泥水盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地面沉降的影響

泥水盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地面沉降的影響

泥水盾構(gòu)在隧道施工中應(yīng)用的必要性隨著城市交通的擴(kuò)建，中國大城市的隧道數(shù)量日益增多。泥水盾構(gòu)施工,以其施工擾動(dòng)小、地面沉降控制精度高、施工快速安全及機(jī)械化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn),成為軟土地區(qū)水底隧道施工的首選。如上海上中路隧道、上海長(zhǎng)江隧道、武漢長(zhǎng)江隧道、南京長(zhǎng)江隧道、杭州慶春路過江隧道、杭州運(yùn)河隧道、杭州錢江通道等均為采用泥水盾構(gòu)修建的水底隧道。泥水盾構(gòu)作為一種較為先進(jìn)的隧道施工方法,仍不可避免地?cái)_動(dòng)周圍地層,引起周圍地層位移,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜班徑?構(gòu))筑物的正常使用和安全。泥水盾構(gòu)施工引起的地層位移,除了受到工程及水文地質(zhì)條件、隧道直徑及埋深等影響外,掘進(jìn)參數(shù)也是主要影響因素。本文通過對(duì)杭州慶春路過江隧道泥水盾構(gòu)施工引起的地面沉降及對(duì)應(yīng)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的分析,討論了泥水盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地面沉降的影響。1工程概論和地質(zhì)條件1.1管片、盾構(gòu)隧道杭州慶春路過江隧道南北方向垂直穿越錢塘江,盾構(gòu)段總長(zhǎng)3532.442m,其中東線長(zhǎng)1765.478m,西線長(zhǎng)1766.924m。管片外徑11.3m,內(nèi)徑10.3m,厚50cm,環(huán)寬2m。管片采用通用契型環(huán),采用6標(biāo)準(zhǔn)塊+2鄰接塊+1封頂塊的分塊形式,錯(cuò)縫拼裝,縱環(huán)向采用高強(qiáng)螺栓連接。盾構(gòu)隧道采用兩臺(tái)泥水盾構(gòu)掘進(jìn),盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)11.4m,后配3節(jié)拖車,上載砂漿泵、電器液壓設(shè)備、主控室等,長(zhǎng)約20m。盾構(gòu)主機(jī)總重1100t,外徑11.65m。1.2土層物理力學(xué)指標(biāo)沿線場(chǎng)地地貌主要為錢塘江河床及兩岸的錢塘江河口沖海積平原,錢塘江南北兩岸已建成標(biāo)準(zhǔn)堤塘,岸區(qū)已不受潮汐影響,地貌屬平原。擬建隧道與錢塘江垂直,該段河面寬度約為1200m,岸區(qū)標(biāo)高5.0~6.5m(85國家高程)左右,北岸為錢江新城,已建成慶春路,道路兩側(cè)以綠化帶為主,南岸以苗木、魚塘為主,因人工魚塘開挖影響,微地貌有一定起伏。盾構(gòu)施工主要穿越(3)層粉砂夾粉土、(4)層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、(5)層粉質(zhì)黏土、(6)層粉質(zhì)黏土、(7)層粉細(xì)砂和(8)層圓礫。各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。隧道穿越土層剖面見圖1?？紫稘撍x存于場(chǎng)區(qū)淺部人工填土及其下部粉、砂性土層內(nèi),水位高,滲透性好。(7)層砂土、(8)層圓礫為承壓水層,承壓水位高,透水性強(qiáng)。2監(jiān)測(cè)和配置土壤沉降和挖掘參數(shù)的記錄2.1調(diào)查斷面位置地面沉降監(jiān)測(cè)從江南工作井至錢塘江南岸大堤一共布置19個(gè)斷面,編號(hào)為D1~D18、XB。其中西線隧道監(jiān)測(cè)斷面標(biāo)記為WD,東線為ED,XB僅布置于西線。