暗挖地鐵車站管幕預(yù)筑法施工引起的地表沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)

暗挖地鐵車站管幕預(yù)筑法施工引起的地表沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)

1地鐵車站工法及地面沉降預(yù)測(cè)研究沈陽地鐵2號(hào)線的地下鉆孔站是中國(guó)第一個(gè)采用管木預(yù)制裝飾法（ppm）的項(xiàng)目。這是一項(xiàng)由新的管理體系（不同于管木工法）設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的項(xiàng)目。一些學(xué)者對(duì)該工法進(jìn)行了研究,介紹了新管幕工法的來源、施工步序和關(guān)鍵控制點(diǎn),研究了管幕結(jié)構(gòu)抗震數(shù)值分析、鋼管在新管幕法中的應(yīng)用、管幕預(yù)筑地鐵車站施工中的頂管間距優(yōu)化設(shè)計(jì)、管幕預(yù)筑法引起的地面變形數(shù)值分析、管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)肋梁結(jié)構(gòu)體系結(jié)點(diǎn)受力性能非線性分析和管幕預(yù)筑肋梁結(jié)構(gòu)體系抗彎性能試驗(yàn)。預(yù)測(cè)隧道施工引起的地面沉降方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、解析法、隨機(jī)介質(zhì)理論法、數(shù)值方法和離心模型試驗(yàn)等,但目前對(duì)于管幕預(yù)筑法隧道施工引起的地面沉降預(yù)測(cè)研究較少。因此,在對(duì)管幕預(yù)筑隧道地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,建立了修正的Peck地表沉降預(yù)測(cè)模型,確立適合管幕預(yù)筑隧道施工地層損失計(jì)算方法和地層損失系數(shù),擬為工程實(shí)例提供參考。2沉降槽xPeck通過對(duì)大量淺埋暗挖隧道施工資料及引起地表位移數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,提出一個(gè)隧道開挖地面沉降預(yù)測(cè)公式,以Peck公式為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)公式是基于地層不可壓縮假設(shè)和不排水(即體積不變)條件下,認(rèn)為沉降槽體積等于地層損失的體積。設(shè)隧道中心線上地表最大沉降值為smax,沉降槽曲線可用如下高斯分布曲線來描述:式中:s(x)為距離隧道中心線x處的地表沉降;i為沉降槽半寬度,為地表沉降曲線反彎點(diǎn)與原點(diǎn)的距離,可以通過回歸分析求得,亦可采用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:式中:H為隧道埋深;R為計(jì)算半徑;?為地層內(nèi)摩擦角,取加權(quán)平均值。對(duì)于矩形結(jié)構(gòu),等效半徑為R=0.29(a+b),其中a、b分別為長(zhǎng)短邊邊長(zhǎng);對(duì)于其他非圓形結(jié)構(gòu),其等效半徑為,A為非圓形結(jié)構(gòu)面積。i的取值與隧道軸線埋深Z近似呈線性關(guān)系:式中:k為沉降槽寬度系數(shù),并建議砂土地層k取0.25~0.45,黏性土層取0.4~0.6。隧道中心線上地表最大沉降值smax為式中:Vs為由隧道開挖引起的地層損失量,給定一個(gè)土層損失,如果確定了i或smax,就可以確定沉降槽。地層沉降損失也可以表示為式中:η為地層損失率,與施工工藝和地質(zhì)條件有關(guān),黏性土中土壓平衡盾構(gòu)隧道為0.5%~2.0%。