上海地铁7号线盾构超越施工技术
2010-12-17 18:59
上海地铁7号线盾构超越施工技术
【摘 要】以上海地铁7号线锦秋路~上海大学区间盾构推进工程为背景,针对先掘进盾构被后掘进盾构超越的特殊情况,详细介绍盾构超越施工技术在特殊条件下的应用,对超越期间典型监测断面地面沉降数据进行分析,并探讨施工中盾构高程变化趋势,明确了超越施工对土体变形的具体影响,得到地层的变形规律,并通过数值方法进行相应的计算分析,进一步得到超越施工对相邻盾构和隧道的影响程度。
【关键词】地铁;盾构隧道;超越施工;沉降曲线;水平偏差
盾构隧道施工时,如何控制地表变形、减小相互影响已经成为目前盾构隧道工程中的主要问题之一,针对这一问题,国内外学者进行了大量的研究。王启耀等[1]从理论上分析了挤压盾构施工扰动的机理和影响因素;蒋洪胜等[2]研究了盾构法隧道穿越地下污水管道时盾构推进与地层移动的相关性;曾小清等[3]对双线并行盾构隧道的相互影响进行了数值模拟;邵华等[4]对盾构近距离穿越对已运营隧道的扰动进行了分析。但在盾构隧道超越施工中有许多问题仍有待优化、完善和改进。本文针对上海地铁7号线锦秋路~上海大学区间隧道超越施工的特殊情况,主要研究超越施工引起隧道周围土体的沉降变形规律,通过介绍施工措施、统计分析现场地表沉降监测结果、施工期间盾构姿态变化以及有限元数值模拟分析,得出盾构隧道对近距离超越施工的影响规律。
1、工程概况
上海地铁7号线锦秋路~上海大学区间隧道工程是整条轨道交通线的一个重要组成部分(见图1),隧道底部埋深-12·291~-19·815m,盾构推进主要穿越土层的性质描述如下:②3-1砂质粉土夹粉质粘土 巨厚状,厚5·90~9·60m;②3-2砂质粉土 砂质较纯,厚1·30~8·70m;④淤泥质粘土 为高灵敏、高压缩性软弱土,土质极差,厚2·00~9·00m;⑤1-1灰色粘土 为高灵敏、高压缩性软弱土,土质较差,厚1·50~4·50m;⑤1-2灰色粉质粘土 厚3·60~17·40m,该层一般厚度约5m,仅在古河道切割处呈巨厚状;⑤2灰色粘质粉土夹粉质粘土 层顶标高-32·12m。
由于下行线盾构出洞后设备故障多,进度慢,出洞后的近一个月推进不到10环,而上行线盾构已经具备出洞条件,为加快区间隧道盾构的推进速度,在下行线盾构车架转换期间,上行线盾构从另一侧超越下行线盾构。具体超越施工情况如图1所示。
2、盾构超越施工
1)前期试掘进 为确保后掘进盾构顺利超越先掘进盾构,计划将后掘进盾构出洞口加固区作为超越的试掘进段。通过在此区间内试推进,摸索盾构推进参数和地面沉降变形规律以及对下行线先掘进隧道的影响,并及时对试掘进段地层变形规律及其各种因素进行总结分析,摸索优化匹配的超越施工参数。
2)盾构超越施工措施 为将超越施工的不利影响控制在最小范围内,施工中不仅要求将上行线后掘进隧道的沉降值控制在相关的标准范围内,而且要保护下行线先掘进盾构,因此必须采取有效措施,主要包括严格控制盾构正面平衡压力、推进速度、纠偏量、同步注浆量和浆液质量。
3)超越后施工措施 待盾构超越后,必须对被超越隧道继续进行跟踪监测直至其变形趋于稳定。同时根据监测报表在隧道内对该区域进行壁后二次注浆,若发现被超越隧道的后期沉降和水平偏移仍不能得到很好的控制,则考虑采取地面加固预案。
3、地面沉降监测数据分析
穿越过程中典型断面上地面沉降变化监测结果如图2所示。
1)下行线监测断面XZ3左、右两边的沉降(见图2a)变化明显不一致,右侧受到上行线施工的影响,沉降变化很大,最外侧靠近上行线的测点沉降值超过了隧道中心,右侧土体出现向上行线位移的趋势,沉降曲线形态呈非正态分布。在隧道掘进速度放慢甚至停止之后,土体经过一段时间的沉降,变形趋于稳定。8月29日,下行线车架转换结束开始准备继续推进,此时上行线已掘进到42环,逐步远离下行线开挖面,对开挖面的影响也逐渐减弱。