監(jiān)測(cè)斷面布置情況如圖2所示。其中D1~D6因處于加固區(qū),數(shù)據(jù)失真,未采用;D7~D12、D17、D18、XB所處地面隧道施工前為農(nóng)田;D13~D16位于錢塘江南岸大堤之上。各監(jiān)測(cè)斷面垂直于隧道軸線,測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。根據(jù)各個(gè)斷面地表的具體情況,實(shí)際測(cè)點(diǎn)布置有所變動(dòng)。2.2掘進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)記錄盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),對(duì)切口泥水壓力、盾構(gòu)總推力、刀盤轉(zhuǎn)速及扭矩、掘進(jìn)速度、同步注漿時(shí)間及注漿量、盾構(gòu)坡度及轉(zhuǎn)角、切口里程等主要掘進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)記錄。3合理控制隧道開挖口土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)目前廣泛應(yīng)用于城市地鐵隧道、水底隧道施工。國內(nèi)外許多工程實(shí)例研究表明,掘進(jìn)參數(shù)控制是影響盾構(gòu)掘進(jìn)引起地面沉降的重要因素,良好的參數(shù)控制可以有效地減少盾構(gòu)施工引起的地面沉降[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。R.J.Mair認(rèn)為,良好的切口壓力及同步注漿參數(shù)設(shè)定是盾構(gòu)施工地面沉降控制的關(guān)鍵。在倫敦CTRL合同段上行線土壓盾構(gòu)施工中,良好的切口壓力及同步注漿控制,使得地層損失率非常小,控制在0.2%~0.8%之間。切口壓力應(yīng)避免過大波動(dòng),否則會(huì)引起較大的地層損失;適當(dāng)提高切口壓力,可以減少地層損失;而切口壓力的驟降,會(huì)因開挖面應(yīng)力松弛釋放而引起較大地面沉降。廖少明等通過對(duì)上海軟土地層中若干土壓平衡盾構(gòu)隧道工程實(shí)例的研究,認(rèn)為盾構(gòu)切口壓力設(shè)定和同步注漿控制是沉降控制中最為關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù),掘進(jìn)速度、盾構(gòu)姿態(tài)控制、盾尾密封保護(hù)、盾殼與地層摩擦等都會(huì)影響地面沉降,并認(rèn)為適當(dāng)降低盾構(gòu)掘進(jìn)速度可以減少擾動(dòng),盾構(gòu)姿態(tài)的變化會(huì)加大地層損失。通過對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的合理控制,上海軟土地層中盾構(gòu)施工引起的地層損失率可以控制在0.5%左右;R.J.Finno等通過對(duì)N-2工程土壓盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及有限元參數(shù)研究得出,適當(dāng)提高切口壓力使地表隆起,與地表沒有隆起的情況相比,可以降低地面沉降,但是會(huì)增加固結(jié)沉降量;W.I.Chou對(duì)國外多條盾構(gòu)隧道工程實(shí)例研究后認(rèn)為,切口壓力的合理控制及良好的施工質(zhì)量,可以有效地減少地面沉降;倫敦DLR隧道泥水盾構(gòu)施工過程中,通過良好的施工控制,特別是切口壓力的精細(xì)控制和及時(shí)快速地同步注漿,有效地控制了地面沉降,地層損失率平均值為0.7%,都控制在1%之內(nèi);曼谷第一條地鐵隧道施工中,對(duì)土壓盾構(gòu)施工引起地層位移的影響因素的研究發(fā)現(xiàn),切口壓力設(shè)定為影響地層位移的最主要因素,當(dāng)切口壓力較大時(shí),地表上抬,而當(dāng)切口壓力設(shè)置偏低時(shí),會(huì)引起較大地面沉降。