3管木預(yù)建法隧道的表面沉降特征3.1鋼管幕廊道及地下空間的施工管幕預(yù)筑法工藝原理如圖1所示,在地下待建的建筑物端部開挖的豎井或通道內(nèi),沿著地下建筑物的結(jié)構(gòu)外輪廓線依次頂入相對(duì)剛性的超大直徑鋼管(管徑為1.8~2.3m),同時(shí)挖除鋼管內(nèi)的土方(見圖1(a)),在頂管過程中對(duì)鋼管外進(jìn)行注漿減阻,在頂管結(jié)束后對(duì)鋼管外注漿加固土體,形成止水帷幕,然后在鋼管內(nèi)沿結(jié)構(gòu)輪廓線進(jìn)行鋼管切割、管間防水鋼板的焊接和防水鋼板間的頂撐等系列措施,使相鄰鋼管連接并形成一個(gè)完整的鋼管幕廊道(見圖1(b)),施工人員在鋼管幕廊道內(nèi)進(jìn)行鋼筋綁扎、模板架設(shè)和混凝土的澆注,完成地下工程永久結(jié)構(gòu)的所有施工步驟(見圖1(c)),然后經(jīng)豎井或通道內(nèi)掏挖地下工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部土方,完成地下工程結(jié)構(gòu)的剩余結(jié)構(gòu)部分施工,形成地下空間(見圖1(d))。管幕預(yù)筑法地下結(jié)構(gòu)形式主要有矩形(見圖1)和拱形(見圖2、3),可以根據(jù)需要進(jìn)行多種斷面形式的組合。它是一項(xiàng)利用大口徑頂管將地下大空間開挖分塊開挖,逆作地下結(jié)構(gòu)再進(jìn)行大空間開挖,是一種新型的建造大斷面地下空間的暗挖施工技術(shù)。3.2地表沉降特征管幕預(yù)筑法施工工藝復(fù)雜,各個(gè)關(guān)鍵施工工序都會(huì)引起地表沉降和側(cè)向變形,在管幕預(yù)筑法施工過程中產(chǎn)生的地面沉降主要有以下4個(gè)部分組成:(1)頂管熱壓與地表擾動(dòng)大密度近距離進(jìn)行鋼管頂管作業(yè)是管幕預(yù)筑法施工的關(guān)鍵一步,將大開挖空間分割成小空間,且利用相對(duì)剛性的大管徑鋼管的保護(hù)作用進(jìn)行小空間的開挖,增加了施工的安全性,降低了施工的風(fēng)險(xiǎn)。由于工藝特點(diǎn)決定了管群之間的距離非常小,大密度平行頂鋼管期間,頂管先導(dǎo)管與后續(xù)管管徑差引起的管外空隙及管頭和管側(cè)的超挖或欠挖均對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng),且近距離大密度頂管多次對(duì)地層擾動(dòng)且相互影響,引起地層損失較大,使地表表現(xiàn)為沉降。每次頂管過程和頂管結(jié)束后,適時(shí)從洞內(nèi)向管外進(jìn)行注漿加固,有效減小建筑空隙,從而有效減小地面變形δ1,必要時(shí)可以提高注漿壓力和增加注漿量進(jìn)行地表抬升。(2)管間土體損失疊加當(dāng)管群部分或全部完成頂管作業(yè)后,需要將相鄰頂管沿結(jié)構(gòu)輪廓線進(jìn)行分段切割,挖除管間土體,將相鄰管間用鋼板焊接密封,然后在相鄰焊接防水鋼板間加剪力構(gòu)件,即施加鋼管混凝土支撐。管間進(jìn)行鋼管切割,管間土體支護(hù)被切除,管間局部土體也被清除,管間土體向臨空面變形引起土體損失。雖然后續(xù)管間防水鋼板的焊接和管間支撐的施加可控制管間土體的繼續(xù)變形,但防水鋼板外側(cè)仍然存在超挖,且管間需全部連通,土體損失疊加效應(yīng)比較明顯,引起的地面變形δ2也比較大。在管間切割期間,管間土體出現(xiàn)超挖時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)混凝土,盡快焊接防水鋼板并加鋼管混凝土支撐,加撐時(shí)施加預(yù)應(yīng)力,加撐結(jié)束后,對(duì)管間防水鋼板外側(cè)進(jìn)行注漿,同樣可有效減小地面變形δ2,必要時(shí)也可以提高注漿壓力和增加注漿量進(jìn)行地表抬升。(3)大開挖階段的地面變形控制傳統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)是先開挖再施做地下永久結(jié)構(gòu),管幕預(yù)筑法地下結(jié)構(gòu)的施工與傳統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)施工方法不同,是預(yù)先在管廊內(nèi)施作的,在地下結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用的前提下進(jìn)行大開挖。大開挖引起的地層損失主要來自結(jié)構(gòu)的變形和結(jié)構(gòu)的整體下沉。由于地下結(jié)構(gòu)為永久結(jié)構(gòu),其彈性變形引起的土體損失比較小,地下結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降引起的整體下沉是大開挖階段引起的地層沉降的主要原因?？