盾構(gòu)法施工引起地面沉降原因分析及防治措施

質(zhì)構(gòu)法施匸引起地而沉降原因分析及控制方法質(zhì)構(gòu)法施匸引起地而沉降原因分析及控制方法進(jìn)入21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(kāi)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H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一?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)程中引起的地而沉降問(wèn)題展開(kāi)討論，分析產(chǎn)生的原因及尋找控制方法。一，地而沉降產(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?五個(gè)階段:最初的沉降、開(kāi)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1所示。Si地菌沉障歷時(shí)曲銭第一階段:最初的沉降。該壓縮、固結(jié)沉降是因?yàn)榈鼗行细餐翆雍穸仍黾佣a(chǎn)生的沉降，也是盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)時(shí)因?yàn)榈叵滤唤档驮斐傻?。指從盾?gòu)開(kāi)挖面距地面沉降觀測(cè)點(diǎn)還有一定距離（約3-12m）的時(shí)候開(kāi)始，直至開(kāi)挖而到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)這段時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的沉的大小。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、覆土厚度的影響地而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，從而使得最大地而沉降值減小。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(kāi)挖中，某一段固定長(zhǎng)度內(nèi)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)壓力的影響掌子而頂進(jìn)壓力即盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)切削刀盤(pán)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，警戒值被前方土體隆起超過(guò)是巾頂進(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而頂進(jìn)壓力的增大下略微增大，而它在一般工況下掌子而頂進(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(kāi)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(kāi)，土質(zhì)情況較好的區(qū)域應(yīng)優(yōu)先放在考慮的位置。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：①周H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；⑦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:③刀盤(pán)開(kāi)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(pán)在切削土體時(shí)增大了開(kāi)挖而前方受擾動(dòng)土體的范S：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，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、地而沉降的控制方法Is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)周圉地層及地而的影響最小，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(kāi)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(pán)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.地而荷載設(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。首100m試推進(jìn)。其目的是摸索掌握規(guī)律，選取確定最佳掘進(jìn)參數(shù)，指導(dǎo)全線施工。首100m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40m,在路面或建筑群下。這是正式掘進(jìn)的準(zhǔn)備階段，通過(guò)木區(qū)段的掘進(jìn)，對(duì)地面沉降?隧道軸線控制?襯砌安裝質(zhì)量等基木有了各項(xiàng)控制措施，施工參數(shù)也基木掌握，能利用信息反饋指導(dǎo)施工。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1.5DMl(D為盾構(gòu)機(jī)外徑，H為盾構(gòu)中心至地而高度)范M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)前方地而沉降監(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)前的地而沉降量在負(fù)沉陷0-2mm,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)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)不及排岀，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5errdmin以內(nèi)。同步注漿。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３Ｒ?guī)下漿液性質(zhì)可用稠度值控制，取值范圍為20?5-11?0,每次拌漿必做測(cè)試,不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)不準(zhǔn)下料。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?chē)翆釉斐膳?，管片外的土層將?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?2rOh(rO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5-6X105Pa為佳,可見(jiàn)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。壓漿位置。注漿壓力一般取5~6X105Pa,其對(duì)管片產(chǎn)生的推力可達(dá)到5O~60t/m2,選擇好分布于盾尾外殼6根漿管的壓漿位足以使“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)。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卜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)于地而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。張?jiān)贫軜?gòu)法隧道的位移反分析及其工程應(yīng)用;張?jiān)贫軜?gòu)法隧道的位移反分析及其工程應(yīng)用;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(kāi)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漏。⑴糾偏。廣州地鐵施工的區(qū)間隧道有平面曲線及豎曲線個(gè)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(kāi)挖出的橫斷而呈橢圓形，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6440mmo隧道初砌外徑為6I00ram。經(jīng)計(jì)算可知,每增加0.1□的糾偏角，就會(huì)產(chǎn)生0.2%的附加體積損失，如果一次糾偏為0.8。，則附加體積損失在L52%,這將使地表沉降增大約33%o糾偏方法:調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)各區(qū)域千斤頂油泵壓力，或仲長(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?chē)貙涌紫端魇?，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耍的。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，另外嵌縫防水是管片的輔助防水線。三