關鍵詞:盾構;地層變形;掘進引數
北京地鐵在5號線施工中首次採用盾構法進行地鐵區間隧道的掘進,下穿城市中心區域,在這些區域中有很多是老舊城區和中心商業區,對於地層變形和地面沉降的控制要求極為嚴格,因此很有必要對盾構掘進過程中地層變形和地面沉降的規律進行細緻分析,並採取相應的施工方法與技術措施進行控制,以滿足盾構施工過程中的環境要求。
1地層變形原因分析
盾構法隧道施工引起地層變形的基本原因可歸納為以下幾個方面。
(1)開挖面土體的移動:當隧道掘進時,開挖面土體的水平支護應力可能大於或小於原始側壓力,開挖面前方土體從而會產生下沉或隆起。
(2)建築空隙引起的沉降:土體擠入盾尾空隙,由於向盾尾後面隧道外圍建築空隙中壓漿不及時、注漿量不足、壓漿壓力不適當,使盾尾後坑道周邊土體失去原始三維平衡狀態,引起地層損失;盾構在曲線中掘進,或糾偏掘進過程中實際開挖斷面不是圓形而是橢圓形,故引起地層損失;盾構在土體中移動,盾殼表面粘附著一層粘土,推進時盾尾後隧道外圍形成的空隙大量增加,如不相應增加注漿量,地層損失將增加。
(3)襯砌變形和沉降:在土壓力作用下,隧道襯砌產生的變形也會引起少量地層損失,當隧道襯砌沉降較大時會引起不可忽略的地層損失,襯砌滲漏也引起沉降。
(4)受擾動土體的固結再沉降:由於盾構掘進過程中的擠壓作用和盾尾注漿作用等因素,使周圍地層形成超孔隙水壓區,需經過一段時間後才能消散復原。在此過程中因地層發生排水固結變形引起地面沉降。
2地層沉降控制方法
2.1地層狀況及沿線建構築物調查
若要在施工過程中達到有效控制地層沉降的目的,首要的先決條件就是在盾構隧道掘進之前對隧道施工影響範圍內的地層狀況及沿線建(構)築物進行調查,在獲得相關的原始資料後,對地層條件及沿線建(構)築物的狀態進行評價分級,並結合相關規範要求,進而確定其在施工過程中為確保地層及建(構)築物的穩定而應達到的控制標準。
2.2優化匹配盾構掘進引數
在確定了沿線地層及相關建(構)築物的控制標準之後,就要根據控制目標調整盾構掘進引數,使盾構在施工過程中達到最優控制掘進狀態。
盾構最優掘進是指:掘進時對周圍地層及地面的影響最小,地層強度下降小,受到的擾動小,超空隙水壓力小,地面隆沉小,盾尾脫出時的突沉幅度小,這些是盾構施工中控制地面沉降、保護環境的首要條件和治本方法。
要達到上述最優狀態,必須在盾構掘進過程中根據隧道埋深、地質條件、地面荷載、設計坡度、轉彎半徑、軸線偏差及盾構姿態等情況,選取合理的引數指導施工。為此必須進行沿線監測地表變形值,據此不斷進行優化組合,指導下一步的掘進施工,使之真正達到優化施工引數的目的。
2.3試掘進確定引數指導施工
盾構施工所面對的主要工作介質就是岩土體,再加上在施工影響範圍內建(構)築物與岩土體的相互作用,因而很有必要根據沿線地層條件、建(構)築物情況,以一定的掘進區段作為掘進試驗段。
一般來說,將始發掘進的前100m作為試掘段。在實際掘進過程中,又可將100m試掘段劃分為3個區段:第一段長15m,為初掘進,共設定3組掘進引數,通過地表監測,摸索地層變化和軸線控制的規律;第二區段長35m,根據地面條件、建築物、地下管線情況,對第一階段設定的3組引數進行調整,以取得最優引數;第三區段長50m,是正式掘進的準備階段,通過這一區段的掘進,對地面沉降、隧道軸線控制、襯砌安裝質量等制定出控制措施,基本掌握施工引數,能利用資訊反饋指導施工。
通過100m試掘段掘進引數與地層變形規律的摸索,為整個掘進過程中施工引數的確定奠定良好的基礎。
2.4土倉壓力的設定
在整個隧道掘進過程中,土倉壓力的設定是乙個非常關鍵的引數,土壓設定值如果偏小則導致地層下沉量增大,土壓設定值如果偏大則會導致地層發生隆起現象。