刂拼箝_挖階段的地面變形δ3主要采取的措施有兩個(gè),其一是增加地下結(jié)構(gòu)的剛度;其二是在鋼管切割后與支撐后,結(jié)構(gòu)施工前,在管廊內(nèi)對(duì)地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下方和結(jié)構(gòu)下部外側(cè)進(jìn)行花管注漿,增加基礎(chǔ)下方的地基承載能力和增加對(duì)基礎(chǔ)的位移限制。(4)管幕預(yù)筑法水固結(jié)變形控制關(guān)鍵種地基承載力法地表固結(jié)變形是由于管幕預(yù)筑法施工工藝中多次對(duì)周圍土體擾動(dòng)及土層疏水固結(jié)引起的。前面3種地面變形可以通過采取合理的施工方法和施工措施進(jìn)行控制,但管幕預(yù)筑法多次擾動(dòng)土體,后期固結(jié)變形是無法消除的。對(duì)管幕預(yù)筑工法施工后期沉降尚沒有實(shí)測(cè)資料,其工后沉降尚待進(jìn)一步研究。4管幕預(yù)筑階段由管幕預(yù)筑法隧道施工地表沉降變形特點(diǎn)可知,管幕預(yù)筑法隧道施工引起的地表變形主要由δ3引起的。在前期頂管階段和鋼管切割階段引起的地面變形δ1和δ2可以通過鋼管內(nèi)的注漿措施進(jìn)行控制,必要時(shí)可以通過從頂管管內(nèi)向外側(cè)注漿抬升,實(shí)現(xiàn)大開挖前地表零沉降或控制性預(yù)隆起,δ1和δ2可以忽略不計(jì)。由于管幕預(yù)筑法工后固結(jié)沉降δ4缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),在施工階段暫不作考慮。因此,大開挖階段,結(jié)構(gòu)的變形和整體沉降引起的地層損失是引起施工階段地表變形δ3的主要原因,是沉降預(yù)測(cè)的重點(diǎn)。4.1研究對(duì)象的確定考慮管幕預(yù)筑法工藝特點(diǎn)、地層條件和管幕預(yù)筑法工后固結(jié)沉降缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),這里僅對(duì)大開挖階段沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析,故作如下的假設(shè):(1)地層模型采用摩爾-庫侖模型,地下結(jié)構(gòu)采用彈性模型。大開挖階段之前進(jìn)行了降水和注漿抬升,開挖階段沒有考慮地下水位的變化。(2)假定前期頂管和鋼管切割階段注漿后土體處于穩(wěn)定狀態(tài),以結(jié)構(gòu)在鋼管廊內(nèi)施工完成后作為研究的初始狀態(tài)。(3)圍巖的土性參數(shù)以勘察資料為參考,以前期頂管作業(yè)和鋼管切割后注漿信息反饋與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息,綜合確定。(4)由于施工工藝的限制,不考慮鋼管幕在大開挖過程中的作用,僅考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的作用。(5)圍巖和結(jié)構(gòu)的共同作用比較復(fù)雜,結(jié)構(gòu)內(nèi)土方開挖過程中空間效應(yīng)明顯,全部貫通后則表現(xiàn)為平面效應(yīng),計(jì)算按照平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。4.2地面沉降的量值和分布管幕預(yù)筑法是一種新的隧道施工方法,相關(guān)研究和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少,其預(yù)先施作的地下結(jié)構(gòu)是永久結(jié)構(gòu),與盾構(gòu)管片類似,結(jié)構(gòu)外側(cè)與圍巖間的空隙較盾構(gòu)管片外空隙小得多,地層沉降與盾構(gòu)類似,而Peck公式主要是針對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起的地層變形規(guī)律的統(tǒng)計(jì)公式,因而借用Peck公式進(jìn)行分析。