3.1地表沉降規(guī)律西線盾構(gòu)于2009年5月5日開始掘進(jìn),東線盾構(gòu)2009年6月22日始發(fā)。東西線相距60m,在正常施工情況下相互影響較小。圖4為東西線盾構(gòu)穿越各監(jiān)測(cè)斷面期間掘進(jìn)進(jìn)度曲線。圖4中虛線自下至上依次為監(jiān)測(cè)斷面D7~D11、XB、D12、D17、D18所處隧道里程。由圖4可見,東西線盾構(gòu)掘進(jìn)速度較均勻,在穿越監(jiān)測(cè)斷面期間,由于設(shè)備故障,西線非正常停機(jī)2次,東線非正常停機(jī)1次。不計(jì)停機(jī)時(shí)間,西線盾構(gòu)穿越各監(jiān)測(cè)斷面平均掘進(jìn)速度為5.74m/d,東線為8.59m/d。圖5為東線隧道各監(jiān)測(cè)斷面軸線地面沉降隨盾尾離開時(shí)間的變化曲線。圖5可見:(1)ED7、ED8、ED9斷面沉降規(guī)律基本一致:無論在盾尾脫離初期,還是后期固結(jié)沉降,該3個(gè)斷面沉降曲線基本平行,沉降速度基本一致。盾尾脫離0~8d,沉降速度和沉降量最大;8d之后,地表基本趨于穩(wěn)定,沉降值微量變化。造成該3個(gè)斷面沉降差異的主要原因?yàn)槎芪裁撾x時(shí)3個(gè)斷面的沉降差異,即盾構(gòu)切口到達(dá)前以及通過期間3個(gè)斷面地表沉降的不同。在盾尾脫離監(jiān)測(cè)斷面之前,地表隆起量ED7>ED9>ED8,最終沉降量ED7<ED9<ED8?？梢?適當(dāng)提高切口泥水壓力,使切口上前方地表微隆,可以抵消部分地層損失,減少地表沉降。(2)ED10、ED11斷面沉降規(guī)律基本一致:與ED7、ED8、ED9斷面不同,盾尾脫離初期地表并未出現(xiàn)較大沉降,而是持續(xù)隆起;7d后,隨著同步注漿漿液的硬化收縮,產(chǎn)生部分空隙,引起地層損失沉降;14d之后,地面趨于穩(wěn)定,地表位移值微量變化。該兩個(gè)斷面最終地面沉降量小于ED7、ED8、ED9。與ED7、ED8、ED9相比,ED10、ED11同步注漿控制更優(yōu),有效地抑制了由盾尾間隙引起的地層損失沉降,并在注漿壓力作用下地表出現(xiàn)微隆。由此看來,適當(dāng)提高同步注漿壓力,使地表微隆,可以抵消部分地層損失,減少地面沉降。(3)ED12沉降規(guī)律不同于其他斷面:ED7~ED9、ED17、ED18斷面在盾尾離開8d之后地表趨于穩(wěn)定;ED10、ED11在盾尾脫離14d之后,地表趨于穩(wěn)定;而ED12斷面在盾尾脫離19d之后,地表仍保持較大的沉降速度。由圖5可見,盾尾脫離9d之后,ED12沉降曲線斜率遠(yuǎn)大于其他斷面,反映了其固結(jié)沉降速度遠(yuǎn)大于其他斷面。由圖4可見,東線盾構(gòu)切口離開ED12斷面23.85m后,由于設(shè)備故障盾構(gòu)停機(jī)7d。此時(shí)盾尾距離ED12斷面12.45m,盾尾后續(xù)拖車長(zhǎng)約20m,剛好位于ED12正下方。后續(xù)拖車巨大壓重壓縮隧道下臥土層,進(jìn)而引起地面較大沉降。這是ED12斷面固結(jié)沉降速度遠(yuǎn)大于其他斷面的原因。圖6為西線隧道各監(jiān)測(cè)斷面軸線地面沉降隨盾尾離開時(shí)間的變化曲線。由圖6可見,除XB、WD12之外,其他斷面在盾尾脫離約10d之后,地表沉降曲線斜率基本相同,即沉降速度基本相同。各監(jiān)測(cè)斷面地表最大沉降速度均發(fā)生在盾尾脫離10d之內(nèi),認(rèn)為之前產(chǎn)生的地表沉降主要由地層損失引起,而10d之后地表沉降主要為擾動(dòng)土體固結(jié)沉降?？梢?XB、WD12固結(jié)沉降速度明顯大于其他斷面。結(jié)合圖4,西線盾構(gòu)穿越各監(jiān)測(cè)斷面第1次非正常停機(jī)18d,此時(shí)盾構(gòu)拖車剛好位于WD12斷面正下方,拖車尾部距離XB斷面約2.9m。后續(xù)拖車巨大嚴(yán)重壓縮下臥土層,加劇了地表沉降,因此,XB、DB12固結(jié)沉降速度較其他斷面大。WD11斷面最終沉降量最小,切口到達(dá)前地面微隆;盾尾離開時(shí),同步注漿有效抑制了盾尾沉降。WD10斷面沉降最大,盾尾離開時(shí),產(chǎn)生了較大的盾尾沉降。