軟土地層盾構施工地表沉降分析及措施

1、軟土地層盾構施工地表沉降分析及措施摘 要:通過對上海地鐵軟土地層盾構施工引起的地層變形原因和機理進行分析，結合派克公式對地層變形進行計算，引出地層損失率作為沉降控制標準，并提出了軟土地層盾構施工地層損失控制技術要點，以減小施工對環(huán)境的影響。關鍵詞:軟土地層，地層損失，地層損失率0引言 隨著盾構施工技術在城市地鐵建設應用中的不斷發(fā)展，地鐵施工普遍存在的諸如地表沉降、周邊建( 構) 筑變形等對環(huán)境的不利影響也越來越引起人們的重視，但迄今為止尚未得到完全解決，研究盾構施工技術、控制措施及其減少對地層及周邊環(huán)境的影響具有指導作用。本文通過對上海軟土地層盾構施工引起的地表變形機理和原因分析，結合派克公式

2、以及地層損失率控制要求對地表沉降進行反算，以求在施工中采取針對性措施，減少地層變形。1地表變形機理 變形從物理角度講，歸結為應力的變化。天然土體一般是由礦物顆粒構成骨架體，孔隙水和氣體填充骨架體而組成的三相體系。飽和土由土顆粒和水組成，土顆粒之間存在膠結物，有些沒有粘結。但是它們都能傳遞荷載，從而形成傳力骨架，叫做土骨架。外載荷作用在土體上，一部分由孔隙水承擔，叫做孔隙水壓力，另一部分則由土骨架承擔，就是有效應力，對引起壓縮和產(chǎn)生強度有效。 土體受外力后，土粒和孔隙中的流體均將發(fā)生位移，孔隙流體及氣體體積減小、顆粒重新排列、顆粒間距離縮短和骨架體發(fā)生錯動，引起土體變形，從而引起地表變形。2地表

3、沉降規(guī)律橫向上，沉降槽曲線近似為正態(tài)分布，見圖 1。 縱向上，隧道沉降分布隨時間變形具有階段性規(guī)律，見圖 2。3盾構施工引起地層變形的作用機理和原因分析3 1盾構施工引起地表沉降的作用機理 根據(jù)地表沉降規(guī)律縱向曲線分布，盾構施工引起的地表沉降按照變化規(guī)律可分為五個階段，各階段變形的主要原因和作用機理見表 1。3 2原因分析 從表 1 中可以看出，地面沉降的根本原因是盾構施工中引起的地層損失和受擾動土層的固結。 1) 地層損失。 地層損失是指盾構施工中實際開挖土體體積與竣工隧道體積之差。引起地層損失主要有以下幾方面的因素: a 土倉壓力設置不當，造成開挖面土體移動。當盾構掘進時，開挖面土體受到的

4、推力小于原始側向力，土體在原始側向力的推動下向盾構內(nèi)移動，引起地層損失而導致盾構上方地面沉降; 反之當推力大于原始側向力時，擠壓正向土體向上、向前移動，引起地層損失( 欠挖) 而導致盾構前上方土體隆起2。b 盾構后退回縮。由于盾構機采用液壓推進系統(tǒng)，當盾構暫停推進時，盾構推進油缸壓力釋放或漏油回縮會引起盾構后退，盾構刀盤與開挖面之間出現(xiàn)間隙，開挖面土體因失去支撐而坍落或松動，造成盾構前方地層損失。c 注漿充填不及時。盾構法施工隧道由于開挖面輪廓較襯砌面偏大，襯砌外圍存在地層空隙，一般隨盾構推進采用注漿充填。施工時，若注漿壓力不恰當，注漿量不足，注漿不及時，襯砌外圍周邊土體失去平衡狀態(tài)而向空隙中

5、移動，引起地層損失。d 頻繁改變推進方向。由于線路走向要求，盾構推進過程中需隨時調(diào)整推進方向以擬合線路。由于盾尾較刀盤在開挖方向上的軌跡存在滯后性，每一環(huán)襯砌在推進糾偏過程中的實際開挖面不是圓形而是橢圓，無形中增大了土體開挖量，造成地層損失。 2) 受擾動土的固結。 盾構隧道土體受到盾構施工的擾動后，在盾構隧道的周圍形成超孔隙水壓力區(qū)。當盾構通過該地層后，孔隙水排出，引起地層移動和地面下降。此外，盾構推進中的擠壓作用和注漿作用也使周圍地層形成正值的超孔隙水壓區(qū)。在盾構隧道施工后的一段時間內(nèi)其孔隙水壓力復原，發(fā)生排水固結變形，引起地面沉降。土體受擾動后，土體骨架壓縮變形會持續(xù)較長時間，在此過程中