Peck公式中地層損失Vs和沉降槽半寬度i的合理確定對(duì)于正確預(yù)測(cè)地面沉降的量值和分布情況至關(guān)重要,而這兩個(gè)指標(biāo)的確定與隧道施工地質(zhì)條件、施工工藝和支護(hù)措施有關(guān)。管幕預(yù)筑法隧道施工工藝與常用的地鐵開挖方法(NATM、TBM、盾構(gòu)、凍結(jié))同,大開挖前已經(jīng)做好了地下永久結(jié)構(gòu),因而引起的地層損失的機(jī)制不一樣。管幕預(yù)筑法隧道大開挖階段管幕預(yù)筑法隧道結(jié)構(gòu)位移如圖4所示,主要由地下結(jié)構(gòu)的變形圖4(a)和整體沉降圖4(b)引起。ωi為結(jié)構(gòu)變形曲線與原結(jié)構(gòu)軸向圍成的面積,結(jié)構(gòu)的變形曲線可以通過計(jì)算地下結(jié)構(gòu)在荷載作用下的各個(gè)斷面的位移求得,也可以通過監(jiān)測(cè)得到,從而求出變形曲線與結(jié)構(gòu)原軸線所圍的面積。圖4(a)中結(jié)構(gòu)的變形引起的地層損失為圖4(b)中結(jié)構(gòu)整體沉降引起的地層損失近似計(jì)算值為式中:S為墻底沉降量;B為隧道結(jié)構(gòu)的最大寬度。由于結(jié)構(gòu)的變形分開計(jì)算,計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的下沉?xí)r可將管幕隧道結(jié)構(gòu)視為剛性的。對(duì)于淺埋隧道,結(jié)構(gòu)頂部受到的換算均布荷載為式中:γ為巖土重度;λ為側(cè)壓力系數(shù);θ為滑面摩擦角。則墻底受到的豎向壓力為墻底在豎向荷載p作用下的沉降量S可以采用分層總和法計(jì)算。管幕預(yù)筑法隧道大開挖階段引起的地層損失為5工程實(shí)例5.1橫斷面結(jié)構(gòu)沈陽地鐵2號(hào)線某車站總長(zhǎng)為179.8m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度為26.2m,高度為18.9m,橫斷面總開挖面積402.5m2;結(jié)構(gòu)頂部覆土為7.6~11.2m,底板埋深為26.5~30.1m。車站主體結(jié)構(gòu)型式為單拱鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),該地鐵暗挖車站是國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用管幕預(yù)筑法工藝施工的地下工程,此車站是目前世界上建造的最大的全斷面開挖的單拱暗挖隧道。5.2結(jié)構(gòu)地層及土層本區(qū)間地勢(shì)平坦,地貌單元屬渾河沖洪積扇,第四系地層沉積韻律較為明顯,地層組成自上而下為雜填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、礫砂、圓礫、中粗砂、圓礫、泥礫。地面標(biāo)高為44.65~51.94m左右,結(jié)構(gòu)所處地層屬于第四系地層,土層基本以中粗砂和礫砂為主;地下水埋深為8.7~14.2m,水位標(biāo)高為32.53~37.94m,地下水位年變幅為0.5~2.0m,縱向地質(zhì)剖面如圖5所示。5.3頂至站廳板、地面客板、政府板厚度不同車站結(jié)構(gòu)如圖2、3所示,拱殼結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),拱殼結(jié)構(gòu)內(nèi)外均為異形鋼管幕結(jié)構(gòu),鋼管幕結(jié)構(gòu)為防水層,不考慮鋼管幕結(jié)構(gòu)的作用。拱殼結(jié)構(gòu)自拱頂至站廳層板段為厚度0.8m等厚度拱殼,自站廳層至拱腳,厚度逐漸增加至1.2m。站廳板厚為0.5m,站臺(tái)底板厚度為1.6m。如圖3所示,盾構(gòu)在車站結(jié)構(gòu)做完之前先過站,站廳范圍盾構(gòu)管片需要拆除,故站廳板采取逆作法施工,在車站底板施工完成后,拆除盾構(gòu)管片后依次現(xiàn)澆中柱和站廳板?；炷敛捎肅35自密實(shí)混凝土。從車站兩端往中間開挖土方貫通站廳層后,從北往南分段開挖站臺(tái)層土方,在距底板高度為2.2m處加水平支撐后施作底板。5.4地表沉降槽結(jié)構(gòu)參數(shù)為了驗(yàn)證Peck公式在管幕預(yù)筑法暗挖隧道的實(shí)用性,分別計(jì)算離洞口79m處站廳層和站臺(tái)層土方開挖橫斷面穩(wěn)定后的沉降槽。