WD17、WD18切口到達(dá)前產(chǎn)生相對(duì)較大沉降,盾尾脫離時(shí)沉降量陡增,其最終沉降量也較大。由此看來,適當(dāng)提高切口泥水壓力使切口上前方地表微隆,合理的同步注漿控制抑制盾尾沉降,可以有效地減少地面沉降;而當(dāng)切口壓力控制不當(dāng)產(chǎn)生較大切口土體損失,特別是盾尾同步注漿控制欠佳引起較大盾尾沉降時(shí),地面沉降會(huì)較大。西線隧道各監(jiān)測(cè)斷面地面沉降在盾尾脫離約40d后基本穩(wěn)定。3.2掘進(jìn)參數(shù)控制對(duì)泥水盾構(gòu)施工影響東西線隧道相同里程位置,隧道埋深、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件等都基本相同,兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)也基本相同。而從圖5、圖6可見,東西線隧道地面沉降差異顯著。東線隧道監(jiān)測(cè)周期內(nèi)地表沉降在2~10mm,盾尾脫離約14d后地面趨于穩(wěn)定;而西線沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于東線,地面沉降在20~40mm之間,且在盾尾脫離約40d后才趨于穩(wěn)定。西線盾構(gòu)早于東線始發(fā)48d。該工程系泥水盾構(gòu)第一次在杭州軟土地層中掘進(jìn),缺少施工經(jīng)驗(yàn),只能通過不斷地摸索而尋求盾構(gòu)的最優(yōu)掘進(jìn)參數(shù)。東線盾構(gòu)開始掘進(jìn)時(shí),通過對(duì)西線盾構(gòu)掘進(jìn)期間參數(shù)控制及地面沉降監(jiān)測(cè)的總結(jié),對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。兩線盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制的不同是導(dǎo)致其地面沉降差異的主要原因?，F(xiàn)選取典型斷面D9進(jìn)行分析,討論掘進(jìn)參數(shù)對(duì)泥水盾構(gòu)施工引起地面沉降的影響。表2為盾構(gòu)穿越西線WD9、東線ED9斷面期間掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)。圖7為東西線D9斷面軸線地面沉降隨盾尾離開時(shí)間的變化。圖8和圖9分別為盾構(gòu)處于不同位置時(shí)WD9、ED9橫斷面地表沉降。圖中沉降曲線圖例,以圖8中“1d,17.132m”為例,表示盾尾離開WD9斷面1d,切口離開17.132m。結(jié)合東西線盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù),對(duì)比分析西線WD9與東線ED9地面沉降:西線隧道14、15環(huán)管片對(duì)應(yīng)為盾構(gòu)切口到達(dá)WD9斷面,20、21環(huán)管片對(duì)應(yīng)為盾尾脫離該監(jiān)測(cè)斷面。東線隧道15、16環(huán)管片對(duì)應(yīng)為盾構(gòu)切口到達(dá)ED9斷面,21、22環(huán)管片對(duì)應(yīng)為盾尾脫離。3.2.1分布的泥水壓力西線盾構(gòu)切口到達(dá)WD9時(shí),切口泥水壓力平均為225kPa,開挖面初始靜止水土壓力為210kPa,泥水壓力設(shè)定為在靜止水土壓力基礎(chǔ)上增加15kPa。盾構(gòu)穿越WD9期間泥水壓力平均值為249kPa,標(biāo)準(zhǔn)差為26.95kPa。東線盾構(gòu)切口到達(dá)ED9時(shí),泥水壓力平均為269kPa,開挖面初始靜止水土壓力為212kPa,泥水壓力設(shè)定比靜止水土壓力大57kPa。盾構(gòu)穿越ED9期間泥水壓力平均值為277kPa,標(biāo)準(zhǔn)差為18.90kPa?？梢?東線盾構(gòu)穿越ED9期間,泥水壓力設(shè)置要大于西線,且泥水壓力更穩(wěn)定。