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地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题探究

2017/09/26 阅读:

摘要:当前盾构法施工已经开始逐渐的应用在我国的地铁隧道施工中,通过盾构法的使用,能够有效的提升工程的质量和进度。同时我国也在盾构技术的应用中取得了一定的成功。但是不可否认的是,在具体的应用中还存在很多的问题没有得到有效的解决,比如盾构法地铁隧道施工过程中引起的地面沉降问题。我们需要找到盾构法引起地面沉降的原因,并针对具体的原因采取针对性的措施。文章主要对地铁隧道盾构法中地面沉降的机理、原因以及具体的观测方式等进行分析,以期能够为沉降问题的解决提供一些参考。

关键词:地铁隧道;盾构法;地面沉降

地铁交通当前已经成为了各大城市中非常重要的交通工具,随着地铁交通的发展,地铁工程也在不断的增加,在地铁隧道施工中盾构技术的先进性和安全性使得其应用的范围越来越广泛。地铁的修建一般都是在城市的中心,地下的管线以及地面的建筑都比较多,在隧道的开挖中势必会影响到地层稳定,造成地表的沉降。盾构施工中引起的地面沉降情况会更加严重,甚至直接威胁到地面上的建筑结构安全。为了解决地铁隧道盾构法造成的地面沉降问题,国内外进行了大量的研究,并建立了沉降计算模型,以期能够更好的解决地铁隧道盾构法造成的地面沉降问题。

1盾构法引起的地面沉降原理

地铁隧道施工中必然会引起隧道周边土层的扰动,进而引发地面沉降问题。软土地隧道开挖的过程中,受到地层损失以及隧道周围环境的干扰等因素都可能会引起地面沉降。

1.1隧道开挖使得地层损失

地层损失主要是由于盾构施工中开挖体积与隧道的实际体积间存在体积差,隧道竣工体积包括隧道外围包裹的压入浆体积。如果在弥补地层中出现了地层的移动,将引起地面的沉降,而地层损失的主要因素为:①开挖面的土体出现移动的现象。在盾构挖掘的过程中,开挖面土体的水平支护应力如果小于原始侧向应力,那么将会引起开挖面土体的移动,从而造成地层损失,进而引起正面土体的向上、向前移动,从而造成地层损失的土体隆起;②盾构后退。在盾构技术的推进中,如果出现暂停,那么有可能会因为千斤顶漏油或回缩造成盾构后退,进而导致开挖面土体松动,形成地层损失;③土体被挤入盾尾的空隙中。如果在隧道外周空隙的压浆过程,压浆量不足,压力不适或者压浆的时间不及时,都可能会使盾尾坑道的土体失去平衡,进而出现土体移动形成地层损失。尤其是在含水不稳定的地层中,更容易引发地层损失现象;④推进方向的改变。盾构的过程中有些地点需要进行曲线、抬头以及纠偏推进,这样开挖断面就是椭圆形,因此造成地层损失。盾构轴线与隧道轴线的角度偏差越大,其引起的地层损失也会更大;⑤盾构的推进会使其正面的障碍物不断的移动,进而产生空隙,但是在推进的过程中无法进行有效的填充,从而引起地层损失;⑥同时隧道在土压下以及盾构管片拼装的过程中也可能会因为变形而造成地层损失。

1.2土体受扰动后固结性降低

隧道盾构施工的过程中,会使得周围的土体受到扰动,进而在隧道的周围造成超孔隙水压力。盾构推进后,土体的表面应力得到了有效的释放,从而使得隧道周围的孔隙水压力逐渐的降低,使得孔隙的水被挤压出来,进而造成地面沉降。同时,在盾构施工的过程中,由于挤压以及压浆等作用使得地层周围形成正值超空隙水压力区,在施工后的一段时间又会自动复原,进而使得地层排水出现固结变形,造成地面沉降。这种沉降也被称为主固结沉降。在隧道周围的土体受到扰动后,土体的骨架还会保持一段时间的压缩变形,在这个过程中地面出现次固结沉降。

2地铁隧道盾构施工引起地面沉降主要影响因素分析

隧道工程盾构法施工造成的地面沉降影响分析所应用的方式一般都是应用美国科学家P.B.Peck所推出的估算方法。为了能够分析地面沉降因素的具体影响,需要采用数学模拟以及数值计算的方法,分析出盾构施工中主要的影响因素地层损失率、盾构半径、盾构埋深以及盾构穿越土层性质等引起的地面沉降效应。