2)上行线推进到50环时,下行线才推进到17环,受上行线的影响,断面XZ5上各点的沉降值(见图2b)明显大于断面XZ3,特别是在隧道中心右侧,8月29日(d=5m)以前,下行线盾构推进速度大幅放慢,上行线超越导致右侧土体产生了一定的附加沉降,右侧沉降量大于隧道中心处沉降量;当上行线远离,下行线恢复正常推进之后,下行线隧道右侧土体沉降速度明显降低,中心处的沉降速度相对增大,沉降量也随之超过右侧土体。
3)监测断面XZ6整体沉降变形(见图2c)进一步加剧,8月29日以前,隧道右侧测点的沉降大于中心沉降。8月29日以后,右侧测点的沉降与中心沉降接近同一水平,由于上、下行线通过该处的时间间隔较长，上行线通过该断面时对地层扰动的影响已经完全发挥,下行线通过该断面之前地面已经产生了明显的沉降变形,可见上行线对下行线沉降的影响已经波及到下行线左侧,使得左侧土体的沉降量比前两个断面明显增大。
4)受到下行线的影响,上行线监测断面SZ3的沉降槽(见图2d)中心向下行线方向偏移,说明上行线中心土体发生了向下行线方向的水平偏移,沉降的异常变化主要集中在隧道左侧,与下行线的沉降变化有了很好的对应。8月23日前后盾尾到达该断面,整体沉降突然增大,最大沉降发生在隧道中心左侧1m,表明隧道沉降控制的关键在管片脱出盾尾时。由于土体受到反复的挤压、卸荷作用,沉降量明显大于下行线处相应断面。
5)上、下行线都在第17环位置时,下行线暂时停止推进,而上行线实施超越施工,受到较长时间停止推进的影响,下行线盾构对正面土体的支撑力不足,再加上盾尾沉降的影响波及到开挖面,致使上行线监测断面SZ5(见图2e)在开挖面到达前就已经出现了明显的沉降,最大值将近30mm,在盾构到达和通过的过程中沉降变形进一步加剧,当盾构开挖面离开监测断面一段距离以后,沉降变形趋于稳定。
6)与前两个断面相比,断面SZ6(见图2f)地面沉降量整体上出现增大趋势,特别是在隧道右侧,沉降量明显增大,而且沉降槽的中心向左偏离隧道,主要是下行线盾构停止推进后正面压力没有及时跟上,及盾尾空隙等的影响导致周围土体向盾构方向位移。当盾尾通过时,断面处沉降量急剧增大。此后,通过及时的同步注浆与二次补压浆,沉降速率明显减小并趋于稳定。
通过以上各个监测断面的变形分析,可以得出以下结论:①由于相邻隧道施工间隔时间短,相互影响明显,不管是上行线还是下行线,当开挖面土体已经受到相邻隧道施工扰动后,总体沉降变形明显增大;②由于隧道掘进的交叉施工,相互之间的扰动影响较大,沉降影响相对集中的区域位于两隧道中间,监测断面的沉降曲线都向相邻隧道倾斜,上、下行线的沉降曲线左右对应;③当盾尾经过时,断面的沉降速度明显增大,之后经过及时盾尾注浆与二次补压浆,沉降速率明显减小并趋于稳定,表明沉降控制的关键在盾尾经过时[5]。
4、盾构姿态分析
超越施工中盾构高程变化如图3所示。由图3可知,下行线在17环(超越处)以前,高程偏差控制在-10~15mm,但上行线超越后,前方土体已经受到扰动,强度已经下降,盾构推进至21环时高程严重偏离设计轴线,达到-65mm,之后虽然进行了积极的调整,但是高程仍明显低于设计轴线,直到将近60环左右,上行线超越施工的影响逐步减弱,高程的变化才比较理想;与下行线变化不同,上行线盾构刚出加固区,高程就出现了明显的下沉,这与下行线盾构在上行线超越之后的高程变化趋势一致,说明先掘进盾构对后掘进盾构有明显的扰动影响,而当上行线超越后逐步远离下行线时,高程逐步恢复,变化控制在-20~20mm, 达到了相应的控制标准。
由超越施工中盾构高程的变化规律可见,盾构高程的变化趋势与地表沉降变形规律相似,超越施工对周围地层扰动的影响与现场观测到的地表沉降变形趋势一致,两者的结论吻合,说明本文得到的地层变形规律是正确的。
