地铁隧道浅埋暗挖法盾构法施工沉降分析
2011-05-25 18:16
地铁隧道浅埋暗挖法和盾构法施工沉降分析
【摘 要】对地铁隧道开挖通常采用的浅埋暗挖法和盾构法的沉降特性和原因进行了研究,并结合工程实例对两种方法产生的地表位移进行了分析,为开挖地铁隧道采用何种方法提供了有益的参考。
【关键词】地铁,浅埋暗挖法,盾构法,地表沉降
近些年来,国内很多大型城市都开始兴建或改扩建地下铁路系统。与此同时,涌现出大量相关方面地下工程技术问题急需解决。尤其是城市地下工程施工引起的地表沉降可能危及周边建(构)筑物和地下管线等的安全,造成严重的经济损失和社会影响。对于城市地铁,施工区间隧道一般都会穿越城市中心地带,因建筑物密集、施工场地狭小、地质情况复杂、地下管网密布、交通繁忙、施工条件受到限制等,而对环境的控制要求更为严格。因此,预测可能发生的地表变形,对工程的顺利实施极为重要。
本文通过对国内某些地铁工程采用不同的施工方法引起的地表沉降进行分析,总结不同施工方法的沉降特性和沉降原因,为地铁隧道开挖采用何种适合的施工方法提供一定参考
1、城市地下工程的主要施工方法
根据地质条件、周边环境条件、机械设备配备等情况,城市地下铁道工程施工方法一般可分为两大类:明挖法、暗挖法[1],具体分类见图1。
2、地表沉降主要原因
2.1 浅埋暗挖法(矿山法)
1)开挖时因土体应力释放产生的位移;2)支护结构封闭成环前,上方土体和支护结构的整体下沉;3)中隔墙拆除引起的支护变形;4)施工中因地层失水引起的土体固结[2]。
2.2 盾构法
盾构施工时,地表沉降与施工条件和地质特性密切相关,且原因很多,归纳起来主要有以下几方面。根据国内外部分经验,将沉降原因、机理分类整理见表1[3]。
3、地表沉降的特性
3.1 浅埋暗挖法施工引起地表沉降的特性
地铁工程的浅埋暗挖隧道,特别是处于松散地层的浅埋隧道,在施工过程中容易发生地层沉降,并且沉降量一般均较大,地层沉降变形具有如下特点:1)地表沉降值大于拱顶沉降值。2)开挖引起的地表沉降范围最大。3)开挖引起地层变形的时间较早。4)沉降趋于稳定的时间较长。
3.2 盾构法施工引起地表沉降的特性
在软土层中采用盾构施工时,隧道横向所产生的地表变形范围受隧道的埋深和其所处的地质土层状况影响较大,基本上接近土的破坏棱体范围,大致近似于Peck提出的沉陷槽形状,即概率论中的正态分布曲线,公式为:
其中,δ(x)为距中心横向距离为x处的沉降量; Vs为沉降槽体积,也称地层损失量(推进每米);x为距隧道中心线的距离;i为曲线反弯点的横坐标,也称沉降槽宽度系数。
同时隧道纵向所产生的地表变形可分为五个阶段,即初期沉降、开挖面沉降(或隆起)、尾部沉降、盾尾空隙沉降、长期延续沉降:
1)初期沉降。距开挖面还有几十米(通常为大于2.5D,D为隧道直径)的地面观测点,从开挖面到达该点之前所产生的沉降,是随盾构机掘进造成的地下水流动和水位降低产生的。
2)开挖面沉降。自开挖面约几米(0D~2.5D)时起直至开挖面到达观测点正下方之间所产生的沉降或隆起现象,多由于土体的应力释放或盾构开挖面的反向土压力、盾构机周围的摩擦力等的作用而产生的地基塑性变形。
3)尾部沉降。从开挖面到达观测点的正下方之后直到盾尾通过该观测点为止这一期间所产生的沉降,主要是盾构扰动土体所致。
4)盾尾空隙沉降。盾构机的尾部通过观测点的正下方之后所产生的沉降,是盾尾空隙的土体应力释放所引起的弹塑性变形。
5)长期延续沉降。由于施工过程中对周围土体的扰动,土中孔隙水压力上升,随着孔隙压力的消散,地层会发生主固结沉降;在孔隙水压力趋于稳定后,土体骨架仍会蠕变,即次固结沉降。
4、浅埋暗挖法与盾构法修建地铁工程时的施工技术比较
广州地铁一号线区间地层为全风化、强风化、中级风化,地下水位较高,有5个区间采用浅埋暗挖法施工,有6个区间采用了盾构法施工,从总体效果看,两种工法都是成功的,浅埋暗挖工法月平均进度指标50 m~80 m之间,各单线延长米造价一般为4万元左右,在含水砂层地段则为5万元左右,施工是安全的,未出现坍塌事故,地表沉降量一般情况下可控制在30 mm以内,但个别地段也出现了30 mm~50 mm的情况。采用盾构法施工的区间月平均进度则达到了150 m,硬岩地段可达180 m~200 m,一号线由于是国际招标,每延米造价相对较高,为7万元/延米~8万元/延米,而二号线国内招标造价则为4.5万元/延米。地面沉降量较小,全部控制在30 mm以内。
两种工法的施工技术比较见表2。从以上比较可以得出结论:盾构法施工较浅埋暗挖法施工其施工速度较快,施工安全度更高,防水效果好,地面沉降更容易控制,但目前来说一般造价还比较高。
5、结语
通过一系列的比较可见,浅埋暗挖法较盾构法具有对地层较强的适应性和高度灵活性,但缺点主要是施工引起的地表沉降较大,甚至危及周边建(构)筑物的安全。但盾构法施工成本较高,对地层条件适应性较差,特别是软弱地层,会引起较大地表沉降。
参考文献:
[1] 刘招伟,赵运臣.市地下工程施工监测与信息反馈技术[M].北京:科学技术出版社,2006.
[2] 王毅才.隧道工程[M].北京:人民交通出版社,1993.
[3] 吴张中,李丽平,陈少华.地铁隧道盾构施工地表沉降的预测分析[J].路基工程,2007(8):19-20.
[4] 周文波.盾构法隧道施工技术与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.
[5] 胡达远.隧道工程浅埋暗挖法的施工技术[J].山西建筑,2008,34(18):331-332.