對(duì)比圖8和圖9可見,東線由于切口壓力設(shè)定較大,切口靠近時(shí)地面出現(xiàn)較大隆起,地面隆起變形抵消了部分地層損失,降低了其地面總沉降量。而切口泥水壓力引起的地面隆起變形較無規(guī)則,與地層損失沉降疊加,使得橫斷面沉降曲線偏離高斯曲線分布。西線隧道切口到達(dá)時(shí)地面沒有隆起,而地層損失沉降一般較規(guī)則,呈現(xiàn)隧道軸線位置沉降最大,并向兩側(cè)遞減的規(guī)律。因此,西線WD9橫斷面地面沉降比較符合高斯曲線分布。由此可見,切口泥水壓力設(shè)定為靜止水土壓力+15kPa時(shí),并不能有效地減少切口地層損失;而設(shè)定為靜止水土壓力+57kPa時(shí),會(huì)引起切口上方地面微隆,該隆起變形可以抵消部分地層損失,減少地面總沉降量;地層損失沉降比較規(guī)則,符合正態(tài)分布曲線形式,而隆起變形較無規(guī)則,切口壓力作用下地面出現(xiàn)較大隆起時(shí),會(huì)使橫斷面沉降曲線偏離正態(tài)分布形式;切口壓力應(yīng)穩(wěn)定,過大的波動(dòng)會(huì)加大地面沉降。3.2.2盾構(gòu)掘進(jìn)盾構(gòu)掘進(jìn)速度定義為單位時(shí)間內(nèi)盾構(gòu)行程。由圖4可見,穿越各監(jiān)測(cè)斷面期間,東線盾構(gòu)掘進(jìn)速度明顯大于西線。穿越D9斷面時(shí),西線盾構(gòu)速度為5.45m/d,東線為7.44m/d。在保證盾構(gòu)掘進(jìn)穩(wěn)定均勻的前提下,提高掘進(jìn)速度可以:(1)減少盾構(gòu)及后續(xù)拖車壓縮下臥土層引起的地面沉降;(2)減少盾構(gòu)施工擾動(dòng),進(jìn)而減少隧道周圍擾動(dòng)土層的固結(jié)沉降;(3)提高掘進(jìn)速度,可以縮短單環(huán)管片同步注漿時(shí)間,及時(shí)填充建筑空隙,可有效地抑制盾尾地層損失。3.2.3融資運(yùn)營成本控制盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)間定義為盾構(gòu)單環(huán)管片掘進(jìn)所需時(shí)間。盾構(gòu)推進(jìn)速度越快,單環(huán)掘進(jìn)時(shí)間越短。由于盾尾同步注漿與盾構(gòu)掘進(jìn)同步進(jìn)行,因此掘進(jìn)時(shí)間也等于單環(huán)管片同步注漿所需時(shí)間。由圖7可見,西線盾構(gòu)盾尾脫離D9時(shí),其盾尾沉降量和沉降速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于東線?？梢?東線盾尾同步注漿控制優(yōu)于西線,有效地抑制和減緩了盾尾沉降的發(fā)展。西線盾構(gòu)盾尾脫離監(jiān)測(cè)斷面時(shí)單環(huán)管片同步注漿時(shí)間平均為4.75h;東線大大縮短了同步注漿時(shí)間,僅為1.67h。西線盾構(gòu)穿越各監(jiān)測(cè)斷面期間,單環(huán)管片同步注漿量平均為22.5m3,填充率平均為178.71%;而東線單環(huán)注漿量平均為18.31m3,填充率平均為145.21%。由此可見,對(duì)于同步注漿沉降控制,單純?cè)黾幼{量,既不合理也不經(jīng)濟(jì)。提高推進(jìn)速度,即縮短單環(huán)管片同步注漿時(shí)間,及時(shí)填充盾尾脫離產(chǎn)生的建筑空隙,可以有效地抑制和減緩盾尾地層損失。由前面東線地面沉降分析還可知,適當(dāng)加大同步注漿壓力使地面出現(xiàn)微量隆起,亦可以抵消部分地層損失,減少地面總沉降量。單環(huán)管片掘進(jìn)時(shí)間控制在1.67h之內(nèi),注漿填充率在145.21%左右,可以較好地控制盾尾沉降。3.2.4降低刀盤轉(zhuǎn)速,降低掘削壓力西線盾構(gòu)穿越監(jiān)測(cè)斷面D9期間,刀盤扭矩平均為2316.13kN·m,刀盤轉(zhuǎn)速平均為1.07r/min;東線盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化,加大了刀盤轉(zhuǎn)速,降低了刀盤扭矩,穿越各監(jiān)測(cè)斷面時(shí),刀盤扭矩平均為2142.75kN·m,刀盤轉(zhuǎn)速平均為1.29r/min。