通讯作者:颜治国(1978-),男,湖南娄底人,博士,工程师,主要从事隧道与城市地下工程的研究工作.
(College of Geomatics,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China)hool of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining & Technology, Beijing 100083,China)
shield tunnel; surface settlement; excavation supporting force
备注
通讯作者:颜治国(1978-),男,湖南娄底人,博士,工程师,主要从事隧道与城市地下工程的研究工作.
以西安地铁二号线地铁隧道下穿永宁门护城河工程为依托,根据具体的工程地质和水文地质情况,利用开挖面的最小支护力原理,得出了盾构掌子面土仓内压力的安全范围,并就施工中河道内地表隆起较大的问题提出相应对策。采取在河道内堆载,并在盾构施工中合理控制土仓压力的措施,能有效控制地层变形,防止地表隆起。施工中的地层变形监测数据表明,提出的施工方案和技术措施正确可行,对未来类似条件下的隧道施工具有良好的参考价值。
Based on Xi'an Metro line two Subway Tunnel under Yong-Ning Door Moat project, according to the engineering geological and hydro-geological conditions of the excavation face, using minimal supporting force principle, the shield tunnel face support pressure within the safety range, and the authors also proposed the corresponding countermeasure of the construction of river inland surface uplift problem. Take in the channel load in shield construction, and reasonable measures to control Earth pressure, effective control of ground deformation, to prevent the surface uplift. The data of the construction of the ground deformation monitoring shows that, the construction scheme and technical measures are correct and feasible, and it would serve as a good reference for similar conditions of tunnel construction in the future.
引言
盾构隧道施工引起地表沉降不可避免,但如果采取有效措施,可以减小隧道施工引起的地表沉降值,使其控制在工程允许的范围[1-2]。根据国内外研究[3-5]表明,盾构隧道引起地表的沉降值受多方面因素的影响,其中隧道推进过程中的土仓压力大小是最终的主要影响因素,控制合理的土仓压力,保证隧道推进过程中开挖面的稳定,可以有助于降低盾构引起的地表沉降值[6-8]。
西安永宁门护城河深度约12.0 m,河岸采用浆砌片石护坡,河床底宽度约22.0 m,河床面宽度约为40.0 m,水深约2.0 m.西安地铁2号线区间隧道穿越南护城河处,拱顶覆土最小处仅仅有3.5~4.0 m,隧道施工属于薄覆土条件下进行施工。同时,永宁门护城河有过多次改造,河床以下填土、挡墙、块石等坚硬物质比较乱,不能排除个别障碍物侵入隧道范围,并且由于河床底距离隧道顶较近。
因此,针对这样的具体条件。选择合理的施工方案,并采取有效的技术措施,达到施工的安全、快速、经济具有十分重要的意义。
1 施工技术方案的分析
进一步,由工程勘察资料知,盾构下穿护城河段的地质情况依次为:杂填土、1-2Ⅱ素填土、新黄土; 3-2古土壤。4-1Ⅲ老黄土、4-4Ⅲ粉质粘土。受护城河的影响,该段地层内水位埋深较浅,位于地表以下6.0~10.0 m,水位标高在隧道顶部以上3.0~6.0 m,对盾构施工有较大的影响。盾构隧道与护城河的关系,如图1所示。根据地质勘察报告[9],各层土的物理力学性质参数见表1.
