吳軍君，張開偉

(浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計(jì)院,浙江 杭州310016)

0 前言

越江隧道因不制約航運(yùn)、不受氣象條件影響、抗震性能好、戰(zhàn)略意義高等優(yōu)越性，近些年來在越江工程中普遍應(yīng)用[1]。盾構(gòu)法是越江隧道主要的施工方法之一，經(jīng)過近200 a的應(yīng)用和發(fā)展，盾構(gòu)施工技術(shù)已日益成熟。但隧道盾構(gòu)在掘進(jìn)施工過程中，周圍土體將受到擾動(dòng)作用，應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生變化。國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)施工及其對(duì)地表建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生的影響進(jìn)行了不同程度的分析研究[2]。

徐方京等[3-5]通過不同方法研究了盾構(gòu)施工引起的土體擾動(dòng)、地層移動(dòng)，以及地表沉降等變形規(guī)律。O’Reilly和Loganathan[6-7]通過對(duì)各種地質(zhì)條件下開挖隧道時(shí)產(chǎn)生的地面沉降測試值的統(tǒng)計(jì)，研究分析了地表沉降槽寬度系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

防洪大堤是整個(gè)防洪體系的重要組成部分，其抗洪能力直接關(guān)乎堤防保護(hù)范圍內(nèi)人民生命財(cái)產(chǎn)安全[8]。因此，盾構(gòu)機(jī)穿越錢塘江大堤時(shí)，如何有效的控制地表沉降十分關(guān)鍵。本文通過對(duì)西氣東輸二線管道上海支干線過江隧道施工監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究分析，總結(jié)了盾構(gòu)施工穿越錢塘江大堤控制地表沉降的相關(guān)措施。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)概述

西氣東輸二線管道上海支干線錢塘江穿越工程位于錢塘江河口段，北接嘉興海寧市，南連杭州市蕭山區(qū)江東經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，穿越長度3148 m，采用泥水平衡盾構(gòu)隧道穿越方案，盾構(gòu)管片內(nèi)徑為3.08 m，隧道中心埋設(shè)高程為-14.49 m，隧道穿越錢塘江北岸土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。盾構(gòu)穿越段為海寧段魚鱗石塘，大部分建于雍正、乾隆年間，塘身?xiàng)l石風(fēng)化嚴(yán)重，條石間的粘結(jié)物基本脫落，抗變形能力差。該項(xiàng)穿越始建于清朝的古海塘為史上第一次，穿越施工難度較大。隧道穿越段海塘結(jié)構(gòu)詳見圖1所示。

1.2 場地地質(zhì)概況

管道穿越區(qū)域地層分布情況分述如下：第①層塘身填土、第②1層粉質(zhì)粘土、第②2層粘土、第③1層粘土、③2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土、第④1層粉質(zhì)粘土、第④2層粉土夾粉質(zhì)粘土、第⑤1層粉土夾粉質(zhì)粘土、第⑤2層粉質(zhì)粘土，具體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)詳見表1所列。

該工程頂進(jìn)管道主要位于③2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及③3層淤泥質(zhì)粘土層中。

1.3 測試點(diǎn)布置

盾構(gòu)施工前，于護(hù)塘地區(qū)域隧道兩側(cè)鉆孔埋設(shè)土壓力盒和孔隙水壓力計(jì)，觀測盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中地基土體擾動(dòng)程度和隧道施工完成后土體固結(jié)程度；沿隧道軸線且與隧道軸線位于同一高程處埋設(shè)2個(gè)土壓力盒，觀測盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中的土體水平應(yīng)力變化幅度；在堤身布設(shè)5個(gè)沉降觀測斷面，分別為內(nèi)坡腳(斷面1)、堤頂路面內(nèi)側(cè)(斷面2)、擋浪墻頂(斷面 3)、外海平臺(tái)(斷面 4)和魚鱗石塘頂(斷面 5)。測試點(diǎn)平面布置見圖2～圖5所示。

表1 場地土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)一覽表

2 觀測數(shù)據(jù)分析

北岸始發(fā)井與內(nèi)坡腳的距離為316m，2010年7月11日下午6∶30盾構(gòu)機(jī)頭到達(dá)大堤內(nèi)坡腳位置。以錢塘江北岸大堤內(nèi)坡腳作為零點(diǎn)，內(nèi)坡方向?yàn)樨?fù)，外海方向?yàn)檎?，盾?gòu)機(jī)頭與大堤內(nèi)坡腳的距離作為相應(yīng)的數(shù)值盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)度曲線，詳見圖6所示。

