精品盾構(gòu)法施工引起地面沉降原因分析及防治措施

1、-盾構(gòu)法施工引起地面沉降原因分析及控制方法進(jìn)入2 1 世紀(jì),世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展使城市化建設(shè)得到了大幅度 的提速。目前， 人口不斷地向城市聚集，使城市人口和建筑的密集度 快速上升，造成能被利用的地面空間越來(lái)越少，因此 , 當(dāng)今城市現(xiàn)代 化建設(shè)的重要課題之一便是開發(fā)地下空間， 為人類創(chuàng)造價(jià)值。 但各種 用途的管線被布置在地下,這便產(chǎn)生了在地下工程施工背景下的一種 最佳方法盾構(gòu)法。 盾構(gòu)法施工雖然優(yōu)點(diǎn)頗多， 但是也存在諸多問(wèn) 題。本文就盾構(gòu)法施工過(guò)程中引起的地面沉降問(wèn)題展開討論 ,分析產(chǎn) 生的原因及尋找控制方法。一,地面沉降產(chǎn)生原因1、地層隆沉的發(fā)展過(guò)程盾構(gòu)推進(jìn)引起的地面沉降包括五個(gè)階段:最初的沉降

2、、開挖面前方的沉降、 盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過(guò)時(shí)沉降、 盾尾空隙的沉降以及最終固結(jié)沉降,如圖l所示。第一階段:最初的沉降。該壓縮、固結(jié)沉降是因?yàn)榈鼗行细?土層厚度增加而產(chǎn)生的沉降， 也是盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)時(shí)因?yàn)榈叵滤?降低造成的。指從盾構(gòu)開挖面距地面沉降觀測(cè)點(diǎn)還有一定距離 (約 312m)的時(shí)候開始 ,直至開挖面到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)這段時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的沉-降。第二階段：開挖面前方的沉降(或隆起)。這種地基塑性變形是由 土體應(yīng)力釋放、 開挖面的反向土壓力、 或機(jī)身周圍的摩擦力等作用而 產(chǎn)生的。它是從開挖面距觀測(cè)點(diǎn)約幾米時(shí)開始至觀測(cè)點(diǎn)處于開挖面正 上方這段時(shí)間所產(chǎn)生的沉降(或隆起)。第三階段:盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過(guò)時(shí)沉降。 該沉降

3、是在土體的擾動(dòng)下,從盾構(gòu)機(jī)的開挖面到達(dá)測(cè)點(diǎn)的正下方開始 到盾構(gòu)機(jī)尾部通過(guò)沉降觀測(cè)點(diǎn)該段時(shí)期產(chǎn)生的沉降(或隆起)。第四階 段:盾尾空隙沉降。該沉降產(chǎn)生于盾尾經(jīng)過(guò)沉降觀測(cè)點(diǎn)正下方之后。 土的密實(shí)度下降，應(yīng)力釋放是其土力學(xué)上的表現(xiàn)。第五階段：固結(jié)沉 降,它是一種由地基擾動(dòng)所產(chǎn)生的殘余變形沉降。經(jīng)前人研究發(fā)現(xiàn)， 第一階段沉降占總沉降的 04 .5%，第二階段沉降占總沉降的044%,第三階段沉降占總沉降的 1 520%,第四階段沉降占總沉降的 2030%，第 5 階段沉降占總沉降的 5 3 0。2、地表沉降的因素影響分析該因素影響分析的平臺(tái)是當(dāng)前使用較為廣泛的大型三維有限元 分析軟件 ANSYS，盾構(gòu)開

4、挖面掘進(jìn)引起的地表沉降的客觀因素包括 盾構(gòu)直徑、土體剛度、隧道埋深、施工狀況等設(shè)計(jì)條件 ;而其主觀因 素包含施工管理、盾構(gòu)機(jī)的選用形式、盾尾注漿、輔助施工方法等。 下面對(duì)盾尾同步注漿、覆土厚度、管片寬度、掌子面頂進(jìn)壓力、土體 彈性模量和盾構(gòu)直徑六個(gè)方面的因素進(jìn)行分析。2 .1、盾尾注漿壓力的影響地表沉降會(huì)受到盾構(gòu)機(jī)尾部注漿壓力的影響， 且影響較大。 本文 在 ANSYS 中通過(guò)設(shè)置不同的盾尾注漿壓力參數(shù)值來(lái)研究其影響程度-的大小。通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn):最大地面沉降隨注漿壓力的增加而減小。 我們知道,壓力過(guò)小使得漿液不能將盾尾空隙充填完全，過(guò)大會(huì)造成 漿液的流動(dòng)性較差， 主要是因?yàn)楫?dāng)盾尾脫空時(shí)， 土

