深圳地铁盾构隧道邻近桩基施工沉降分析
2010-06-01 22:10
深圳地铁盾构隧道邻近桩基施工沉降分析
摘 要 针对深圳地铁新建隧道邻近桩基施工,进行了实测数据分析。结果表明:土仓压力与推进速度是引起刀盘前方地层隆起的主要因素。在盾构通过以及管片脱离盾尾时,地层存在着明显的下沉阶段,通过同步注浆可以控制地面的进一步下沉。而盾构下穿桥墩过程中对桩基的影响不如土体明显,与土体相比,在盾构通过桩基后没有明显的下沉现象,由于地质条件的差异及盾构掘进参数的变化,桩基纵向沉降曲线表现为无规则变化。
关键词 地铁 盾构隧道 邻近桩基 土仓压力 同步注浆 沉降
0 前言
在城市地铁建设中,盾构法施工技术以其施工速度快、机械化程度高、对周围环境影响小等优势近年来得到越来越广泛的应用。但是由于地质条件和施工工艺的限制,盾构推进过程对周围土体的扰动仍是不可避免的[1]。采用盾构法修建隧道时,由于隧道周围地层应力状态的不断变化,使得地层损失必然发生,周围建筑、桩基、地下管线会发生位移,进而可能产生破坏,因此如何把对周边环境的影响减少到最低限度,是地下结构物在近距离条件下施工的核心问题,不容忽视[2]。本文基于深圳地铁五号线洪-兴区间盾构邻近桩基施工,对地面与桩基沉降做初步分析。
1 工程概况
本区段为隧道右线,盾构由大里程向小里程方向掘进,下穿广深高速立交桥范围为DK7+164m~DK7+134 m。广深高速立交桥位于创业二路与广深高速公路交叉处,该桥为双墩三跨桥,中跨16 m,两边跨16.02 m,桥墩采用6根Φ1200钻孔灌注桩基础,纵向桩间距6 m,单桩承受荷载1000 kN左右,桥下路面高程10.215,桥台下桩基底高程为-16.247 m,桥墩下桩基底高程为-10.247 m。
盾构线路基本沿道路中线下穿广深立交桥,隧道埋深8.5m,沿盾构推进方向,隧道左侧外轮廓距离桩边缘约5.3m,隧道右侧外轮廓距离桩边缘约4.4m。
2 地质条件
根据洪-兴区间岩土工程勘察报告描述,本区段范围内上层覆约2 m素填土,向下依次为上覆第四系全新统人工堆积层Qml4(由素填土、粉质黏土组成),冲洪积层Qal+pl4(由粉质粘土、砾砂组成)、下伏燕山期花岗岩γ35(由全风化和中风化花岗岩组成)。根据详勘揭露,盾构隧道穿越广深立交桥地段时右线隧道上断面一小部分断面穿过砾质粘性土体,其余断面穿过全风化花岗岩土体。地层分布情况如图1。
3 盾构施工
区间采用土压平衡式盾构机,盾构直径6.25 m,盾构长度7.6 m,正面开口率约30%。为保证盾构安全通过桥下桩基,在盾构机头距离钻孔桩10m即DK7+174 m时暂停掘进,进行刀盘检查与刀具更换并对已拼装的部分管片二次注浆。盾构机停歇近3天,期间对桥下及桥墩的监测显示基本无变化。根据广深立交桥下的地质、水文及隧道埋深情况,土压力及盾构施工参数理论计算值如表1。
其中土仓压力取60%围岩竖向压力,各值根据盾构实际推进情况,实时调整。注浆压力为大致超出土压力0.1~0.2 MPa[3],为保证立交桥的安全,初始土仓压力设为107 kPa左右。
施工过程中采取同步注浆技术,通过同步注浆系统及盾尾的注浆管,在盾构向前推进,盾尾脱离空隙形成的同时,进行注浆工作,使浆液在盾尾空隙形成的瞬间及时填充,从而使周围岩体及时得到支撑,有效防止岩体的坍塌,控制地表的沉降。盾构推进时间与里程如表2。
以上各里程均为上午10时左右记录,盾构掘进方向为大里程向小里程方向掘进。
4 现场监测
(1)监测内容:地面沉降监测;桩基沉降监测。
(2)测试仪器:DSZ2水准仪;XFS1平板测微器。
(3)测点布置:原则上在盾构推进轴线上每5 m布置一组地面沉降观测点,但广深立交桥下车流量很大,监测很难实施。采取每隔15m布置一组测点,即DK7+164 m, DK7+149 m, DK7+134 m处。并在盾构左右两侧桩身上布置测点,对两侧共12根钻孔灌注桩的沉降实时监测,监测频率为每3小时监测1次。左侧桩身测点编号为L1~L6,右侧桩身测点编号为R1~R6。测点布置如图2。
5 监测分析
本监测数据为盾构停歇3天后,自DK7+134 m处重新掘进时产生的数据,前期隆沉变化因盾构停歇时间相对较长,且变化值趋于稳定,未计入累计沉降。