在保證開挖面順利掘削的前提下,適當(dāng)降低刀盤扭矩,可以降低刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)周圍地層的擾動(dòng)和刀盤的磨損,并可減少盾構(gòu)的偏轉(zhuǎn),進(jìn)而降低盾殼與周圍土層的環(huán)向摩擦。而加大刀盤轉(zhuǎn)速,除可以提高盾構(gòu)推進(jìn)速度外,還能降低掘削下土塊的尺寸,避免盾構(gòu)在黏性土地層中掘進(jìn)泥漿管堵塞。西線掘進(jìn)穿越各監(jiān)測(cè)斷面期間,泥漿管曾多次因堵塞而爆裂。在這種情況下,切口泥水壓力先是迅速升高,隨即驟降,切口泥水壓力劇烈波動(dòng)。開挖面土體先是瞬間加載,而后瞬間卸荷,會(huì)引起開挖面失穩(wěn),產(chǎn)生較大的地層損失。東線盾構(gòu)穿越監(jiān)測(cè)斷面期間,通過加大刀盤轉(zhuǎn)速等措施,避免了泥漿管堵塞。3.2.5東南角較小由表2可見,東線盾構(gòu)穿越監(jiān)測(cè)斷面D9時(shí),盾構(gòu)坡度及轉(zhuǎn)角控制遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于西線,且姿態(tài)控制更穩(wěn)定。其中,東線盾構(gòu)轉(zhuǎn)角較小,和降低了刀盤扭矩有直接關(guān)系。良好的盾構(gòu)姿態(tài),可以減少土體超挖,減少盾殼與周圍地層的摩擦、擠壓,降低施工擾動(dòng),進(jìn)而降低地層損失和擾動(dòng)土體固結(jié)沉降。3.2.6降低施工擾動(dòng)盾構(gòu)各掘進(jìn)參數(shù)之間相互作用,各掘進(jìn)參數(shù)應(yīng)相互協(xié)調(diào),不僅降低地層損失,還應(yīng)減少施工擾動(dòng),降低擾動(dòng)土體長(zhǎng)期固結(jié)。圖7可見,穿越D9時(shí),東線隧道地面沉降,無論是盾尾沉降還是后期固結(jié)沉降,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于西線。可見,東線盾構(gòu)較好的掘進(jìn)參數(shù)控制,有效地減少了盾構(gòu)施工引起的地面沉降。3.3鉆井功能預(yù)測(cè)下面介紹工程實(shí)踐中常用的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)預(yù)估方法,及其與該工程實(shí)測(cè)值的對(duì)比。3.3.1擋土墻向土壓力泥水盾構(gòu)切口泥水壓力的設(shè)定,參照國內(nèi)外眾多施工經(jīng)驗(yàn),估算公式為:式中:Pu為切口泥水壓力上限值;Pw、Ps、Pa分別為地下水壓力、靜止側(cè)向土壓力、預(yù)壓,預(yù)壓是考慮地下水壓和土壓的設(shè)定誤差及送、排泥設(shè)備中的泥水壓變動(dòng)等因素,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的壓力,通常取值為20~30kPa。以D9斷面為例,西線計(jì)算所得Pw+Ps=210kPa,實(shí)測(cè)切口泥水壓力為225kPa,則Pa設(shè)置為15kPa,略低于Pa的經(jīng)驗(yàn)取值(20~30kPa);東線計(jì)算所得Pw+Ps=212kPa,實(shí)測(cè)切口泥水壓力為269kPa,則Pa設(shè)置為57kPa,大于其經(jīng)驗(yàn)取值。3.3.2刀盤體角度驗(yàn)算參照國內(nèi)學(xué)者的研究,泥水盾構(gòu)正常掘進(jìn)狀態(tài)下刀盤扭矩T計(jì)算如下:式中:T為正常掘進(jìn)狀態(tài)下刀盤扭矩;T1為刀盤正面與開挖面土層的摩擦扭矩;T2為刀盤側(cè)面與周圍土層的摩擦扭矩;T3為刀盤切入地層時(shí)地層的抗力扭矩;T4為密封決定的摩阻力扭矩;T5為軸承摩阻力決定的扭矩;T6為減速裝置摩擦損耗扭矩。文獻(xiàn)[14-17]指出,刀盤扭矩以T1+T2+T3為主,可占總扭矩的90%~99%,因此刀盤扭矩計(jì)算時(shí),可僅考慮T1、T2、T3。