5、體釋放的大部分荷 載被注漿壓力抵消,注漿壓力越大,漿體越能阻礙襯砌上方土體的徑向 位移，同時(shí)盾尾空隙也越能被充填完全,受到的作用也越大。2.2、覆土厚度的影響地面沉降的因素很大一部分也歸結(jié)于覆土厚度 ,在盾構(gòu)機(jī)直徑不 變,而覆土厚度不同的情況下 ,通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn) :最大地面沉降隨覆 土厚度的增加而減小。也可以從計(jì)算結(jié)果得出一點(diǎn)幫助 :在地層條件 允許的情況下， 加大隧道設(shè)計(jì)埋深對(duì)減小地面沉降來(lái)說(shuō)是一條有效的 措施。原因在于： 覆土厚度在地層損失相同時(shí)越大的話，沉降槽的范 圍也會(huì)相應(yīng)的增大,從而使得最大地面沉降值減小。2 .3、管片寬度對(duì)地表沉降的影響在地鐵隧道盾構(gòu)法開挖中， 某一段固定長(zhǎng)度內(nèi)

6、管片的整體剛度是 受到襯砌管片的寬度影響的 ,也就是說(shuō)管片抵抗外界變形的能力與寬 度息息相關(guān)。本文在建模中取了不等的管片寬度來(lái)比較該因素是如何 影響沉降的,計(jì)算表明,地表沉降最小的情況是發(fā)生在管片寬度越大的 時(shí)候。究其地層變位更小的原因 ,如下：特定長(zhǎng)度內(nèi)的管片之間形成 的縫隙數(shù)量在寬度大的盾構(gòu)管片時(shí)相對(duì)來(lái)說(shuō)就少， 此時(shí)縫隙的總寬度 也就更小,致使抵抗外界變形的能力就更強(qiáng),整體的剛度也就更大。2.4、掌子面頂進(jìn)壓力的影響掌子面頂進(jìn)壓力即盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)切削刀盤對(duì)隧道前方土體的作用-力，在模型中將其取不同的值來(lái)反映對(duì)地表沉降的影響， 但要保證前 方水土壓力之和不大于掌子面項(xiàng)進(jìn)壓力的值， 警戒值被前方土

7、體隆起 超過(guò)是由頂進(jìn)壓力值過(guò)大造成的。 模擬后發(fā)現(xiàn)， 地表累計(jì)沉降值變化 量在掌子面頂進(jìn)壓力的增大下略微增大， 而它在一般工況下掌子面頂 進(jìn)壓力改變時(shí)變化較小。2.5、土體彈性模量對(duì)地表沉降的影響土體受擾動(dòng)時(shí)抵抗變形的能力體現(xiàn)在土體的彈性模量上 ,在隧道 開挖時(shí)對(duì)地表沉降總和的貢獻(xiàn)很大,為了比較其對(duì)地表沉降的影響,在 模型中設(shè)定了不同的土體彈性模量來(lái)查看對(duì)比結(jié)果。通過(guò)模擬分析得 知當(dāng)提高土體彈性模量時(shí),提高了土體抵抗變形的能力，即增大了土 體的剛度，結(jié)果導(dǎo)致最大地面沉降量相應(yīng)的減小, 因此,要保證土體不 發(fā)生過(guò)大變形，在選擇盾構(gòu)掘路線時(shí)，軟土層的地帶應(yīng)避開 ,土質(zhì)情 況較好的區(qū)域應(yīng)優(yōu)先放在考慮

8、的位置。2 .6、盾構(gòu)直徑對(duì)地表沉降的影響其它的因素值保持不變,分別改變盾構(gòu)直徑的大小來(lái)進(jìn)行研究。 經(jīng)模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)盾構(gòu)直徑增大時(shí),最大地面沉降值是不斷增大的。 這是由于： 周圍土體會(huì)受到盾構(gòu)機(jī)軀體在掘進(jìn)前行過(guò)程中對(duì)其產(chǎn)生 的擾動(dòng),并且軀體越大,擾動(dòng)越大；在施工過(guò)程中,盾構(gòu)直徑越大意味 著盾尾建筑空隙越大， 增大了地層損失， 導(dǎo)致被挖去的土體也就越多， 要達(dá)到阻止地層產(chǎn)生更大的位移的目的 ,就須及時(shí)將漿體注入到盾尾 空隙中:刀盤開挖半徑越大是由越大的盾構(gòu)直徑所致, 因此在盾構(gòu)機(jī) 的刀盤在切削土體時(shí)增大了開挖面前方受擾動(dòng)土體的范圍： 從分析得-知，在條件允許的情況下， 要達(dá)到減少土體變位的目的