2.1盾构深埋因素分析

盾构埋深是引起地面沉降比较显著的因素。在软土隧道开挖的过程中,埋深的深度一般为6~22m,对盾构施工中的沉降槽进行计算,通过计算得到相关系数为0.976。数值计算中经常采用的参数一般选择的盾构半径为3.2m,地层损失率为2%,而穿越的土层为黏土层(淤泥质)。同时通过计算后发现,宽度系数会随着盾构埋深的深度而增加,这也导致地面沉降影响的范围不断的扩大。

2.2地层损失率通过对地层损失的分析

可知,地层损失率对地面沉降也有很明显的影响。同时有专家认为,如果地层损失率比较大,那么其在施工计算中将不再适用于P.B.Peck理论和公式。所以通过结合工程的实际,可以设定地层损失率分别为:1%、2%、3%、4%以及5%。设盾构埋深为10m,穿越土层不变,盾构半径也为3.2m。经过计算分析得出,地层损失率影响着宽度系数,宽度系数会随着地层损失率的增加也减小。随着地层损失率的增加,沉降量也越来越快。

2.3盾构穿越土层性质

在软土层的隧道开挖中,主要的土层性质有砂土层、砂质粉土以及淤泥质粘性土,在不同的土层穿越中对地面沉降也有不同的影响。在保持其他工艺条件都不变的情况下,穿越砂土层相对于黏土层来说,其沉降槽宽度的系数也更小,因此沉降量也是最大的。设地层损失率为2%,盾构埋深为10m,盾构半径为3.2m,计算分析穿越不同土层的宽度系数与沉降量的关系。通过计算分析后可知,在穿越不同土质时地面沉降效应也不同,穿越黏土时的沉降槽宽系数最大,对地面沉降影响的范围也最大,穿越砂质粉土层,宽度系数比黏土层小,沉降量显著,在穿越砂土地面时沉降量最大。

2.4盾构半径

盾构半径在不同的地铁隧道中也存在差异,比较常见的盾构半径有单圆土压平衡盾构、穿越江海盾构以及双圆土压平衡盾构等。其中单圆和双圆土压平衡盾构直径一般都在6~6.5m左右,但如果是越江或者越海的工程,其对泥水平衡盾构的半径要求更大,一般在7~15m。设单圆盾构半径为3.17m,双圆盾构半径为4.5m,穿江盾构半径为7.5m;地层损失率为2%,盾构埋深为10m,穿越土层为淤泥质黏土层。通过计算分析发现,盾构半径对宽度系数具有较为明显的影响,横向沉降槽的宽度系数随着盾构半径的增大而变大,地面沉降范围也不断的增大。

3地面沉降观测方法

3.1观测仪器以及观测要求

在地面沉降观测中,主要使用的仪器有精密水准仪、钢卷尺以及铟钢水准尺。线路沿线以及建筑物的地表沉降的数值与国家规定的误差要控制在2mm左右,相邻点高度误差控制在1mm左右。

3.2沉降观测点的布设

一般情况下,沿隧道中线上方的地面布设点距离需要控制在5m,并隔四个布设点设置一个检测横断面,每个断面上要设置5个观测点。在隧道的中线上设置一个点,然后在其左右隔5m设置一个点。在软土层或者埋深较浅的区域需要根据隧道的埋深深度以及围岩地质的条件对监测点和断面进行加密。如果隧道上方的路面为混凝土,在沉降观测点的布设中主要采用两种方式。①混凝土路面观测点布置,在路面部分沿着中线每隔20m布设一个观测断面,观测点要布设在路面上,从而测量路面的沉降量;②路面以下土层观测点布设,为了能够有效的防止路面硬壳层的沉降测量误差,造成路面虚空,需要通过混凝土路面在地层中打短钢筋的方式来布设观测点,从而实现对地层沉降的监测。

3.3沉降观测频率

为了能够更好的控制地面沉降,需要合理安排盾构过程中沉降观测的频率,一般需要在盾构机头前10m的位置或者后20m的范围每天的早、晚观察各观测一次,同时根据施工的进度不断的增加观测的次数。在这个范围内的监测点则需要每周进行观察一次,直到保证周围的土层稳定为止。如果沉降或者隆起超过规定的限差,或者出现异常的变动情况,则需要加大观测的范围和频率。

4结束语

综上所述,随着地铁交通的建设,盾构施工法逐渐在隧道的开挖中得到广泛的应用,提升了地铁隧道开挖的效率和质量。但是在盾构施工的过程中,不可避免的会出现地面沉降现象,不仅影响地面的美观,更可能会造成严重的安全事故。因此我们需要加强对盾构施工中引起的地面沉降的机理以及原因的研究,同时保证地面沉降的观测,进而及时、有效的预防地面沉降现象的出现,降低地面沉降带来的危害。

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作者:贾文恺 单位:中交隧道工程局有限公司

地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题探究

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