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        地鐵盾構(gòu)施工地表沉降及其控制措施

        2015-05-30 18:28:00張中陽
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年15期
        關(guān)鍵詞:空隙盾構(gòu)土體

        張中陽

        摘 要:隨著城市建設(shè)規(guī)模的增加,地鐵施工也越來越多。因為地下施工導(dǎo)致的地面沉降等問題隨之增多,給城市環(huán)境、交通和人民生活帶來負(fù)面影響。文章圍繞地鐵盾構(gòu)施工中地表沉降問題進(jìn)行討論,闡述了發(fā)生沉降的主要運營和不同階段地表沉降的特點,其次對地表沉降影響因素進(jìn)行了分析,最后對如何實施有效防范措施,加強(qiáng)地鐵盾構(gòu)施工地表沉降控制提出自己的看法和建議。

        關(guān)鍵詞:地鐵;盾構(gòu)施工;地表沉降;注漿;土壓力

        引言

        地下鐵路是現(xiàn)代城市交通體系重要的組成部分,在城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高人民生活水平方面發(fā)揮了重要作用。由于地鐵主要設(shè)施位于地面以下,使得地下施工成為地鐵建設(shè)工程的主體。在地鐵地下施工過程中,地面沉降、塌陷和開裂等問題時有發(fā)生,不僅造成城市環(huán)境破壞,也給地鐵工程自身帶來巨大安全隱患。在地鐵工程中,盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工往往會引發(fā)地表沉降現(xiàn)象,針對地鐵盾構(gòu)施工地表沉降問題進(jìn)行深入研究,制定安全防范措施,對應(yīng)數(shù)量和規(guī)模不斷呈現(xiàn)上升趨勢的地鐵工程來說無疑是十分重要的。

        1 地鐵盾構(gòu)施工過程中地表沉降原因分析

        大量實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,地鐵盾構(gòu)工程中引發(fā)地面沉降的原因包括施工造成的地層損失、地鐵盾構(gòu)隧道附近地層因為遭受擾動和剪切破壞而導(dǎo)致的重塑土再固結(jié)等。在眾多地面沉降現(xiàn)象中,施工地域地層受盾構(gòu)推進(jìn)造成的擠壓、超挖以及盾構(gòu)尾部壓漿的影響而發(fā)生擾動,從而導(dǎo)致地鐵隧道附近的地層形成正、負(fù)超孔隙水壓力,最終導(dǎo)致的地層沉降稱之為固結(jié)沉降。根據(jù)形成機(jī)理不同,固結(jié)沉降包括主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降兩種沉降方式。受超空隙水壓力消失影響導(dǎo)致的土層壓緊密實形成的沉降是主固結(jié)沉降。因土層骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生蠕動使土層在剪切力作用下發(fā)生變形導(dǎo)致的沉降是次固結(jié)沉降。

        2 不同施工階段地表沉降特點概述

        隨著地鐵盾構(gòu)施工的不斷推進(jìn),因其引發(fā)的地表和土體沉降也在不斷發(fā)生著變化,根據(jù)施工進(jìn)展,與其對應(yīng)的地表沉降也隨之分為五個發(fā)展階段,即初始沉降、開挖面前方變形、盾構(gòu)通過時、盾尾空隙沉降、后續(xù)沉降。

        2.1 初始沉降階段

        當(dāng)盾構(gòu)機(jī)運轉(zhuǎn)挖掘前進(jìn)時,地下水流原有結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,地下水位發(fā)生下降,從而導(dǎo)致附近一定范圍內(nèi)地面發(fā)生沉降,從開挖路線前方某處發(fā)生沉降,直至挖掘面到達(dá)該處,這一過程的沉降稱之為初始沉降階段。

        2.2 開挖面前方變形階段

        當(dāng)挖掘面逐漸接近前進(jìn)路線上某處時,在距離該點幾米時,會導(dǎo)致該處附近地面發(fā)生沉降和隆起,這一現(xiàn)象從出現(xiàn)直至挖掘面到達(dá)該處這一過程稱之為開挖面前方變形階段。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是盾構(gòu)機(jī)推力不穩(wěn)定,開挖面土層壓力忽高忽低,不斷發(fā)生變化造成的。

        2.3 盾構(gòu)通過時沉降階段

        從開挖面到達(dá)前進(jìn)路線某處,直至盾尾到達(dá)該處,這一過程中發(fā)生的沉降稱之為盾構(gòu)通過時沉降。導(dǎo)致其發(fā)生的原因是盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過時對土體造成的劇烈擾動。

        2.4 盾尾空隙沉降階段

        當(dāng)盾構(gòu)機(jī)盾尾經(jīng)過前進(jìn)路線上某處時,由于盾尾間隙內(nèi)的土體突然失去來自盾構(gòu)的支撐作用,或者由于管片壁后沒能按時施工要求進(jìn)行注漿導(dǎo)致附近土壤應(yīng)力釋放都會造成沉降發(fā)生。這一階段的沉降稱之為盾尾空隙沉降。

        2.5 后續(xù)固結(jié)沉降階段

        盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過以后,經(jīng)受擾動的土地發(fā)生固結(jié)和蠕變后續(xù)實效變形造成的沉降稱之為后續(xù)固結(jié)沉降。