9、，應(yīng)在盾構(gòu)機(jī) 選型時(shí)盡量選用相對(duì)較小直徑的盾構(gòu)機(jī)。二、地面沉降的控制方法1、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)最佳盾構(gòu)推進(jìn)是指盾構(gòu)推進(jìn)中對(duì)周圍地層及地面的影響最小 ,表 現(xiàn)在地層的強(qiáng)度下降小、受到擾動(dòng)小、超孔隙水壓小、地面隆沉小以 及盾尾脫開后的實(shí)沉幅度小 ,這些理想指標(biāo)也是盾構(gòu)施工中控制地面 沉降、 保護(hù)環(huán)境的首要條件和治本辦法。 要達(dá)到這一理想狀態(tài)必須對(duì) 推進(jìn)中的參數(shù)即對(duì)刀盤油壓、土艙壓力、推進(jìn)速度、壓漿壓力、壓漿 量、盾構(gòu)坡度、 盾構(gòu)姿態(tài)及管片拼裝作分析。 對(duì)隧道上復(fù)土地質(zhì)條件、 地面荷載設(shè)計(jì)坡度及轉(zhuǎn)彎半徑、軸線偏差及盾構(gòu)姿態(tài)等選取合理的參 量，以指導(dǎo)施工。(1)首1 00m試推進(jìn)。其目的是摸索掌握規(guī)律,選取

10、確定最佳掘進(jìn) 參數(shù)，指導(dǎo)全線施工。首 1 00m試推進(jìn)又可根據(jù)沿線地形地貌條件 劃分為3個(gè)區(qū)段:第 1 區(qū)段為 30m，在施工場(chǎng)地內(nèi),屬最初掘進(jìn),是對(duì)各 項(xiàng)推進(jìn)參數(shù)的摸索階段，推進(jìn)中設(shè)定 3 組不同的施工參數(shù)進(jìn)行試掘 進(jìn)，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)的反饋,摸索地層變化軸線控制的規(guī)律。第 2 區(qū)段 為30m,在路面或人行道下。根據(jù)地面條件、建筑物及地下管線情況, 對(duì)上一階段試設(shè)定的 3 組參數(shù)作慎密調(diào)整以取得最佳參數(shù)。第 3 區(qū)段 為 4 0m，在路面或建筑群下。這是正式掘進(jìn)的準(zhǔn)備階段，通過(guò)本區(qū) 段的掘進(jìn)，對(duì)地面沉降、隧道軸線控制、襯砌安裝質(zhì)量等基本有了各 項(xiàng)控制措施,施工參數(shù)也基本掌握，能利用信息反饋指導(dǎo)施

11、工。-(2)前艙壓力設(shè)定。應(yīng)隨隧道上復(fù)土厚度的變化而變化,但如單憑 理論土壓來(lái)設(shè)定前艙壓力顯然是不合適的。另外 ,盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部的土壓 傳感器和自動(dòng)模式控制器存在系統(tǒng)誤差 ,所以在掘進(jìn)中有必要將土壓 力設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)機(jī)切口前方 1.5D 十H (D 為盾構(gòu)機(jī)外徑，H為盾構(gòu)中心至地面高度)范圍內(nèi)地面的沉降情 況與土壓力設(shè)定值密切相關(guān) ,所以盾構(gòu)前方地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果可直接 反映土壓力設(shè)定值與自然土壓力的吻合程度。在實(shí)際的施工中,可控制盾構(gòu)機(jī)前的地面沉降量在負(fù)沉陷0 2m m,如負(fù)沉降過(guò)大則應(yīng)適當(dāng)調(diào)低壓力設(shè)定值， 如發(fā)生正沉降則應(yīng)適當(dāng)調(diào) 高土壓力設(shè)定值。合理設(shè)定土壓力控制值的同時(shí)

12、應(yīng)限制掘進(jìn)速度 ,如 掘進(jìn)速度過(guò)快，螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)值達(dá)到極限 ,密封艙內(nèi)土體來(lái)不 及排出,會(huì)造成土壓力設(shè)定失控。所以應(yīng)根據(jù)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速控制最 高掘進(jìn)速度，一般控制在5 er r dmin 以內(nèi)。(3)同步注漿。(1)合理配比的漿料。目前廣州地鐵土壓力平衡式盾構(gòu)采用的是隋 性漿液, 由黃砂、粉煤灰、膨潤(rùn)土加水經(jīng)合理配比、充分?jǐn)嚢瓒伞?常規(guī)下漿液性質(zhì)可用稠度值控制,取值范圍為 20511.0，每次拌 漿必做測(cè)試,不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)不準(zhǔn)下料。(2)注漿壓力。同步注漿壓力，從理論上只需使?jié){液壓人口的壓 力大于該處水土壓力之和， 即能使建筑空隙得到足夠充盈。 壓漿壓力 不能太大,否則會(huì)對(duì)周圍土層造成劈裂,

