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        青島地鐵1號線安安區(qū)間盾構(gòu)隧道地表沉降研究

        2018-12-20 10:59:42徐祥云胡云飛高福軍李地元王文健
        鐵道勘察 2018年6期

        徐祥云 胡云飛 高福軍 李地元 王文健

        (1.中鐵八局集團(tuán)昆明鐵路建設(shè)有限公司,云南昆明 650200;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖南長沙 410083)

        為了緩解日益嚴(yán)重的交通堵塞問題,越來越多的城市開始進(jìn)行地鐵建設(shè)。地鐵具有客運(yùn)量大、運(yùn)輸速率快、運(yùn)行穩(wěn)定、對地面交通影響較小等優(yōu)點(diǎn),但同時具有造價高昂、易導(dǎo)致地表沉降等缺點(diǎn)。盾構(gòu)施工引起的地層損失和盾構(gòu)隧道周圍受擾動或剪切破壞引起的重塑土再固結(jié),是導(dǎo)致地表沉降的重要原因。地表沉降一般為非均勻沉降,容易使地面產(chǎn)生裂縫。如果沉降量過大,地表沉降還會對沉降范圍內(nèi)的建筑物和地下管線造成安全影響。

        針對地表沉降問題,眾多學(xué)者從基礎(chǔ)理論和工程實踐方面展開了研究。Peck等早在1969年就研究了隧道開挖引起的地表沉降槽,并提出了地層損失的概念和Peck公式[1]。之后,很多學(xué)者根據(jù)不同的地質(zhì)情況對Peck公式進(jìn)行了修正[2-4]。劉建航等以Peck公式為基礎(chǔ),提出了縱向地表沉降Peck公式[5]。劉寶琛[6]、朱忠隆[7]等運(yùn)用隨機(jī)介質(zhì)理論對隧道縱向地表沉降進(jìn)行預(yù)測。岳廣學(xué)等對隧道開挖過程中產(chǎn)生的地層變形做了統(tǒng)計分析[8]。另外,大量學(xué)者通過數(shù)值分析對地表沉降進(jìn)行了研究[9-15]。對雙線隧道分先后掘進(jìn)的施工條件下地表沉降規(guī)律的研究鮮有報道。以青島地鐵1號線安子站-安子?xùn)|站區(qū)間盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中的地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析盾構(gòu)隧道左、右線分別開挖條件下,近海富水地層的地表沉降規(guī)律,為今后青島地鐵的盾構(gòu)隧道施工或其它海濱城市地鐵建設(shè)提供借鑒。

        1 工程背景

        1.1 工程概況及地層條件

        青島市地鐵1號線安子站-安子?xùn)|站區(qū)間(下稱:安安區(qū)間)位于青島市黃島區(qū)新港山路愛琴海小區(qū)對面。區(qū)間隧道由安子站引出后,沿長江東路下方敷設(shè),穿過中冶愛彼岸小區(qū)北側(cè)地塊后再轉(zhuǎn)入新港山路,最終到達(dá)安子?xùn)|站。區(qū)間隧道位于長江東路及新港山路下方。安安區(qū)間左線全長940.54 m,右線全長921.70 m,間距13.7~14.0 m,拱頂埋深9.0~13.2 m,為淺埋隧道。采用單洞單線圓形斷面,盾構(gòu)斷面建筑限界為5.2 m,斷面內(nèi)徑為5.4 m,管片厚0.3 m,管片長1.5 m。

        安安區(qū)間主要位于構(gòu)造剝蝕區(qū)、濱海堆積區(qū),地質(zhì)條件較差。第四系地層厚2.20~18.60 m,主要由全新統(tǒng)人工填土層、濱海沼澤化層、(淤泥質(zhì))粉質(zhì)黏土、海相層中粗砂,以及上更新統(tǒng)洪沖積粉質(zhì)黏土層、含礫黏土層組成?;鶐r為燕山晚期侵入巖,主要為石英二長巖、花崗巖。地質(zhì)剖面如圖1。