        3 地鐵盾構(gòu)施工過程中地表沉降影響因素分析

        3.1 注漿作業(yè)對地表沉降的影響

        注漿作業(yè)是地鐵盾構(gòu)施工的重要組成部分。而注漿作業(yè)的好壞對于因盾構(gòu)施工造成的地表沉降有著至關(guān)重要的影響,因而在地鐵盾構(gòu)施工中,注漿作業(yè)往往作為控制地表沉降程度主要措施。注漿作業(yè)中,對地表沉降影響突出的因素主要包括注漿壓力的大小、注漿量的多少、有效注漿范圍、加固體強(qiáng)度提高加值以及后挖隧道的擾動等。

        3.2 盾尾空隙對地表沉降的影響

        盾構(gòu)機(jī)在土層中推進(jìn)施工時,隨著盾構(gòu)機(jī)的挖掘運動,盾尾鋼殼與地表土壤會呈現(xiàn)出周期性的緊密貼實和分離。當(dāng)盾尾與土壤發(fā)生分離時,在注漿作業(yè)沒用及時跟進(jìn)發(fā)生效用的情況下,與盾尾發(fā)生分離的土壤會因為失去支撐壓力而發(fā)生位移、崩塌等現(xiàn)象,隨著土壤的運動與位移,盾尾與土體間的空隙再度被填滿,土壤受力再次達(dá)到平衡。這一過程也是影響地表沉降的重要因素。

        3.3 地表硬殼對地表沉降的影響

        在城市環(huán)境進(jìn)行地下施工,地面表層和地下深層土體往往呈現(xiàn)出不同的特性。理論計算結(jié)果和大量實際測量數(shù)據(jù)都表明在正常的盾構(gòu)推進(jìn)施工中,地面表層和地下深層土體所發(fā)生的沉降呈現(xiàn)一致性,但相對于地面表層,地下深層土體的沉降程度更加距離,受施工影響更加突出。這是因為城市環(huán)境下,地面表層往往由混凝土地面、柏油路路面等較為堅硬的材質(zhì)構(gòu)成,變形模量、抗彎剛度及抗變形能力等遠(yuǎn)大于地下深層土體。在受到相同作用時發(fā)生沉降的程度更低。由于這個原因,許多沉降外表看來并不明顯,但實際上地面表層已經(jīng)與其下方的地下深層土體發(fā)生分離,形成巨大空隙,從而給施工安全帶來更大的安全隱患。

        3.4 其他方面對地面沉降的影響

        除了上述因素外,盾構(gòu)糾偏、盾構(gòu)發(fā)生臨時停頓或后退、推進(jìn)速度以及出土量發(fā)生改變等技術(shù)問題,都會對地表沉降產(chǎn)生影響。由于這些因素過多,且其影響不具有普遍性,所以文章就不再贅述。

        4 做好地鐵盾構(gòu)施工地表沉降的防范措施

        4.1 切實做好注漿作業(yè)

        4.1.1 嚴(yán)格控制注漿速度

        為保障注漿效果,漿液填充速度要盡可能與盾構(gòu)機(jī)挖掘速度保持一致,最大限度降低盾尾空隙的產(chǎn)生,從而避免由于盾尾空隙造成的沉降。需要注意的是,如果注漿速度過快,會導(dǎo)致盾尾漏漿現(xiàn)象發(fā)生,也會對施工造成不利影響。具體注漿速度要根據(jù)施工實際情況確定。

        4.1.2 準(zhǔn)確把握注漿時間

        從上面沉降原因分析可以看出,注漿的不及時是導(dǎo)致沉降發(fā)生的重要原因。在盾構(gòu)施工時,必須把握好注漿的時機(jī),一般情況而言,最理想的注漿時機(jī)應(yīng)該是管片脫開盾尾的時間。

        4.2 科學(xué)設(shè)置掘進(jìn)土壓力參數(shù)

        盾構(gòu)施工中需要重點控制的土壓力參數(shù)包括地層土壓力、地下水壓力和預(yù)備壓力三個參數(shù)。根據(jù)施工要求不同,壓力參數(shù)的確定方法也不一樣。對于深埋隧道施工,由于不確定因素較多,難以精確計算,可在遵循相關(guān)設(shè)計規(guī)范的基礎(chǔ)上,結(jié)合試掘進(jìn)期間取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。淺埋隧道施工需要計算的土壓力較多,需要按照各自相應(yīng)的公式計算,然后結(jié)合以往經(jīng)驗進(jìn)行選擇。

        5 結(jié)束語

        綜上所述,地鐵盾構(gòu)施工造成的地表沉降問題無法完全避免,但在對沉降機(jī)理和影響因素的深入分析的基礎(chǔ)上,可以通過科學(xué)有效的措施予以控制和減輕。隨著我國城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的逐步加快,地鐵工程建設(shè)事業(yè)必將迎來更大的發(fā)展空間。技術(shù)人員要認(rèn)真分析地下施工對周邊城市環(huán)境的影響,不斷開發(fā)出效果更好、成本更低、更加簡便易行的控制措施,確保地鐵施工的順利進(jìn)行和城市生活的和諧安寧。

        參考文獻(xiàn)

        [1]鄧溫妮,黃茂松.盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降的分析方法[J].湖南大學(xué)學(xué)報,2008,11.

        [2]韓學(xué)詮.盾構(gòu)施工地面沉降控制[J].鐵道建筑技術(shù),2009,6.

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