在北京地鐵五號線17標段的盾構施工過程中,由於地處老城區,地面年代久遠的房屋多達1000餘間,且地下管線密集,因此地層變形的控制非常嚴格,在土壓力理論計算結果的基礎上,結合試掘段的經驗資料,土倉壓力的設定為理論值的105%～120%。
2.5確定盾尾同步注漿引數的最佳值
盾構掘進過程中,以適當的注漿壓力和漿量、合理配合比的注漿材料等,在脫出盾尾的襯砌背面環形建築空隙進行同步注漿,這是控制或減小地層變形的關鍵措施。盾尾同步注漿過程中的關鍵引數控制主要包括如下幾點。
(1)合理配合比的漿料:稠度值控制在10.5～11.0,容重近似於原狀土。
(2)注漿壓力:合適的注漿壓力約為5～6bar,因實際注漿量大於計算注漿量,超體積漿液必須用適當高於計算注漿壓力方可注入盾尾土體空隙。
(3)注漿時間:盾尾注漿的壓入時間對於注漿施工效果影響明顯。漿液的注入時間應以管片拖開盾尾同步為最佳,勻量注入漿液的時間應與管片推進一環的時間相同。
(4)注漿量:一般來說,盾尾同步注漿量的控制可根據盾尾間隙的計算而求得。但在實際注漿過程中,由於盾尾土體不密實或存在空隙等情況,同時由於盾構施工對於周邊土體的擾動作用,從而導致實際的盾尾同步注漿量要遠大於理論計算量。
根據我單位經驗,在砂卵石地層中合適的注漿量應為理論注漿量的160%～220%;在粉質土、粘質土地層中合適的注漿量應為理論注漿量的140%～180%。
(5)注漿位置的分配:有目的地選擇等角度分布於盾尾外殼的注漿管進行注漿,根據不同的地質條件及控制標準確定各個注漿管的注漿壓力與注漿量,能使「漂浮」於漿液中的隧道尾端產生可控位移,既可改善隧道軸線原有的偏差,又可有效改善管片與盾尾的擠卡狀況。
2.6資訊化施工的指導
在盾構掘進過程中,根據監測結果與各項施工引數之間的對照分析,可對施工引數進行進一步修正,達到優化匹配掘進引數、有效控制地層變形的目的。
3工程實踐效果
北京地鐵五號線是北京首批採用盾構法進行施工的地鐵隧道,該標段區間隧道的盾構掘進具有如下特點。
3.1地質條件具有代表性
該標段乙個區間隧道埋深14.8～15.6m,隧道上部地層為粉土②3層、粉土②層和中粗砂③1層,洞身通過地層為中粗砂③1層、圓礫④層、粘質粉土砂質粉土⑤層和粉質粘土重粉質粘土⑤1層,隧道下部地層為圓礫④層、粘質粉土砂質粉土⑤層和粉質粘土重粉質粘土⑤1層。
隧道進入潛水層,一部分進入承壓水層。
而另一區間隧道埋深8.2～9.5m,隧道上部地層為粘質粉土砂質粉土②層及粉質粘土②1層,洞身通過地層為粘質粉土砂質粉土②層及粉質粘土②1層、粉細砂③層、圓礫④層,隧道下部為圓礫④1層和圓礫④層。
區域性地段隧道底部進入潛水層,未進入承壓水。
3.2周邊環境複雜,施工制約因素多
該標段兩區間地面建築物情況複雜,沿線所經地面道路為市區南北向交通要道,交通量大,隧道沿線經過繁華商業大街,該段地面交通繁忙,地面交通在地鐵施工期間不能中斷。
地面建築情況複雜,隧道從道路東側密集商業建築物下穿過,建築物大多建設年代較早,大部分房屋屬危房;地下管線多、人防建築多,包括汙水、給水、電力、熱力、電信等多種管線。
結合這種工程實際條件,在實際施工過程中,應用本文所述控制方法很好地達到了有效控制地層變形的施工目標。如在區間掘進過程中穿越的諸多胡同,地層變形控制效果均較為理想,地層沉降值基本上在10mm以內,遠小於規範要求30mm要求。
參考文獻
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[2]劉仁鵬.土壓平衡盾構技術綜述.世界隧道,2000(1):1～7.
[3]徐永福.盾構推進引起地面變形的分析.地下工程與隧道,2000(1):21～25.
盾構始發與掘進施工方案
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