5、FLAC3D计算分析
借助专业岩土工程有限元软件FLAC3D,对超越施工进行模拟计算。
5·1 水平位移变化分析
下行线隧道拱顶处水平位移计算结果如图4所示。由图4可知,下行线隧道开挖导致其拱顶处地表的水平位移出现略微的波动,波动范围在1mm左右,但是当上行线隧道施工超越时,下行线隧道拱顶处地表水平向位移出现了向上行线的明显偏移,偏移量近10mm。可见,上行线的超越施工致使下行线土体出现了向上行线位移的趋势。
隧道拱顶连线中点水平位移计算结果如图5所示。由图5可见,下行线开挖导致两隧道拱顶连线中点处的水平位移向下行线方向位移,最大偏移量近10mm,当上行线施工超越时,拱顶连线中点处的水平位移虽然出现了明显的波动,但是变化的范围极小。
5·2 竖向位移等值线分析
竖向位移等值线如图6所示。由图6可见,竖向位移变化主要集中在隧道拱底以上区域,位移变化以沉降为主,两隧道中间区域的位移变化量最大,达到6·2cm,说明掘进过程中该区域由于受到反复的挤压作用,导致变形加剧,沉降量远大于隧道外侧土体,而且沉降曲线左右对称,与现场监测数据推出的结论相同。另外,隧道底部竖向位移变化为正,出现了位移反弹现象,主要是由于土体开挖引起卸荷作用而导致的。
通过数值模拟计算可以明显看到盾构超越施工的影响,尽管数据大小与现场观测到的有些差别,但是其在反映地层的变化规律方面是正确的,可以充分用来指导施工设计。
6、结语
通过对施工期间地面沉降、盾构姿态变化以及有限元模拟计算的综合分析,可了解盾构超越施工对周围地层的扰动情况,明确超越施工对隧道造成的不利影响,可得结论如下。
1)由于上、下行线施工间隔时间短,从上、下行线监测断面的沉降曲线与有限元计算结果可以看出,两条隧道中间部位土体受到反复的挤压与卸荷作用,产生的沉降量远大于隧道外侧土体,而且沉降曲线左右对称,使得沉降曲线总体上呈W形。
2)无论是上行线还是下行线,监测断面脱出盾尾时都出现明显的突沉,之后经过及时注浆,下沉趋势得到了较好控制,但是盾尾土层的突沉问题并没有得到根本解决,说明盾尾同步注浆效果不佳,没有起到及时充填盾尾间隙的作用。
3)超越施工时,由于对下行线的不均匀沉降和水平偏移事先有充足的思想准备,措施到位,控制效果理想,反而是上行线在超越过程中出现了不曾预料到的水平偏移,主要原因是下行线开挖对周围土体产生扰动,导致土体应力释放,上行线靠近下行线侧土体强度和刚度降低,超越施工中没有考虑到这个变化,未能及时调整土压力的设定值,最终引起上行线向下行线方向的水平位移。
4)上行线盾构高程受到已掘进下行线的明显影响,刚脱离加固区就出现明显下沉,在超越点附近达到最低点,超越并逐步远离下行线后高程得到了较好的控制;下行线盾构被超越后再掘进时,高程也严重偏离设计轴线,出现明显下沉,当上行线盾构逐步远离,影响逐步减弱后高程才得到有效控制。可见,盾构高程变化对地层的影响规律与现场观测到的地表沉降变形趋势是一致的。
参考文献:
[1] 王启耀,郑永来,杨林德,等.挤压式盾构施工对邻近隧道的影响分析[J].勘察科学技术,2003,(5):7-10.
[2] 蒋洪胜,侯学渊.盾构掘进对隧道周围土层扰动的理论与实测分析[J].岩石力学与工程学报, 2003, 22(9):1514-1520.
[3] 曾小清,张庆贺,曹志远.地铁工程双线盾构平行推进的相互作用[J].同济大学学报(自然科学版),1997,25 (4): 386-389.
[4] 邵华,张子新.盾构近距离穿越施工对已运营隧道的扰动影响分析[J].岩土力学,2004,11(25):545-549.
[5] 张凤祥,朱合华,傅德明.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社,2004.
