盾构近接既有隧道施工地层变形规律研究
0 引言
隧道施工过程中不可避免地引起地层变形, 并对既有隧道结构产生损坏。因此, 必须研究新建隧道近接既有隧道施工时的地层变形规律, 进而控制地层变形。目前, 对于盾构隧道施工引起的地层位移国内外已开展众多研究, 经验法以Peck
由于实际工程中对地层空间变位的监测较难实现, 因此, 国内外学者对此方面的研究较少。由于盾构施工引起的周围地层变形呈现动态变化, 为更全面形象地总结盾构施工对地层变形的影响, 通过现场试验进行研究。以长沙市轨道交通4号线阜碧区间 (阜埠河站—碧沙湖站区间) 盾构隧道近接南湖路隧道施工项目为依托, 在左线里程ZDK31+800.621处设置监测断面, 对左线里程ZDK31+700.621—ZDK31+900.621段进行现场监测, 得到盾构掘进过程中的地层位移情况, 并在此基础上总结地铁盾构隧道近接既有隧道施工时引起的地层变形规律。
1 工程概况
阜碧区间西起阜埠河站, 沿阜埠河路展布, 在里程YCK31+700.000—YCK32+850.000段横穿湘江, 东至碧沙湖站。本区间设计里程为YDK31+162.700 (ZDK31+203.200) —YDK32+931.275 (ZDK32+917.436) , 区间左线长1 714.236m, 短链长13.839m, 右线长1 768.575m。采用2台6 250mm土压平衡式盾构机施工, 先后从碧沙湖站始发, 下穿湘江后到达阜埠河路站吊出。
本区间主要位于湘江两侧Ⅰ级冲积阶地及湘江河床地貌单元, 场地第四系覆盖层厚2.00～27.80m, 下伏基岩为白垩系砾岩、泥盆系砂岩, 属较碎～较完整岩体。隧道过江段地层主要为强风化砾岩 (天然抗压强度1.04～2.94MPa) 、局部存在中风化砾岩 (天然抗压强度3.17～12.57MPa) 。过江段隧道洞身处于强、中风化砾岩中, 裂隙水不发育, 水量较小, 透水性差。中间夹持土层为强风化砾岩。区间左、右线分别于里程ZDK31+829.664, YDK31+800.621处下穿南湖路隧道主线, 净距分别为5.347, 7.109m。
2 现场监测方案
2.1 监测断面设置
阜碧区间隧道左右线轴线间距13m, 右线隧道先于左线掘进30d左右, 考虑既有隧道的存在, 结合现场施工进度及测点布置情况, 将监测断面设在左线里程ZDK31+800.621处, 并垂直于掘进方向, 在该断面横向等距 (间距6.5m) 布置5个测点。从右至左依次为DB-1～DB-5测点, DB-1, DB-3测点分别位于南湖路隧道、盾构左线轴线正上方。根据盾构隧道与南湖路隧道剖面位置关系, 将联合测试管深度依次设置为6, 36, 26, 36, 36m。
2.2 监测方法
现场试验时在地面打孔布置测试管, 联合测试管每段管身长2m, 利用连接筒进行无缝连接, 每隔2m安装沉降磁环。利用管身倾斜值进行水平位移监测, 利用沉降磁环沉降值进行竖向位移监测。
3 试验结果分析
3.1 地表沉降
图1所示为DB-1～DB-5测点在盾构机掘进至不同里程时的沉降曲线 (图中负值表示盾构开挖面未到达监测断面时二者的距离, 正值表示盾构开挖面超过监测断面时二者的距离, 下文同) 。由图1可知, 盾构隧道 (位于DB-3正下方) 开挖后, 地表竖向变形基本表现为沉降, 隧道正上方沉降值最大, 距离隧道轴线越远沉降越小, 平面上形成“沉降槽”状。
图1 地表沉降曲线
Fig.1 The settlement curves of ground
当开挖面距监测断面-60～-9m时, 地表沉降数值较小;当开挖面距监测断面-9～9m时, 地表出现大幅度沉降;当开挖面距监测断面9～450m时, 地表沉降逐渐趋于稳定, 出现固结变形, 但变形较小, 部分点位沉降有所回升。DB-3 (沉降值最大) 在开挖面距监测断面-9～0m时, 沉降值由-1.695mm增至-4.025mm;在开挖面距监测断面0～9m时, 沉降值由-4.025mm增至-5.469mm;稳定后的沉降值出现在开挖面距监测断面60m时, 此时固结变形增量较小, 沉降值最终为-5.875mm。
