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        巖溶地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有建筑物施工控制技術(shù)*

        2021-06-29 06:39:00
        城市軌道交通研究 2021年6期
        關(guān)鍵詞:施工

        李 明

        (蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司,730030,蘭州 ∥ 高級(jí)工程師)

        目前,國內(nèi)對(duì)于巖溶地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道施工的穩(wěn)定性研究,以及盾構(gòu)隧道下穿既有建筑物的施工變形控制技術(shù)研究已日趨完善,但關(guān)于巖溶地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有建筑物的研究卻相對(duì)甚少。文獻(xiàn)[5]以昆明地鐵4號(hào)線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間盾構(gòu)隧道施工為背景,采取物探鉆孔與電磁波CT(計(jì)算機(jī)斷層掃描)勘察盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)溶洞的具體分布,并利用數(shù)值模擬方法分析不同因素對(duì)盾構(gòu)隧道開挖穩(wěn)定性的影響;文獻(xiàn)[6]以長沙地鐵3號(hào)線盾構(gòu)下穿某溶巖段為工程背景,通過輸入地層與隧道特征參數(shù)建立BP(反向傳播)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)巖溶盾構(gòu)預(yù)測模型,并結(jié)合對(duì)鉆探數(shù)據(jù)的歸納分析,最終應(yīng)用于工程實(shí)際;文獻(xiàn)[7]通過再現(xiàn)“滲流液化-流土漏失”的巖溶塌陷過程,分析地鐵隧道穿越巖溶區(qū)段的地面塌陷機(jī)理,通過構(gòu)建巖溶塌陷物理模型,提出巖溶處理方案。

        本文以廣州地鐵12號(hào)線聚龍站—棠溪站所經(jīng)過的巖溶地段為工程背景,采用數(shù)值分析軟件研究不同施工方案、掘進(jìn)參數(shù)對(duì)盾構(gòu)隧道下穿既有建筑物的穩(wěn)定性影響,以期為巖溶地區(qū)盾構(gòu)下穿既有建筑物施工提供一定借鑒。

        1 工程概況

        廣州地鐵12號(hào)線(以下簡為“12號(hào)線”)(見圖1)工程自白云區(qū)金沙洲起,主要經(jīng)過白云區(qū)、越秀區(qū)、海珠區(qū)、黃埔區(qū)及番禺區(qū)大學(xué)城,線路全長37.6 km,全線均為地下線。12號(hào)線為廣州市西北至東南向的骨干線,串聯(lián)棠溪交通樞紐。其中,聚龍站—棠溪站區(qū)間左線長1 557.599 m,右線長1 512.698 m,隧道埋深為20.66~32.91 m,部分地段處于巖溶地區(qū)。該區(qū)間內(nèi)下穿眾多建筑物,主要有:德康路沿線商鋪(5層磚混結(jié)構(gòu))、棠溪祥崗西新街民房(7層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))、棠溪沖邊北街8號(hào)住宅(7層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))、棠溪十一社廠房(5層磚混結(jié)構(gòu))、棠溪祥崗西后街民房(5層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))、創(chuàng)新制服廠(7層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))等。

        圖1 廣州地鐵12號(hào)線線路走向示意圖

        聚龍站—棠溪站區(qū)間內(nèi)地層從上往下依次為:填土、粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

        表1 廣州地鐵12號(hào)線聚龍站—棠溪站區(qū)間巖溶地段土層的物理力學(xué)參數(shù)

        2 地鐵盾構(gòu)隧道施工影響因素分析

        2.1 計(jì)算模型建立

        采用ANSYS軟件建立三維計(jì)算模型,運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行隧道開挖的模擬計(jì)算。模型(見圖2)左右側(cè)邊界按距離隧道中線3~5倍的洞徑選取,下邊界取距離隧道底部3~5倍的洞徑,隧道埋深取24.5 m,最終的計(jì)算模型尺寸為76 m(x向)×50 m(y向)×62 m(z向)。

        圖2 三維計(jì)算模型圖

        巖土體物理力學(xué)參數(shù)采用表1中所列數(shù)據(jù)。地表上方建筑物與盾構(gòu)管片及注漿材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

        表2 建筑物及盾構(gòu)襯砌參數(shù)

        在模型中設(shè)置3條監(jiān)測線,分別距初始開挖面2 m、16 m及32 m;同時(shí)對(duì)地表既有建筑物進(jìn)行編號(hào)(JZ1—JZ6),并分別取每個(gè)建筑物的4個(gè)角點(diǎn)(a、b、c、d)進(jìn)行監(jiān)測。地表監(jiān)測線及監(jiān)測點(diǎn)示意見圖3。