以D9斷面為例,對(duì)比刀盤扭矩的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值。WD9斷面土層剖面及盾構(gòu)位置如圖10所示。刀盤位于WD9斷面時(shí),刀盤扭矩計(jì)算如下:式中:ω為刀盤開口率,本工程為30%;u1為刀盤正面與開挖面土層摩擦系數(shù),取為0.05;R為刀盤半徑,為5.825m;K為側(cè)向土壓力系數(shù),取為靜止側(cè)向土壓力系數(shù)K0的1.1~1.3倍,本文取K=1.1K0平,K0平為刀盤處各土層K0按高度的加權(quán)平均,K0平=0.424;σ軸為刀盤中心位置豎向土壓力,按照?qǐng)D9所示土體分層情況計(jì)算得σ軸=411.464kPa;r平為刀盤范圍內(nèi)土層按高度的加權(quán)平均容重,計(jì)算為19.06kN/m3。計(jì)算得,T1=2780.384kN·m。(2)刀盤側(cè)面與周圍土層的摩擦扭矩T2式中:u2為刀盤側(cè)面與周圍土層的摩擦系數(shù),取為0.05;p為刀盤側(cè)面與周圍土層的接觸壓力;L為刀盤側(cè)面寬度,該工程中L=0.6m;σv、σh分別為刀盤側(cè)面θ位置的豎向土壓力和水平向土壓力。計(jì)算得,T2=2385.695kN·m。T3計(jì)算公式為:式中:qu為地層的單軸抗壓強(qiáng)度,一般采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,取為72.3kPa;v為盾構(gòu)掘進(jìn)速度,取為0.0205m/min;n為刀盤轉(zhuǎn)速,取為1.07r/min。計(jì)算得,T3=23.793kN·m。綜上所述,T≈T1+T2+T3=5189.872kN·m。刀盤位于WD9位置實(shí)測(cè)扭矩約為2380.5kN·m,遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值。究其原因,可能為理論計(jì)算值高估了刀盤與土層摩擦系數(shù)的取值。泥水盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),開挖面充滿壓力泥水,開挖面形成動(dòng)態(tài)滲透泥膜,刀盤掘削泥膜,而不與原狀土層直接接觸。泥膜與刀盤的摩擦系數(shù)較土層與刀盤的摩擦系數(shù)小,因此泥水盾構(gòu)計(jì)算刀盤扭矩時(shí)刀盤與周圍土層的摩擦系數(shù)應(yīng)適當(dāng)折減。反分析,該工程取u1=u2=0.023,WD9斷面位置刀盤扭矩理論值與計(jì)算值較為接近。同理,刀盤位于ED9位置,取u1=u2=0.023,理論計(jì)算扭矩為:T1=1298.476kN·m,T2=1110.459kN·m,T3=22.997kN·m,T=2431.932kN·m。實(shí)測(cè)刀盤扭矩約為2188.667kN·m,理論計(jì)算誤差約為11.11%。由式(5)可見,地層抗力扭矩與刀盤轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)。表2可見,東線盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速較西線提高,刀盤扭矩較西線降低。由此看來,提高刀盤轉(zhuǎn)速可降低刀盤扭矩。而刀盤轉(zhuǎn)速與地層條件、隧道埋深、盾構(gòu)設(shè)備狀況等有關(guān),一般由施工經(jīng)驗(yàn)確定最佳取值。3.3.3注漿量與填充率同步注漿量受土體滲透、超挖、小曲率半徑施工、漿液的種類等多種因素的影響,且各因素的影響程度尚不明確,因此對(duì)于注漿量難以給出合理的理論預(yù)測(cè),一般由施工經(jīng)驗(yàn)確定,并在施工中通過地面位移的監(jiān)測(cè)不斷優(yōu)化調(diào)整。目前國內(nèi)的施工經(jīng)驗(yàn),填充率一般在135%~215%之間。本工程西線盾構(gòu)注漿填充率約為178.71%,東線約為145.21%,在國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)取值范圍之內(nèi)。