2.1 應(yīng)力觀測數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過盾構(gòu)機(jī)頭達(dá)到前5m,以及盾尾通過后50m的連續(xù)觀測，將應(yīng)力測試值繪制成與測點(diǎn)距離曲線，分析地基土體中孔隙水壓力和土壓力的變化特征。測試結(jié)果見圖7～圖10所示。

如圖7和圖8所示：圖中的4位數(shù)字符為儀器編號(hào)，圖中的孔隙水壓力值計(jì)算方法為：將盾構(gòu)施工影響前的靜水壓力設(shè)為零，圖中曲線的變化量為完全由盾構(gòu)施工影響產(chǎn)生。盾構(gòu)機(jī)頭達(dá)到測試點(diǎn)前6 m左右，孔隙水壓力開始變大，機(jī)頭通過后10 m左右達(dá)到峰值，機(jī)頭通過10.5 m時(shí)，4859#（4935#破壞）孔隙水壓力達(dá)到548.3 kPa。從距離關(guān)系可以看出：盾尾位于試驗(yàn)斷面時(shí)，受注漿影響，孔隙水壓力急劇增加，盾尾通過后一段時(shí)間，孔隙水壓力開始慢慢減小。盾尾通過后40 m左右，受連續(xù)降雨地下水位抬高影響，孔隙水壓力又開始增加。之后，盾構(gòu)施工對(duì)試驗(yàn)區(qū)域地基土體不產(chǎn)生影響，超孔隙水壓力逐漸消散。從儀器埋設(shè)高程與隧道軸線高程關(guān)系角度分析，隧道軸線高程處的地基土體受盾構(gòu)注漿施工影響，產(chǎn)生的超孔隙水壓力最大，軸線高程之下土體產(chǎn)生的超孔隙水壓力逐漸減小，至軸線下6 m處土體產(chǎn)生的超孔隙水壓力峰值也只有63 kPa。

土壓力盒埋設(shè)位置和深度與前述孔隙水壓力一致，除5659#埋設(shè)深度為19 m。圖9中土壓力盒為垂直埋設(shè)，受力面平行于隧道軸線，觀測盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中地基土體側(cè)壓力的變化規(guī)律，圖10中土壓力盒為水平埋設(shè)，觀測盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中土體總壓力的變化規(guī)律。如圖9和圖10所示：土壓力變化規(guī)律與孔隙水壓力變化規(guī)律基本一致。盾構(gòu)機(jī)頭達(dá)到前6 m左右，土壓力開始變大，機(jī)頭通過后10 m左右達(dá)到峰值。機(jī)頭通過10.5 m時(shí)，4880#土壓力達(dá)到553.2 kPa。機(jī)頭通過9.2 m時(shí)，4932#土體側(cè)壓力增加278.5 kPa。根據(jù)儀器埋設(shè)深度以及隧道軸線高程關(guān)系可知：靠近隧道軸線的土壓力變化量較大，峰值超過500 kPa，23 m和25 m處的土壓力變化量較小。4880#的應(yīng)力峰值近似為4932#的兩陪，這與儀器的埋設(shè)方法和觀測目的有關(guān)，前者是土體側(cè)壓力觀測，而后者是土體總壓力觀測。

盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中，于護(hù)塘地隧道軸線高程處埋設(shè)2個(gè)壓力盒，觀測盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)機(jī)頭正面平衡壓力的變化。測試結(jié)果見圖11所示。

圖11為隧道軸線位置受盾構(gòu)施工影響土體應(yīng)力變化曲線，從圖11可以看出：在盾構(gòu)機(jī)頭離測試點(diǎn)接近10 m時(shí)，土體應(yīng)力開始變化，隨盾構(gòu)機(jī)頭逐漸靠近，土體應(yīng)力慢慢增加，在機(jī)頭距測試點(diǎn)1～2 m時(shí)，土體應(yīng)力達(dá)到峰值，分別為24.2 kPa和24.8 kPa，之后逐漸減小直至機(jī)頭到達(dá)，測試儀器破壞。曲線變化過程中出現(xiàn)波浪型，主要是受盾構(gòu)施工影響，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中測試的土體應(yīng)力要比襯切片組裝時(shí)測試的應(yīng)力大。