        圖3 地表監(jiān)測線和監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

        2.2 不同施工工況對(duì)既有建筑物的影響

        對(duì)于雙線盾構(gòu)隧道,施工過程中左右兩線的掘進(jìn)間隔會(huì)對(duì)上方既有建筑物的地基沉降產(chǎn)生不同的影響。建立的4種工況分別為:①工況1:左右線同時(shí)施工;②工況2:右線施工16 m后,左線再行施工;③工況3:右線施工32 m后,左線再行施工;④工況4:右線貫通后,左線再行施工。建立的4 個(gè)施工階段分別為:①右線掘進(jìn)至監(jiān)測線2處(隧道掘進(jìn)至既有建筑之間)(見圖3);②右線掘進(jìn)至監(jiān)測線3處(隧道掘進(jìn)穿出既有建筑物)(見圖3);③右線貫通;④雙線貫通。

        由圖4可知,雙線盾構(gòu)隧道各施工階段中,工況1與其他工況相比其地表的最大沉降值均為最大,而工況4與其他工況相比其地表的最大沉降值均為最??;地表沉降的最大值隨兩線施工間隔的增大逐漸減小。當(dāng)兩線隧道施工間隔增大時(shí),地表沉降最大值會(huì)偏向于先行施工的一方;隨著兩線隧道施工間距減小,地表沉降最大值逐漸向兩隧道的中線偏移。由此可見,雙線盾構(gòu)隧道施工間距對(duì)施工時(shí)產(chǎn)生的地表沉降影響較大,施工中控制好施工間隔就可以一定程度地控制地表沉降。

        圖4 地鐵盾構(gòu)不同施工階段各工況下的地表沉降曲線

        對(duì)比4種工況下地表沉降的最大值可知:雙線貫通后不同施工間隔下地表沉降規(guī)律基本一致;工況1下地表的最大沉降值為18.89 mm;工況2下地表的最大沉降量為17.01 mm,較工況1 時(shí)減小了9.95%;工況3下地表的最大沉降量為16.68 mm,較工況1 時(shí)減小了11.70%;工況4下地表的最大沉降量為13.99 mm,較工況1時(shí)減小了25.93%。綜上所述,從控制地表沉降而言,建議采用工況4。

        2.3 不同掘進(jìn)參數(shù)對(duì)既有建筑物的影響

        2.3.1 掌子面頂推力

        根據(jù)2.2節(jié)所得結(jié)論,本節(jié)研究在工況4下,掌子面不同頂推力作用對(duì)盾構(gòu)隧道上方既有建筑物沉降的影響,如圖5所示。

        由圖5可知:盾構(gòu)隧道施工時(shí),掌子面頂推力的大小對(duì)地表沉降會(huì)產(chǎn)生一定的影響,地表沉降隨掌子面頂推力的增大而減??;當(dāng)頂推力為0.15 MPa時(shí),地表最大沉降值為23.21 mm;當(dāng)頂推力為0.20 MPa時(shí),地表的最大沉降值為19.8 mm;當(dāng)頂推力為0.25 MPa時(shí),地表最大沉降值為17.25 mm;當(dāng)頂推力為0.30 MPa時(shí),地表最大沉降值為14.99 mm。由此可見,掌子面頂推力越大,地表沉降值越小。同時(shí)考慮在實(shí)際施工中,若盾構(gòu)機(jī)頂推力太大,可能會(huì)引起開挖面前方的地表隆起過大,對(duì)地表既有建筑物的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生一定的影響;另一方面,若頂推力過大,盾構(gòu)機(jī)的刀盤磨損速度及程度會(huì)加快,使刀盤的切削能力降低,故本工程中建議采用0.25 MPa的頂推力。

        圖5 掌子面不同頂推力作用下的地表沉降曲線

        2.3.2 注漿壓力

        在上述研究成果的基礎(chǔ)上,考慮掌子面頂推力為0.25 MPa時(shí),不同注漿壓力下的地表沉降,其變化曲線如圖6所示。

        圖6 不同注漿壓力作用下地表沉降曲線

        由圖6可知,地表沉降值隨注漿壓力的增大而減小;當(dāng)注漿壓力為0.1 MPa時(shí),地表最大沉降值為34.54 mm;當(dāng)注漿壓力為0.2 MPa時(shí),地表最大沉降值為31.2 mm,較注漿壓力為0.1 MPa時(shí)減小了9.6%;當(dāng)注漿壓力為0.3 MPa時(shí),地表最大沉降值為23.97 mm,較注漿壓力為0.2 MPa時(shí)減小了23.2%;當(dāng)注漿壓力增大到0.4 MPa時(shí),地表最大沉降值為16.12 mm,較注漿壓力為0.3 MPa時(shí)減小了32.7%。隨著注漿壓力的增大,其對(duì)于地表的沉降控制效果也越來越顯著。但注漿壓力增大會(huì)造成漿液浪費(fèi)而導(dǎo)致成本增加,且還會(huì)引起管片上浮問題,嚴(yán)重影響施工的安全性。本工程中注漿壓力為0.3 MPa和0.4 MPa時(shí),地表沉降值均在合理范圍內(nèi),故從節(jié)約成本等角度綜合考慮,建議施工時(shí)選用0.3 MPa的注漿壓力。