        圖1 安安區(qū)間地質(zhì)剖面

        1.2 盾構(gòu)法施工概況

        安安區(qū)間隧道掘進(jìn)使用的是直徑6.28 m的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)從安子?xùn)|站始發(fā),接收于安子站。由于地層條件較差,盾構(gòu)始發(fā)需要進(jìn)行端頭地層加固。為了盡量降低隧道掘進(jìn)對地層造成的影響,左右線分別進(jìn)行掘進(jìn)。左線盾構(gòu)隧道先掘進(jìn),達(dá)到總里程的1/3時,右線隧道開始掘進(jìn)。為控制地表沉降,在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)同步注漿,及時填充盾構(gòu)機(jī)盾尾與開挖輪廓之間的間隙。實際注漿量一般為計算量的130%~250%,根據(jù)現(xiàn)場地表沉降監(jiān)測情況,在適當(dāng)位置進(jìn)行二次注漿。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中設(shè)置的基本技術(shù)參數(shù)如表1。

        表1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

        2 地表沉降監(jiān)測方案

        監(jiān)測點(diǎn)按照監(jiān)測斷面進(jìn)行分組,在安安區(qū)間盾構(gòu)隧道上方全線布置。監(jiān)測斷面分為主要監(jiān)測斷面和次要監(jiān)測斷面。主要監(jiān)測斷面上一般布置9個測點(diǎn),次要監(jiān)測斷面一般布置2個測點(diǎn),分別布置于盾構(gòu)隧道左線和右線的中軸線上方。監(jiān)測斷面間距約為25 m,主要監(jiān)測斷面和次要監(jiān)測斷面相間布置,如圖2。主要監(jiān)測面的測點(diǎn)布置如圖3。從DC01到DC38共38個監(jiān)測斷面,其中DC01靠近安子站,DC38靠近安子?xùn)|站。采用儀器為天寶DiNi03電子水準(zhǔn)儀,配套銦鋼尺等。

        圖2 監(jiān)測點(diǎn)縱向布置

        圖3 監(jiān)測點(diǎn)橫向布置(單位:m)

        3 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)地表沉降規(guī)律分析

        3.1 地表沉降歷時曲線

        以DC32監(jiān)測斷面作為代表,分析其地表沉降歷時曲線,如圖4。DC32監(jiān)測斷面有9個地表沉降監(jiān)測點(diǎn),選擇其左線和右線隧道中軸線正上方的2個監(jiān)測點(diǎn)(DC32-03和DC32-07)分析其沉降規(guī)律,兩個監(jiān)測點(diǎn)距離約為14 m。可以發(fā)現(xiàn),左右兩個監(jiān)測點(diǎn)的沉降歷時曲線均可分為4個階段。

        圖4 DC32監(jiān)測斷面地表沉降歷時曲線

        (1)左線監(jiān)測點(diǎn)

        ①左線盾構(gòu)機(jī)到達(dá)監(jiān)測斷面之前(大約從監(jiān)測天數(shù)13到監(jiān)測天數(shù)24,持續(xù)11 d),對地層第一次擾動造成的沉降量為6.3 mm;②左線盾構(gòu)機(jī)通過監(jiān)測斷面之后(大約從監(jiān)測天數(shù)24到監(jiān)測天數(shù)40,持續(xù)16 d),監(jiān)測點(diǎn)快速沉降,沉降量為21.6 mm;③緩速沉降期(大約從監(jiān)測天數(shù)40到監(jiān)測天數(shù)98,持續(xù)58 d)的沉降量為4.8 mm;④右線盾構(gòu)機(jī)通過監(jiān)測斷面造成的沉降較為緩慢(從監(jiān)測天數(shù)98到監(jiān)測天數(shù)126,持續(xù)28 d),沉降量也較小,為4.3 mm。最終穩(wěn)定沉降量為37.0 mm。

        (2)右線監(jiān)測點(diǎn)

        ①左線盾構(gòu)機(jī)到達(dá)監(jiān)測斷面之前(大約從監(jiān)測天數(shù)13到監(jiān)測天數(shù)24,持續(xù)11 d),對地層第一次擾動造成的沉降量為4.4 mm;②左線盾構(gòu)機(jī)通過監(jiān)測斷面造成的沉降量也較小(從監(jiān)測天數(shù)24到監(jiān)測天數(shù)98,持續(xù)74 d),為4.3 mm。③右線盾構(gòu)機(jī)通過監(jiān)測斷面之后(大約從監(jiān)測天數(shù)98到監(jiān)測天數(shù)106,持續(xù)8 d),監(jiān)測點(diǎn)快速沉降,沉降量為11.7 mm;④緩速沉降期(大約從監(jiān)測天數(shù)106到監(jiān)測天數(shù)126,持續(xù)20 d)的沉降量為2.5 mm。最終穩(wěn)定沉降量為22.9 mm。