基于地铁2号线钟楼-永宁门区间隧道穿越护城河条件的特殊性,以及采用日本小松PMX614TM土压平衡盾构施工的具体情况,就如何保证穿越护城河隧道区段施工的顺利完成,进行了专门研究,提出了各种施工技术方法,可供选择的技术方案有
1)采用明挖法施工通过护城河。这一方法不涉及复杂的技术,但首先需要在护城河内修建临时围堰拦水,并将隧道涉及的河段内水抽干,同时施工还会对周围环境造成更大的影响,南门的实际地面条件难以满足施工要求; 其次,还需要进行降水施工,以保证明挖施工的正常进行; 再就是,盾构隧道需要采用空推方式通过河段,将增加盾构施工的技术难度复杂性和工程量; 最后,采用这一施工方案需要将河段施工完成后,方可进行盾构空推通过河段,因此将延长工程的施工工期。可见,在整个车站区间隧道采用盾构施工的情况下,采用明挖法施工通过护城河存在不少缺陷,不应该是优先采用的方法。
2)采用浅埋暗挖法通过护城河。这种方法即是事先在河段对上覆地层进行一次穿越护城河的长管棚支护,然后在管棚的保护下进行隧道的开挖和支护,完成隧道施工。这一方法虽然可以较上一方法减少对施工环境的影响,但需要创造出进行长(不小于40 m)管棚施工的条件,增加施工工程量和施工难度,其次,也需要修建临时河坝,以便将施工影响河道区段内的水排除,并实施地层降水,以利于长管棚施工和保证后续隧道的暗挖无水施工条件。这显然也是复杂的,同样会拖延工程工期,并增加工程造价,由于工程面临的具体条件,其降水或堵水有很大难度,并存在一定的施工安全风险。因此,这也是值得商榷的方法。
3)盾构法通过护城河。沿用整个工程区段的施工方法——盾构法通过护城河,这样不改变施工方法,大大减少了施工技术及管理的复杂性,有利于加快工程进度,保证工程按期完工,但采用盾构法施工隧道穿越护城河,由于护城河段上覆地层厚度小,当盾构在土层中推进时,开挖面推进力的作用,将会造成隧道上覆地层的隆起,如果不能得到很好控制,将会破坏隧道上方的河床,因而引起隧道施工后期河床的较大下沉,以及隧道防水的困难。可见,这一方法虽有较多优点,但这一方法有较高的技术要求。
经过反复的技术论证,最后认为用盾构法施工隧道穿越护城河最为合理。
2 隧道盾构施工掌子面稳定分析
采用盾构法进行隧道穿越护城河时,设法降低盾构推进造成的河床隆起和后续的河床沉降就成了技术关键。基于这样的工程要求,同时也为今后穿越护城河的地铁线路隧道施工积累经验,结合盾构施工开挖面稳定的原理,当隧道上覆土层较薄时,提出了在河道内堆载,增加隧道上方地层来抵抗盾构推进力引起地层上浮、隆起的能力,充分减少盾构通过河道时的河床隆起,有效保护河床稳定,从而保证隧道穿越护城河的施工顺利完成。
盾构推进过程中,为了保持开挖面土体稳定,需要对土仓压力进行控制。要求土仓压力必须维持在开挖面土体不发生下滑失稳的压力值(盾构最小推进力)和开挖面不发生向上滑移,使隧道开挖面前方上覆土层隆起的压力(盾构最大推进力)之间。而且,由盾构对小推进力和最大推进力的计算表达式知,这两个力均随隧道埋深的减小而减小,隧道埋深越小,两者的差值越小。
另一方面,为了使盾构机能正常切入土层、破土、向前推进,必须保证一定对开挖面的推进力,当因为隧道埋深很小,不能使这一推进力处在对大推进力和最小推进力之间,而是大于最大推进力,则必然造成隧道上覆地表的隆起。地铁2号线隧道施工通过护城河时,出现了这样的情况,为此采取了在河道内堆填沙袋,增加上覆土层压力的方法。这相当于增大隧道上覆土层厚度,隧道埋深增加。
根据盾构隧道引起地表变形的研究已有的成果,盾构隧道施工引起上覆土层变形、移动、破坏的三维筒仓楔形体理论[6-7](图2所示),结合土体滑移破坏的莫尔库伦准则[8],可以推得保持盾构推进过程开挖面稳定的土仓压力合理值范围。
图2,取圆形开挖面的直径与正方形的宽度D相等,于是有各面的面积S为[7]">图2,取圆形开挖面的直径与正方形的宽度D相等,于是有各面的面积S为[7]"/>图2 三维筒仓楔形体模型
Fig.2 Three dimensional silo wedge model由图2,取圆形开挖面的直径与正方形的宽度D相等,于是有各面的面积S为[7]进一步,可推得盾构推进过程中,保持开挖面稳定的合理土仓压力范围。对于浅覆地层施工,为防止地面产生隆起,要求隧道上覆地层应力必须能够盾构推进所要求的土仓最小支护压力。如果定义土仓最小压力定义为,维持开挖面不发生下滑破坏的最小压力值,根据土仓楔形体滑动的趋势推得开挖面中心处的土仓支护应力σp为