2.2 堤表沉降觀測數(shù)據(jù)分析

對(duì)隧道開挖引起地表沉降的計(jì)算，目前工程實(shí)踐中普遍采用的是Peck[9]提出的地表沉降的橫向分布正態(tài)估算公式。圖12為該工程錢塘江大堤地表5個(gè)特征斷面的實(shí)測橫向分布曲線。

如圖12沉降分布曲線所示：地表測試點(diǎn)累計(jì)沉降量較小，累計(jì)沉降最大值為20.4 mm。累計(jì)沉降量從遂道軸線向兩側(cè)逐漸減小，基本呈正態(tài)分布。魚鱗石塘頂沉降量相對(duì)較小，與有效的沉降控制措施有關(guān)。5個(gè)沉降觀測斷面中，堤頂路面內(nèi)側(cè)的沉降槽最陡。根據(jù)沉降分布曲線，受盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工影響，隧道軸線兩側(cè)20 m范圍內(nèi)的測試點(diǎn)累計(jì)沉降量相對(duì)較大。

對(duì)于沉降量隨時(shí)間的分布規(guī)律，本文選取內(nèi)坡腳、堤頂路面內(nèi)側(cè)和擋浪墻位于隧道軸線上方3個(gè)測點(diǎn)，進(jìn)行累計(jì)沉降量分析，測試結(jié)果見圖13所示。

如圖13所示：DS23測點(diǎn)的累計(jì)沉降量最大，累計(jì)沉降值為20.4 mm，DS09和DS37的累計(jì)沉降值分別為17.5和17.8 mm。盾尾通過堤身后，此3個(gè)測點(diǎn)的累計(jì)沉降量分別為1.6 mm、2.1 mm和1.8 mm，即工后沉降分別為15.8 mm、18.3 mm和16.0 mm，工后沉降占總沉降量的百分比分別為90.7、89.8和89.6。根據(jù)地質(zhì)資料，錢塘江北岸土層粘土含量高，受盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工擾動(dòng)影響，固結(jié)沉降歷時(shí)較長，工后沉降所占比例大。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)盾構(gòu)施工過程中試驗(yàn)段土體應(yīng)力和錢塘大堤地表沉降試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究得出如下結(jié)論：

（1）盾構(gòu)施工穿越重要建筑物前需設(shè)計(jì)試驗(yàn)段，使各項(xiàng)參數(shù)調(diào)整到最佳值，穿越時(shí)保持盾構(gòu)良好的掘進(jìn)狀態(tài)，盡可能地減少盾構(gòu)施工對(duì)大堤的擾動(dòng)，從而有效地控制地表沉降。

（2）盾構(gòu)機(jī)穿越試驗(yàn)段下覆地層前后，通過應(yīng)力觀測成果顯示：盾構(gòu)機(jī)頭達(dá)到測試點(diǎn)前，土體正面壓力最大值為24.8 kPa，孔隙水壓力最大值為0.54 MPa，觀測值與設(shè)計(jì)值較為接近。同時(shí)結(jié)合地表沉降觀測數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為機(jī)頭平衡壓力24 kPa左右和盾尾注漿壓力0.5 MPa穿越錢塘江北岸大堤比較合適，對(duì)地基土體擾動(dòng)較小，同時(shí)又能達(dá)到控制地表沉降的目的。在盾構(gòu)機(jī)頭掘進(jìn)過程中，土體受到的水平應(yīng)力慢慢增加，在機(jī)頭距壓力盒1～2 m時(shí)，土體水平應(yīng)力達(dá)到峰值，之后逐漸減小直至機(jī)頭到達(dá)，測試儀器被破壞。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中土體受到的水平應(yīng)力要比管片組裝時(shí)土體受到的水平應(yīng)力大。

（3）實(shí)測橫向沉降分布曲線基本呈正態(tài)分布，符合Peck正態(tài)估算公式。錢塘江北岸嘉興段大堤地基土體粘粒含量較高，施工擾動(dòng)引起的地表工后沉降歷時(shí)較長，所占比例大，需有效的控制盾構(gòu)施工擾動(dòng)，減少施工期沉降，將盾構(gòu)穿越破壞大堤的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

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