13、管片外的土層將會(huì)被漿液擾動(dòng) 而造成較大的后期沉降及隧道本身的沉降。初始掘進(jìn)階段, 曾按 1 2-r 0h (r0 為土密度， h 為隧道上復(fù)土厚度)設(shè)定注漿壓力, 以此摸索最 佳參量， 實(shí)踐表明該壓力根本無(wú)法確保漿液全部壓入， 合適的注漿壓 力應(yīng)視隧道的不同埋深, 以 561 05Pa 為佳,可見實(shí)踐與理論計(jì)算 有較大差距。究其原因，一是漿液管道造成壓力損失 ,二是實(shí)際注漿 量大于理論注漿量。(3)壓漿位置。注漿壓力一般取 561 05Pa,其對(duì)管片產(chǎn)生的 推力可達(dá)到5060tm2 ,選擇好分布于盾尾外殼6 根漿管的壓漿位 置，足以使“飄浮”于漿液的隧道尾端產(chǎn)生位移，這樣 ,一可改善隧 道軸線

14、原有的偏差,二可改善因管片與盾尾卡殼，不能自若糾偏的狀 況(以不影響地層變化為前提)。(4)跟蹤注漿。從廣州地鐵盾構(gòu)施工的地面沉降觀測(cè)資料可知 , 盾構(gòu)施工后期沉降(盾尾后 3D 十H= 19 . 02m 范圍外)沉降發(fā)展速度 雖然較慢，但其累計(jì)值還是相當(dāng)可觀的，占到總沉降量的 50%左右。 后期沉降主要是土體的固結(jié)沉降造成。對(duì)于地面有較重要的建筑物來(lái) 說(shuō)，利用跟蹤壓注固結(jié)漿液的方法來(lái)控制后期沉降 ,是一種效果良好 且必須的手段。2、糾偏與襯砌接縫防水盾構(gòu)法隧道施工引起地表沉降的根本原因是開挖面引起的土體 損失與地層的再固結(jié)。引起地層損失的原因之一為糾偏 , 引起地層再 固結(jié)的原因之一為接縫滲

15、漏。(1)糾偏。廣州地鐵施工的區(qū)間隧道有平面曲線及豎曲線, 因此盾 構(gòu)推進(jìn)時(shí)控制運(yùn)力， 以使其推進(jìn)軌跡與設(shè)計(jì)軸線保持一致。 由于地層-的不均勻、管片制作誤差及施工操作的差異 ,直線推進(jìn)的隧道會(huì)產(chǎn)生 推進(jìn)軸線偏差，須進(jìn)行糾偏，盾構(gòu)與隧道軸線之間形成一微小夾角， 這樣盾構(gòu)開挖出的橫斷面呈橢圓形， 其面積大于圓形斷面而產(chǎn)生附加 的體積損失。目前廣州地鐵土壓平衡式施工所使用的盾構(gòu)外徑為 6240mm，長(zhǎng)為 6440mm。隧道初砌外徑為 6 1 00 ram。經(jīng)計(jì)算可 知,每增加0 1。的糾偏角，就會(huì)產(chǎn)生02的附加體積損失，如果 一次糾偏為 0.8，則附加體積損失在 1. 52%，這將使地表沉降增大 約 33%。糾偏方法:調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)各區(qū)域千斤頂油泵壓力 ,或伸長(zhǎng)(縮短)某 一區(qū)域千斤頂行程， 改變盾構(gòu)姿態(tài)并選擇合理注漿位置與壓漿量， 以 達(dá)到糾偏目的。需要注意的是一次糾偏量不宜過(guò)大， 糾偏應(yīng)做到合理， 使盾構(gòu)糾偏軸線和順，有利于施工及隧道的使用要求。(2)襯砌接縫防水。接縫漏水使隧道周圍地層孔隙水流失 ,土體有 效應(yīng)力增加, 引起地層再壓縮固結(jié),從而引起地表沉降。因此,施工中有 效地控制襯砌接縫的防水抗?jié)B不僅是使用功能上的需要 ,對(duì)于地面沉 降控制也是十分必要的。 防水措施可采取在襯砌接縫處設(shè)氯丁橡膠與 遇水膨脹橡膠復(fù)合而成的彈性密封墊 ,另外嵌