6、發(fā)生的地面沉降稱為次固結沉降。4地表沉降控制標準 根據(jù)派克公式，地層損失在隧道長度上均勻分布，地面沉降的橫向分布為正態(tài)分布曲線，距隧道中線處的地表沉降量計算公式為: 其中，S( x)為距隧道中線處的地面沉降，m; V 為地層損失總量; x 為距隧道中線處的距離，m; i 為沉降槽寬度系數(shù)，即沉降曲線反彎點的橫坐標，m。 根據(jù) Attewell 公式，沉降槽寬度系數(shù) i 的計算方法為: 其中，r 為隧道半徑; Z 為隧道開挖面的中心埋深。 地層損失率以占盾構理論排土體積的百分比表示，其計算公式為: 其中，V 為隧道開挖土體面積。 依式( 2) ，式( 4) 可得，在地層損失率控制標準一定的情況下

7、，地表最大沉降值為: 上海地區(qū)屬濱海相軟弱地層，主要地層為飽和含水流塑或軟塑黏性土，其含水量高、壓縮性高、靈敏度高、強度低，受擾動后沉降大且穩(wěn)定時間長3。為應對在此類地層中，世界上發(fā)達國家已用先進的盾構和施工方法將盾構施工擾動地層而產(chǎn)生的地層損失率控制到 0 5%，上海盾構施工在一般施工條件下要求地層損失率小于 1%。 就上海地鐵十三號線某區(qū)間為例，計算如下: 該區(qū)間長度為 1 024 m，隧道開挖半徑為 3 17 m，隧道中心埋深 13 2 m 20 9 m。 根據(jù)埋深計算，可得 i =5 70 m 8 23 m，則地表最大沉降值控制量為: 隧道埋深越深，最大沉降控制量越小。5地表沉降控制技

8、術5 1地層狀況及沿線建(構)筑物調(diào)查 施工前必須要對隧道施工影響范圍內(nèi)的地層狀況及沿線建( 構) 筑物進行調(diào)查并分析評價其狀態(tài)，進而確定沉降的控制標準4，才能達到有效控制地層沉降的目的。從目前地鐵施工來看，對地層的分析往往較為全面，但對建( 構) 筑物資料的收集由于涉及方面較多還存在較大的欠缺，而這些往往會對環(huán)境和施工方自身利益的保護造成不利影響。5 2優(yōu)化盾構掘進參數(shù)2-4 盾構施工參數(shù)如推速、推力、同步注漿、正面土壓等，與地表沉降密切相關。因而，盾構施工前必須根據(jù)地質(zhì)條件和設計要素等情況，選取合理的參數(shù)指導施工，使盾構在施工過程中達到最優(yōu)控制掘進狀態(tài)。 1) 試掘進確定參數(shù)指導施工。 由

9、于地層、周邊環(huán)境和盾構機差異，在盾構施工過程中應通過試掘進選定合適的推進參數(shù)。施工時，一般將始發(fā)掘進的前100 m 作為試掘進段。通過這一區(qū)段的盾構施工，摸索并掌握施工參數(shù)。 2) 適當?shù)耐羵}壓力。 土倉壓力直接控制開挖面土體移動狀態(tài)。土壓偏小則地層下沉，土壓偏大則會導致地層發(fā)生隆起現(xiàn)象。上海淤泥質(zhì)粘土層中掘進土倉壓力較理論計算結果偏大，一般土倉壓力的設定為理論值的 110%125%。 3) 合理的同步注漿參數(shù)。 同步注漿是控制或減少地層損失的關鍵措施。設置合理的注漿壓力和注漿量、選用優(yōu)配的注漿材料等，在盾構推進過程中及時填充襯砌外圍土體空隙，能有效控制地表沉降。 目前，上海地區(qū)盾構掘進同步注

10、漿已普遍采用“厚漿”技術。其漿液材料主要采用粉煤灰、砂、膨潤土、石灰、水以及減水劑，該漿液材料具有良好的長期穩(wěn)定性及流動性、早期強度好、抗地下水稀釋性能好，且固結后體積收縮小、泌水性小; 其漿液主要配比及性能指標見表 2，表 3。 由于“厚漿”漿液稠度大，對拌漿和注漿系統(tǒng)要求高，普通盾構機注漿設備需進行改造。輸送泵壓最高一般小于 6 MPa，注漿量一般為理論注漿量的 120% 140%; 其同步注漿要求做到盾尾4 點注漿，注漿壓力、注漿量雙控。5 3信息化施工的指導 在盾構掘進過程中，根據(jù)監(jiān)測結果與各項施工參數(shù)之間的對照分析，應結合具體工程情況及時修正施工參數(shù)，以達到優(yōu)化匹配掘進參數(shù)、有效控制地層變形的目的。6結語 目前，上海地區(qū)盾構推進地表沉降控制基本能夠滿足地層損失率小于 1%的要求，但與國外相比，尚有差距，并且在國內(nèi)范圍由于技術積累和施工經(jīng)驗水平的差異，其差別也較為明顯。隨著盾構施工的發(fā)展和技術的進步，首先提高設計、施工人員的技術水平; 其次，應針對各地不同的地質(zhì)條件就施工對地層間的耦合作用做深入研究，減少直至消除施工時對環(huán)境的影響。參考文獻:1 連長江 城市地鐵隧道盾構施工產(chǎn)生的地層沉降分析J廣東建材，2007( 2) :46-472 施成華，彭立敏 盾構法施工隧道縱向地層移動與變形預計J 巖土工程學報，2003，25(