5·1 地面横向沉降分析
由图3可以看出,盾构掘进至第二天,前方30 m内地层均有较大隆起。这主要是因为初始阶段采取较为保守的掘进方式,为控制桥墩沉降,初始土仓压力偏大。根据监测结果,及时调整土仓压力,由原来的107 kPa降至100 kPa左右,并降低掘进速度,从而使地层隆起得到有效控制。
对于第一组监测点,盾构掘进第三日,盾构机掘进至DK7158m附近,远离第一组点6 m,隧道中线两侧12 m范围内较前一日有较大沉降,最大沉降2.09 mm。第五日盾构机掘进至DK7143m附近,远离第一组点24 m,虽然同步注浆已经完成,但沉降量仍不断扩大,即采取壁后二次注浆,第五日监测显示地层略有上隆,说明二次注浆有效地控制了地层沉降。此后第一组监测点趋于稳定。
第四日盾构到达第二组监测点,即DK7 +149 m处,第五日盾构掘进至DK7143附近,驶离第二组点9 m,与前一日相比第二组点均有较大沉降。
对于第三组监测点,第六日盾构掘进至DK7128 m,监测时盾构远离第三组点5.5 m,并继续向前推进,由于后期盾构推进速度加快,此时地表变化尚不明显。至第七日,盾构掘进至DK7113 m,此时与前一日相比第三组点有较大沉降。
通过以上图表可以明显看出,各组监测点在盾构通过和管片脱离盾尾时地层存在着明显的下沉阶段。在管片脱离盾尾之后的同步注浆阶段地表又出现沉降量减小的趋势,说明注浆控制了地面的进一步下沉。
而盾构机通过后的3天内,地层变化均较大,因此,在盾构通过后的3天内应提高监测频率,根据监测结果采取二次注浆等措施,控制地层的继续变化。
5.2 地面纵向沉降分析
由图4可见,因推进初期土仓压力过大,前4日隧道纵向沉降整体表现出隆起状态,其中盾构前方15 m左右地层隆起量最大,达到10.325 mm。但随着土仓压力的调整,盾构不断推进,隆起地层逐渐回落。这主要是土体的初始应力状态发生了变化,原状土经历了挤压、剪切、扭曲等复杂的应力路径,盾构前方土体受施工扰动,产生土体附加应力及超孔隙水压力,覆土层也会出现一些附加的间隙或裂缝,密实度降低,从而使盾构前方土体隆起。盾构离开该区后,附加应力逐渐减小,超孔隙水压下降,孔隙水消散,土体产生固结沉降,逐渐恢复到原始应力状态[4]。
5.3 桥墩纵向沉降分析
隧道顶部距地面约8.5 m,底部距桩基底部约5.5 m,因此隧道处在桩基中部偏下位置。从图5桩基纵向沉降变化曲线可以看出,盾构在推进过程中,对桩体的影响不如土体那么明显,桩体沉降值波动较小。与土体相比,在盾构通过和管片脱离盾尾时桩基础没有明显的下沉现象,纵向沉降曲线处于动态变化中。由于左右两侧桩基距盾构外侧的距离不同,两侧沉降曲线变化也不具严格的一致性。
6 结论
(1)本次试验是在深圳特定地质条件下采用土压平衡盾构法取得的数据,分析结果对该地区盾构施工有一定的参考意义。
(2)土仓压力与推进速度是引起刀盘前方地层隆起的主要因素。本区段为保证桥墩安全,掘进初期土仓压力偏大,导致前期地层整体隆起较大,经调整土仓压力与推进速度后,地层隆起得到有效控制。随着盾构机的通过,土体的固结,沉降值回落至很小。因此,从控制地面沉降来看,此种掘进方式可以达到理想效果。
(3)在盾构通过和管片脱离盾尾时地层存在着明显的下沉阶段。管片脱离盾尾后的同步注浆可以控制地面的进一步下沉。盾构机通过后的3天内,地层变化较大,应密切观测地层变化,如需要应进行二次注浆。
(4)盾构下穿桥墩过程中对桩基的影响不如土体明显,与土体相比,在盾构通过和管片脱离盾尾时桩基础没有明显的下沉现象,由于地质条件的差异及盾构掘进参数的变化,桩基纵向沉降曲线也表现为无规则变化。
参考文献
[1]赵保建,姜忻良,王 涛.盾构法地铁施工地表变形分析及数值模拟[J].现代隧道技术, 2007, 44(2): 43~47.
[2]张志强,何 川.深圳地铁隧道邻接桩基施工力学行为研究[J].岩土工程学报, 2003, 25(2): 204~207.
[3]张凤祥,傅德明,杨国祥,等.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社, 2005.
[4]张书丰.地铁盾构隧道施工期地表沉降监测研究[D]. (硕士学位论文).南京:河海大学, 2004.