東線盾構(gòu)縮短了單環(huán)管片的注漿時(shí)間,雖然大大降低了注漿填充率,但盾尾沉降卻得到了更好的控制。3.3.4影響理論預(yù)測(cè)值的因素盾構(gòu)掘進(jìn)速度受地層條件、設(shè)備狀況、施工班組工藝水平等因素的影響較大,難以給出理論預(yù)測(cè)值。本工程盾構(gòu)掘進(jìn)速度一般為150~300m/月。3.3.5盾構(gòu)坡度變化盾構(gòu)坡度理論值應(yīng)為設(shè)計(jì)隧道坡度,實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),盾構(gòu)坡度總在隧道設(shè)計(jì)坡度左右波動(dòng),以使建成隧道曲率滿足設(shè)計(jì)。盾構(gòu)轉(zhuǎn)角理論控制應(yīng)為0,實(shí)際工程中通過調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)向調(diào)整盾構(gòu)轉(zhuǎn)角。3.4預(yù)測(cè)值的沉降3.4.1盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地面沉降的影響地層損失引起的橫向地面沉降的預(yù)估,工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的為Peck公式:式中:s(y)為水平距離隧道軸線y處地面沉降(m);smax為軸線位置地面沉降(m);y為至隧道軸線水平距離(m);H為隧道軸線埋深(m);K為地面沉降槽寬度參數(shù)(無量綱);Vl為地層損失率(無量綱)。使用Peck公式擬合東西兩線隧道橫斷面地面沉降,擬合結(jié)果統(tǒng)計(jì)于表3。擬合發(fā)現(xiàn),西線盾構(gòu)掘進(jìn)引起的監(jiān)測(cè)斷面沉降,除WD11斷面外,其余均可用Peck公式較好地?cái)M合;東線盾構(gòu)掘進(jìn)引起的監(jiān)測(cè)斷面沉降,僅ED8、ED9、ED12、ED18可用Peck公式擬合,且擬合效果較西線差。表3可見,盾尾脫離5d時(shí):(1)西線最大地面沉降smax取值7.5~20mm,平均為15.33mm;東線對(duì)應(yīng)smax取值6.57~10.23mm,平均為8.17mm。(2)西線K取值0.25~0.32,平均為0.28;東線K取值0.23~0.34,平均為0.28。(3)西線Vl取值0.10%~0.33%,平均為0.24%;東線K取值0.09%~0.20%,平均為0.13%。由此看來,盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化,對(duì)地層損失率影響較大,而對(duì)沉降槽寬度參數(shù)并未產(chǎn)生顯著影響。在使用Peck公式預(yù)測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地面沉降時(shí),必須考慮掘進(jìn)參數(shù)控制對(duì)Vl的影響。3.4.2監(jiān)測(cè)斷面模型本文在Fang提出的傳統(tǒng)雙曲線模型的基礎(chǔ)上,添加參數(shù)c,以考慮盾構(gòu)切口靠近時(shí)以及盾構(gòu)通過期間產(chǎn)生的地面位移,用修正后的雙曲線模型擬合該工程隧道軸線上方地面沉降隨時(shí)間變化曲線。修正后的雙曲線模型為:式中:S(t)為t時(shí)刻隧道軸線上方地面最大沉降量,沉降記為負(fù)值;t為盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面的時(shí)間,t=0時(shí),盾尾到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面;a為雙曲線常數(shù),表征盾尾脫離初期(t≤10d)地面沉降速度,a越大,盾尾脫離初期沉降速度越小;b為雙曲線常數(shù),決定地面最終沉降量大小,b越小,最終沉降量越大;c為雙曲線常數(shù),盾構(gòu)切口到達(dá)前以及盾構(gòu)通過期間產(chǎn)生的地面位移。圖13~圖15為D7、D8、D9