提高盾尾空隙的填充率。由于注浆体的早期强度很低,在盾构脱尾后,地表会产生较大沉降,随着注浆体的硬化和强度的增长,沉降会逐渐稳定。此外,还有一些其他原因造成的浆液额外损失等,都将加大对浆液的需求量。当压浆量足以满足底层损失和各种损耗时,继续压浆将不会对地表竖向位移的控制作出贡献。
 
3结论
    (1)注浆量是对土体变形影响最大的因素,对盾尾瞬时沉降和工后沉降的影响都非常重要,通过提高注浆量,可以很好地控制盾构施工造成的土体变形;注浆压力的影响在距盾尾6m的范围内,对减小盾尾瞬时沉降作用明显。
    (2)在盾构推进过程中,盾构总推进力和刀盘扭矩对土体变形的影响都较小,其中推进力的影响主要集中在盾构切口后10m的范围内,刀盘扭矩的变化与竖向位移的变化没有明显的关系。
    (3)工作面压力的影响主要集中在盾构切口附近以及前方20m范围内,对盾尾后的影响不大,是影响盾构前方土体变形的主要因素。
    (4)需要指出的是,盾构推进引起的土体变形是各种因素相互作用的综合表现,仅仅通过竖向位移与每个影响因素的关系并不能完全反映它们之间的关系,有待积累更多的实测资料进行研究。
文章来源:(中国知网)

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