        3 二次注漿對(duì)地表沉降控制效果的影響

        3.1 二次注漿數(shù)值模擬效果

        針對(duì)盾構(gòu)下穿既有建筑物區(qū)段,本文采用二次深孔加強(qiáng)注漿的措施對(duì)隧道進(jìn)行加固。采用的計(jì)算模型是在圖2的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際的加固方案,通過預(yù)先埋設(shè)的注漿管道對(duì)隧道周邊的土體進(jìn)行二次注漿。計(jì)算模型如圖7所示。

        圖7 注漿加固后的計(jì)算模型

        根據(jù)前述研究成果,模擬中采用工況4,即右線貫通后左線再行開挖的施工順序。施工時(shí),盾構(gòu)參數(shù)設(shè)置如下:掌子面頂推力為0.25 MPa、注漿壓力為0.3 MPa。在計(jì)算模擬施工過程中,同步注漿采取理想化模型,不考慮其漿液流失等問題。二次深孔注漿的漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。

        圖8為二次注漿加固前后監(jiān)測線2處的沉降對(duì)比曲線。由圖8可知,注漿加固后3條監(jiān)測線處地表的沉降變化規(guī)律與未加固時(shí)基本一致;與二次注漿加固前監(jiān)測線處的沉降槽相比,加固后上述位置沉降槽的深度與寬度均小于加固前,由此說明在盾構(gòu)隧道施工過程中,二次注漿加固對(duì)地表的沉降有明顯的控制作用。因?yàn)槎巫{加固后,隧道周圍土體的強(qiáng)度得到了有效加強(qiáng),且注漿過程中由于注漿壓力的作用,隧道周圍土層的密實(shí)度亦得到了提高,這就使土體的擾動(dòng)得到了有效抑制。

        圖8 二次注漿加固前后監(jiān)測線2處的沉降對(duì)比曲線

        二次注漿加固前右線貫通后監(jiān)測線2處的地表沉降最大值為12.93 mm,二次注漿加固后地表沉降最大值為7.89 mm,較加固前減小了38.9%;二次注漿加固前雙線貫通后地表沉降最大值為15.23 mm,二次注漿加固后地表沉降最大值為11.25 mm,較加固前減小了26.1%。由此可見,二次注漿加固后地表沉降值控制在12 mm的安全范圍以內(nèi),因此二次深孔注漿的加固效果顯著,達(dá)到了預(yù)期效果。

        3.2 地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

        將二次注漿后地表沉降的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,如圖9所示。

        圖9 二次注漿后JZ6監(jiān)測點(diǎn)c處的地表沉降模擬值與監(jiān)測值對(duì)比曲線

        由圖10所示地表監(jiān)測線2處的沉降曲線可知,其數(shù)值模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值的變化規(guī)律基本相同,呈喇叭狀開口;監(jiān)測線上地表沉降最大值出現(xiàn)在兩隧道中線附近;地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測值大于數(shù)值模擬值,這是因?yàn)槭褂糜?jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬時(shí),各種假定條件均較為理想化,且所建立的模型與實(shí)際存在差異,因此導(dǎo)致兩者的最終結(jié)果存在偏差,但總體上該偏差仍處于可接受范圍內(nèi)。

        圖10 二次注漿后監(jiān)測線2處的地表沉降模擬值與監(jiān)測值對(duì)比曲線

        4 結(jié)論

        1) 雙線盾構(gòu)隧道施工時(shí),左右兩線的施工間隔對(duì)于地表沉降有一定影響。雙線施工間隔越大,對(duì)于地表的沉降疊加效應(yīng)越小,地表的豎向變形越容易控制。故在盾構(gòu)隧道施工時(shí),選擇右線貫通后左線再行施工的方案。

        2) 隨著掌子面頂推力與注漿壓力的增大,地表的最大沉降值會(huì)相應(yīng)減小。但當(dāng)掌子面頂推力太大時(shí),不僅會(huì)引起掌子面前方地表嚴(yán)重隆起,還會(huì)使刀盤磨損更快,增加施工成本;當(dāng)注漿壓力過大時(shí),會(huì)產(chǎn)生管片上浮等不利情況。經(jīng)綜合考慮,建議施工時(shí)掌子面頂推力取0.25 MPa、注漿壓力取0.30 MPa。

        3) 對(duì)地表沉降的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),雖然現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果整體上大于數(shù)值模擬結(jié)果,但兩者間的偏差仍處于可接受范圍內(nèi),表明了數(shù)值模擬的可行性。

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