        對沉降階段可以進(jìn)行如下概括:先行隧道盾構(gòu)機(jī)到達(dá)監(jiān)測面之前,土體受到擾動,兩個監(jiān)測點(diǎn)均會產(chǎn)生較小的沉降。本線隧道盾構(gòu)機(jī)到達(dá)監(jiān)測斷面后,監(jiān)測點(diǎn)產(chǎn)生較大沉降,并且分為快速沉降階段和緩速沉降階段,前者的沉降量大約是后者的4.5倍。相鄰隧道的盾構(gòu)機(jī)到達(dá)監(jiān)測斷面后,監(jiān)測點(diǎn)產(chǎn)生較小沉降,并且沉降速度較慢。各階段沉降占比如圖5。雖然先后順序有所不同,但兩個測點(diǎn)各階段沉降所占比例基本相當(dāng)。初期土體擾動沉降占比為18.1%,本線盾構(gòu)通過快速沉降占比為54.7%,本線盾構(gòu)通過緩速沉降占比為11.9%,鄰線盾構(gòu)通過沉降占比為15.2%。其他監(jiān)測斷面地表沉降歷時曲線也基本具有以上特點(diǎn)。

        圖5 各階段沉降占比

        進(jìn)一步分析,根據(jù)Peck沉降槽曲線[1],每個監(jiān)測點(diǎn)的沉降值與其到隧道軸線的水平距離相關(guān),距離越遠(yuǎn)沉降值越小。

        (1)

        式中:x—監(jiān)測點(diǎn)與隧道軸線的水平距離;i—沉降槽寬度系數(shù);Smax—隧道軸線上方沉降值;S(x)—與隧道軸線水平距離為x的監(jiān)測點(diǎn)沉降值。

        根據(jù)DC32-01至DC32-09的沉降值數(shù)據(jù)和式(1)可以擬合得到沉降槽寬度系數(shù)i,結(jié)果顯示,本工程中i的取值在8~9 m之間。左線和右線隧道軸線的距離為14 m,帶入式(1),可以得到S(14)的取值在0.216Smax到0.298Smax之間。也就是說,本線盾構(gòu)施工對鄰線測點(diǎn)沉降值的貢獻(xiàn)為21.6%~29.8%。從圖4可知,左線盾構(gòu)施工對DC32-左線測點(diǎn)的沉降值貢獻(xiàn)為32.7 mm,對右線測點(diǎn)的沉降值貢獻(xiàn)為8.7 mm,為左線的0.266倍;右線盾構(gòu)施工對DC32-右線測點(diǎn)的沉降值貢獻(xiàn)為14.2 mm,對左線測點(diǎn)的沉降值貢獻(xiàn)為4.3 mm,為右線的0.303倍。這與之前計算得到的范圍一致,說明在雙線盾構(gòu)的施工條件下,每條線路的沉降槽依然獨(dú)立存在。

        3.2 二次注漿對地表沉降的影響

        DC33監(jiān)測斷面與DC32監(jiān)測斷面相鄰,且地層條件基本相同。不同點(diǎn)在于,盾構(gòu)隧道左線DC33監(jiān)測斷面附近在第30個監(jiān)測天數(shù)和第60個監(jiān)測天數(shù)進(jìn)行了2次二次注漿。下面通過分析DC33監(jiān)測斷面的地表沉降歷時曲線,并將其與DC32監(jiān)測斷面進(jìn)行對比,來說明二次注漿對地表沉降的影響。

        DC33監(jiān)測斷面地表沉降歷時曲線如圖6。DC33左線監(jiān)測點(diǎn)在左線盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前的初期土體擾動沉降量為6.3 mm,與DC32左線監(jiān)測點(diǎn)的情況一致。左線盾構(gòu)機(jī)通過監(jiān)測面后,DC33左線監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)入快速沉降階段??焖俪两惦A段持續(xù)6 d后,在左線隧道DC33監(jiān)測面附近進(jìn)行二次注漿。6 d內(nèi),DC33左線監(jiān)測點(diǎn)地表豎向位移從-17.4 mm回升到-12.2 mm(回升量為5.2 mm)。之后DC33左線監(jiān)測點(diǎn)繼續(xù)沉降,到第60個監(jiān)測天數(shù),左線隧道DC33監(jiān)測面附近又進(jìn)行二次注漿,地表豎向位移從-20.9 mm回升到-15.4 mm(回升量為5.5 mm)。之后右線盾構(gòu)機(jī)通過監(jiān)測斷面,經(jīng)過大約40 d,DC33左線監(jiān)測點(diǎn)沉降值穩(wěn)定于25.9 mm。由于二次注漿的位置在左線隧道,DC33右線監(jiān)測點(diǎn)地表豎向位移回升值明顯小于左線監(jiān)測點(diǎn),并具有一定的滯后性。