由于上覆土層主要為砂土,砂土地層損失率按照0.5%~2.0%下限值計(jì)算,沉降槽寬度系數(shù)為0.25~0.50,采用此參數(shù)用修正的Peck公式預(yù)測(cè)地表沉降槽半寬度和最大沉降值與實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。將計(jì)算出的最大沉降值帶入Peck公式,繪制出站廳層和站臺(tái)層開挖時(shí)的地表沉降預(yù)測(cè)圖形如圖6所示。從圖中可以看出,對(duì)于管幕預(yù)筑法施工,由于預(yù)先施工的地下外圍結(jié)構(gòu)的作用,地表沉降最大值在可控范圍內(nèi),隨著站臺(tái)層的開挖,地表最大沉降增量不大,僅為3.5mm。5.5測(cè)量數(shù)據(jù)分析5.5.1沉降曲線變化地表典型監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線如圖7所示,從圖中可以發(fā)現(xiàn),在站廳層土方開挖時(shí),地表沉降曲線緩慢變化,地表沉降值較小,在站廳層貫通后,沉降曲線有個(gè)突變,達(dá)到最大沉降值12.2mm。在站臺(tái)層土方施工階段,地表沉降緩慢變化,地表沉降曲線有回彈趨勢(shì)。從圖7可知,實(shí)測(cè)地表沉降曲線中最大沉降值與表1中實(shí)測(cè)墻腳沉降值比較接近。由于管幕預(yù)筑法地下結(jié)構(gòu)的施工是先于地下大開挖前施做的,地下結(jié)構(gòu)對(duì)大開挖提供了有效的安全保障和地層沉降控制,管幕預(yù)筑法引起的地表沉降主要由地下結(jié)構(gòu)的整體下沉引起。5.5.2沉降槽曲線分析從站廳層土方開挖到底板澆筑完工的不同時(shí)期第1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)沉降槽曲線如圖8所示,由圖可知,實(shí)測(cè)沉降值整體比較小,地表沉降表現(xiàn)為整體塌落特征。在車站跨度范圍上方沉降較大,最大沉降值在隧道軸向上方,同一測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間的沉降差較小,后期施工時(shí)的沉降槽曲線(2011-02-27)較前期施工的沉降槽曲線(2011-01-19)有所回彈。將圖8實(shí)測(cè)曲線與圖6Peck公式預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較可知,實(shí)測(cè)值比預(yù)測(cè)結(jié)果稍大,且實(shí)測(cè)沉降槽曲線更平緩。兩種情況下的沉降槽均表現(xiàn)為整體沉降,原因在于該隧道為超大斷面和超淺埋隧道。5.5.3曲墻襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)土壓力管幕預(yù)筑法結(jié)構(gòu)施工期間的變形如圖9所示,由圖可知,拱頂下沉,拱腳收斂,拱腰向外變形,根據(jù)變形曲線可以推知管幕預(yù)筑法曲墻襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)土壓力的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)變形引起的土層損失。由表1和圖8可以求得結(jié)構(gòu)變形引起的地層損失非常小,結(jié)構(gòu)變形引起的地層損失率在0.0001%~0.0006%之間,約占地層損失的30%。5.5.4地層損失率管幕預(yù)筑法隧道施工地表沉降預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值比較接近,但其地層損失率與傳統(tǒng)方法比較存在幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差別,沈陽地鐵某車站地層以砂土地層為主,表明在砂土地層條件下采用管幕預(yù)筑法施工時(shí)地層損失率為0.0005%~0.0020%。比較圖5、7可知,實(shí)測(cè)沉降槽寬度與地鐵車站的最大跨度基本相等,地表沉降表現(xiàn)為整體塌落特征,沉降槽寬度系數(shù)k取值約為0.5。6對(duì)工程地質(zhì)條件的預(yù)測(cè)管幕預(yù)筑法在國(guó)內(nèi)