某地区地铁盾构施工地表沉降规律分析
2011-06-24 17:59
某地区地铁盾构施工地表沉降规律分析
【摘 要】 通过对武汉地区某一地铁线盾构掘进施工过程中监测数据统计,根据Peck理论,得到汉口地区盾构施工引起纵横断面地表沉降的特点:纵向上,盾构机切口前30m以内和后50m以内为影响区域,其中又以切口后50m为显著影响区,盾构对某断面上影响范围在沿盾构中心轴线10~18m;盾构掘进引起的地表沉降数据累计变化控制指标宜为-40mm,盾构机切口通过监测断面6~20m范围内单次平均变化速率控制值宜为-15mm /d。
【关键词】 地铁;盾构施工;地表沉降; Peck公式
武汉汉口地区工程地质、水文地质非常复杂,既有深厚软土,又有粉土、粉砂、互层及承压水的影响。在此种地质条件下进行地铁盾构施工,对变形控制有更加严格的要求,文中根据实测数据,对武汉地区盾构施工引起地表沉降变化情况进行初步的分析,以期得到适用于武汉特殊地质情况下盾构施工对地表扰动的沉降控制标准。
1、区间隧道基本情况
1.1 工程概况
武汉地铁二号线一期工程某区间位于汉口,线路周边各种建筑物密集、地下管线密布,场地地貌为长江北岸冲积I级阶地。盾构起讫里程为:CK4右+743·906~CK5右+758·399,右线长1014·493m,左线长1017·576m,总长2032·069m。
区间设一个联络通道,与泵房合建,里程为:CK5(右)+220·000;设有两个平面曲线,最小曲线半径700m,线间距12~15m。线路最大纵坡坡度14‰,最小坡度2‰,区间结构覆土厚度平均约11m左右。
该区间隧道为外径6m,内径5·4m,管片拼装衬砌的单洞圆形隧道,管片环宽1·5m,管片混凝土标号为C50、S12。
1.2 区间的地质情况
盾构隧道掘进的地层主要在(3-4)层和(3-5)层。(3-4)层粉质粘土夹粉土、粉砂,为褐灰~深灰色,软~流塑,高压缩性,夹少许有机质土,层厚1·2~17·6m; (3-5)层粉质黏土、粉土、粉砂夹层,为褐灰色,中压缩性,以粉质粘土、粉土为主,粉质粘土呈软塑状态,粉砂呈松散状态。
2、地表沉降监测布点和量测方法
2.1 沉降监测布点
隧道纵向上沿中心轴线每隔20m布设一个监测断面;横向上,每个断面沿轴线中心点向两边每隔3m布设一个监测点,共布设5个测点。为减小路面结构对观测效果的影响,所有沉降点均埋设于原状土层内,由套管保护至地面。监测点埋深约1·5m左右,到原状土为止。
2.2 沉降量测方法
布设于中心轴线横断面上的观测点用于了解盾构施工对地面的影响范围,确定横向沉降槽曲线。现场每天跟踪监测的范围是盾构机前30m,后50m。以及时了解盾构施工引起的地表即时沉降,调整盾构掘进参数;同时也为了了解土体固结引起的地层损失以及后期的沉降趋势。地表沉降监测采用仪器为AT-G2精密水准仪,测量精度为0·03mm。
3、地表沉降监测点的数据变化情况
3.1 单个测点的变化趋势
3.1.1 纵向影响范围
分析各个监测断面处的地表沉降过程,如图1~3所示,典型断面的监测数据如表1所示。
经分析,盾构施工引发地表沉降过程可以大致做如下阶段的划分:
(1) 盾构机到达前较远处。当盾构机距离观测断面20~30m开外时,因盾构施工的对土层的轻微扰动、路面车辆活荷载碾压以及地下水位降低引起土体的固结沉降。
(2) 盾构机到达前较近处。当盾构机距离观测断面20~30m内时,因盾构机推力对土体扰动影响的进一步加大、地下水位变化、开挖面塌落、施工参数(如土压、推力等)变化等多方面因素影响,地表产生轻微沉降或隆起。
(3) 盾构机掘进阶段。盾构机切口通过直到盾尾经过观测断面的0~50m内时,因盾构机主体脱出,浆液未及时充填、同步注浆量不足、施工中土体应力状态变化较大等多种因素引起地层损失,这是盾构施工过程中产生地表沉降最主要的组成部分。
(4) 固结沉降阶段。由于盾构推进中的挤压作用和盾尾压浆作用等因素,土体骨架还会发生持续较长的压缩变形。在此土体蠕变过程中产生的地面沉降为固结沉降。
距监测数据统计,在汉口地区这类地质情况下,各阶段产生的地表沉降量所占的比重分别为:盾构机到达前较远处,地表产生的沉降仅占总沉降量的0·5% ~2%;盾构机到达前较近处,这类沉降占总沉降量的5% ~10%;盾构机掘进阶段,地表沉降占总沉降量的80% ~90%;后续固结沉降阶段,沉降占总沉降量的1% ~5%。
3.1.2 横向影响范围
通过研究该区间隧道现场实测的监测数据,并根据Peck公式对典型断面进行曲线拟合(如图4、5、6)。假设断面监测点日变化量小于1mm时可以认为盾构对此点以外的影响忽略不计,通过对众多断面监测值统计分析,沿盾构中心轴线两侧,盾构机对横断面的影响范围为10~18m之内。
3.2 各断面监测点单次日变化量(变化速率)与该断面到盾构切口距离的关系
选取各监测断面变化速率最大测点-盾构轴线中心点处监测点,根据该点和盾构机切口距离该点的距离绘制散点图(如图7),可以看出,单次日变化量(变化速率)最大的点集中在距离盾构机刀盘切口处6~20m范围内。图中有两个异常点,A点是因为注浆系统出现问题,盾构施工后注浆未及时跟进,引起过大沉降, B点是A点异常发生次日的延续。同时,根据监测数据,盾构机切口通过监测断面6~20m范围内得到各监测点单日变化速率平均值为(仅计算中心轴线上监测点)-16·279mm /d。
通过对最大沉降统计,绘制下图8。
通过图8,可以看出,最大沉降量一般在-40~10mm范围以内,超过此范围的均为数据异常点。据此可以确定最大沉降控制值, +10~-40mm。
4、结语
(1) 盾构机切口前30m以外和后50m以外的区域为基本无影响区域,地表沉降基本可以忽略;盾构机切口前30m以内和后50m以内为影响区域,其中又以切口后50m为显著影响区,盾构通过该区域产生的沉降占总沉降量的80% ~90%。
(2) 盾构对其断面横向影响范围:盾构对某断面上沿盾构中心轴线向左右两侧延伸10~18m范围内,此范围外地表沉降累计量远小于1mm,近似认为超过此范围后盾构对其无影响。
(3) 根据盾构纵向影响范围,地表沉降的监测区域应该为切口前30m切口后50m,考虑到环宽为1·5m,建议4环及6m一个纵向地表沉降监测点;根据盾构横向影响范围,应在盾构中心轴线向左右各13m内布设监测点,建议隔3、3、7m设一个监测点,每个断面共设7个点。
(4) 按照该区间现场实测监测数据的统计规律,建议对粉质粘土夹粉土粉砂层,盾构掘进引起的地表沉降数据累计变化控制指标为+10~-40mm;盾构机切口通过监测断面6~20m单次平均量(变化速率)控制值为-15mm /d。
参考文献
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