式中 γ为土体重度,kN/m3; φ为土的内摩擦角; c为土的内聚力,kPa; K为侧向压力系数,一般地,良好地层在0.4~0.5取值,软弱地层在0.5~0.7之间取值; p为土仓支护总力,MN; D为隧道直径,m; σV为按太沙基松动土压力计算的土压力值,kPa;(-overω)为破坏角。
由式(2)知,在特定条件下,σV,D,γ,c,φ,K均为定值,σp仅与潜在滑动面倾角(-overω)有关,通过导数运算(dσp)/(d(-overω))=0,可求得使土仓支护应力达到极小值的倾角(-overω)值,将其代入式(2),即可得到σp的最小值。但是这样的计算既复杂,而且计算量很大。工程中,可采用近似的方法求出最小支护土仓压力值,这时,可取(-overω)=π/4-φ/2.由此有
根据控制地表沉降的合理支护力分析,需要设法增加上覆土层重量,以平衡盾构推进引起的土层上滑力,于是,决定盾构推进前在河床实施堆载,堆载提供的地层土压力必须满足盾构推进时需要的最小推进力,并留有富余。据此,结合护城河区域隧道上覆底层的土体物理力学性能参数,经分析估算出隧道盾构施工通过护城河时,河道内的堆载高度和堆载宽度,如图3,图4所示。堆载在整个河道宽度进行,以隧道轴线为中心,向两边对称堆载,达到堆载高度后,经过一段时间的稳定和土体固结,便可开始盾构推进了。
此外,盾构穿越护城河前,对护城河的加固保护措施,分为盾构通过前的预加固措施和盾构下穿时采取的辅助施工措施。在隧道穿越位置东、西两侧筑起挡水围堰,同时预埋钢管(进行河水导流),然后抽干围堰内水体,清除影响范围内河床下的碎石、垃圾、污泥等杂物,再在隧道上方隧道外边缘左右各3 m范围内的河床堆积沙袋,以保证堆填沙袋作用的有效性,用沙袋的附加荷载平衡盾构推进时的泥土压力。
盾构通过护城河段后,再分步、分段撤离堆载,恢复河底原貌。
3 施工监测及结果分析
为了检验在护城河内堆载的实施效果,实现隧道盾构施工顺利通过护城河的有效性和可靠性,施工中在隧道上方河道内布置监测点,对施工过程中的河床垂直位移进行监测。图5所示,一共在与盾构隧道基本垂直方向共设置了6条监测线,在护城河两岸护坡脚下设置了2条,河床中央部分设置了4条监测线。
盾构施工穿越护城河段共施工6 d,盾构前进速度保持均匀,各监测点的持续6 d读取数据,测量结果如图6所示。
图6 盾构通过时的河床垂直位移监测结果
Fig.6 The vertical displacement monitoring results of the shield through the riverbed由图6可知,盾构通过时,引起的河床垂直位移范围为+8~-20 mm,最大隆起值为8 mm,最大沉降值为-20 mm.由于护城河床底部采取的压载措施,对平衡盾构推力、抑制隆起变形起到了极大的作用,因此,河床的沉降值得到了有效控制,取得很好的施工效果,说明这一方法是可靠的,所确定的堆载参数是合理的,对未来类似工程施工具有一定的参考价值。
盾构推进期间,隧道正上方荷载压重,隆起值较小,但对于压重面积以外地区,产生了近10 mm的隆起值,说明压重范围应适当扩大。同时应提到,施工中加强盾构推力的控制也对减少河床沉降起到了重要作用。在适当盾构推力和压重影响下,盾构机穿越护城河期间始终以沉降为主,但由于盾构推力在地层中的扩散作用,导致盾构机到达前变形以隆起为主。另外,从监测点变形辩护趋势来看,盾构机离开时,沉降已趋于稳定。
因此,河底隧道上方中心位置用沙袋进行了堆载,并及时调整盾构推力,使护城河底沉降在工程允许范围,很好地满足了工程要求。
4 结束语
通过西安地铁二号线地铁盾构下穿永宁门护城河的浅覆地层施工监测数据反馈,运用最小支护力的理论研究穿越护城河的施工方案具有重要的实践意义。但是单一盾构控制参数还不足以对整个盾构施工效果作出评价,在以后的研究中会对多个参数进行详细研究。
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