        圖6 DC33監(jiān)測斷面地表沉降歷時曲線

        DC33監(jiān)測面兩個測點(diǎn)地表沉降歷時曲線基本上可以分為前文所述的4個階段,但受到二次注漿的影響,各階段的沉降值與DC32監(jiān)測面產(chǎn)生了較大的區(qū)別,如圖7和圖8。

        圖7 左線監(jiān)測點(diǎn)各階段沉降值比較

        圖8 右線監(jiān)測點(diǎn)各階段沉降值比較

        對于左線監(jiān)測點(diǎn),DC32和DC33的初期土體擾動沉降值基本一致。在第1回二次注漿的作用下,DC33測點(diǎn)本線盾構(gòu)通過的快速沉降得到了抑制,只有DC32的51%。在第2回二次注漿的作用下,土體豎向位移回升量基本抵消了DC33測點(diǎn)本線盾構(gòu)通過導(dǎo)致的緩速沉降,沉降值僅為0.1 mm。與前面3個階段不同,在第2回二次注漿之后,DC33測點(diǎn)的鄰線盾構(gòu)通過沉降達(dá)到了DC32的兩倍,這是二次注漿對土體強(qiáng)烈擾動的結(jié)果。對于右線監(jiān)測點(diǎn),二次注漿的影響明顯小一些。DC32測點(diǎn)和DC33測點(diǎn)的初期土體擾動沉降、本線盾構(gòu)通過的緩速沉降、鄰線盾構(gòu)通過的沉降基本一致。DC33測點(diǎn)本線盾構(gòu)通過的快速沉降明顯大于DC32測點(diǎn),增幅為33%,這也是二次注漿對土體擾動的結(jié)果,但程度不及左線。

        整體來看,左線隧道的二次注漿減少了左線測點(diǎn)的最終穩(wěn)定沉降量,DC32左線測點(diǎn)的最終穩(wěn)定沉降值為37.0 mm,DC33左線測點(diǎn)的最終穩(wěn)定沉降值為25.9 mm,降幅為42.8%。左線隧道的二次注漿增加了右線測點(diǎn)的最終穩(wěn)定沉降量,DC32為22.9 mm,DC33為28.8 mm,增幅為25.8%。

        4 結(jié)論

        (1)對于分先后掘進(jìn)的雙線盾構(gòu)隧道,無論是先行隧道還是后行隧道,其隧道軸線上方監(jiān)測點(diǎn)的地表沉降都可以分為4個階段:初期土體擾動導(dǎo)致的沉降,平均占比為18.1%;本線盾構(gòu)通過導(dǎo)致的快速沉降,平均占比為54.7%;本線盾構(gòu)通過導(dǎo)致的緩速沉降,平均占比為11.9%;鄰線盾構(gòu)通過導(dǎo)致的沉降,平均占比15.2%。

        (2)在沉降槽寬度系數(shù)為8~9 m,左右雙線隧道軸線距離14 m的情況下,本線盾構(gòu)施工對鄰線軸線測點(diǎn)沉降值的貢獻(xiàn)為本線測點(diǎn)的0.216~0.298倍。

        (3)后行隧道盾構(gòu)機(jī)未到達(dá)時,對先行隧道已完成段進(jìn)行二次注漿,地表沉降規(guī)律會發(fā)生明顯變化。對于先行隧道,二次注漿可以減少本線盾構(gòu)通過導(dǎo)致的沉降,同時增加鄰線盾構(gòu)通過產(chǎn)生的沉降,減小最終穩(wěn)定沉降值。對于后行隧道,二次注漿會增加本線盾構(gòu)通過導(dǎo)致的沉降,并增加最終沉降量。

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