DB-4, DB-5 (隧道右侧土体) 在同一掘进里程的沉降值较DB-1, DB-2 (隧道左侧赋存既有隧道) 大。由此可知, 既有南湖路隧道对新建隧道开挖引起的地面变形有所影响, 对于左侧土体变形具有一定抑制作用, 使其小于右侧相应位置的变形。
3.2 地表水平变形
DB-1～DB-5测点在盾构机掘进至不同里程时的水平变形曲线如图2所示。由图2可知, DB-1～DB-3水平变形为正, DB-4～DB-5水平变形为负, 均向隧道中心收敛, 其中DB-1和DB-5收敛值较大, DB-2和DB-4收敛值较小。
图2 地表水平变形曲线
Fig.2 The horizontal deformation curves of ground
与地表沉降规律相同, 隧道两侧地表水平变形不同, 右侧DB-4和DB-5水平收敛值大于左侧DB-1和DB-2, 说明右侧地表受下部盾构隧道开挖影响大, 也说明既有隧道对新建隧道开挖引起的地表水平位移存在抑制作用。
3.3 深层土体沉降
为观测深层土体沉降, 取代表性深度2, 14, 26m进行分析, 盾构机掘进至不同里程时不同深度土体沉降曲线如图3所示。为区别地表沉降测点, 将深层土体测点自右至左依次记为CX-1～CX-5, 监测位置同DB-1～DB-5。
由图3可知, 隧道正上方测点沉降随着掘进的进行不断增大, 变形稳定后出现部分隆起, 说明靠近盾构隧道的深层土体受隆起力作用, 且随着掘进的进行该作用越来越明显, 可能由于施工过程中土仓压力与注浆压力的影响, 使得隧道附近较深土体受到抬升作用。
对比CX-2, CX-4沉降曲线可知, 隧道两侧土体几乎同时在同一深度处出现抬升, 与前述规律符合。当出现沉降时, CX-2沉降值小于CX-4;当出现抬升时, CX-2抬升值小于CX-4, 说明既有隧道对新建隧道沉降及抬升具有一定抵抗作用, 即对土体变形具有一定影响。
由掘进至ZDK31+761.000时的土体沉降曲线可知, 沉降曲线基本呈“沉降槽”状, 但不同深度形状有所区别, 深度越深曲线越“窄深”, 即隧道正上方土体沉降变化幅度大、两侧土体沉降变化幅度小。同时, 两侧土体受注浆压力抬升作用更明显, 距离越近所受影响越大。
3.4 深层土体水平变形
同样取代表性深度2, 14, 26m, 盾构机掘进至不同里程时不同深度土体水平变形曲线如图4所示。
由图4可知, 隧道正上方CX-3测点水平变形自地表至隧道开挖顶面均较小;隧道两侧CX-2, CX-4测点水平变形受隧道开挖的影响较大, 水平变形值在开挖面距监测断面>9m后趋于稳定, 当开挖面距监测断面-9～9m时水平变形变化幅度较大, 当距监测断面-9m时, 水平变形出现较大增长;CX-1, CX-5由于远离隧道, 水平变形受到的影响较CX-2, CX-4小。
图3 深层土体沉降曲线
Fig.3 The settlement curves of deep soil
CX-2, CX-4水平变形最大值位于26m深处, 当距监测断面-9, 0, 9m时CX-2水平变形最大值分别为-2.165, -5.395, -7.002mm, 而CX-4水平变形最大值分别为1.498, 4.892, 7.765mm。
不同深度土体水平变形规律与沉降规律类似, 隧道右侧测点CX-4, CX-5水平变形较同一深度隧道左侧测点CX-2, CX-1大, 同样证明既有隧道结构的刚度增强了该侧土体抵抗变形的能力。
盾构施工全部完成后, 地表及浅部地层水平变形均向隧道中心收敛。CX-3在浅部地层变形较小, 存在向隧道右侧倾斜的微小趋势;随着深度逐渐增加, 水平变形越来越靠近隧道右侧。由于深度较深时, 受注浆压力的影响, 使得靠近隧道处监测点土体的变形越来越明显。而对于CX-2, CX-4, CX-5测点, 较深处土体受注浆压力向外挤压作用明显, 使得该处土体变形较大, 并向远离隧道方向移动。由此可知, 同一深度处CX-4受左线隧道施工影响引起的土体变形大于CX-2;距隧道较远的CX-5所受影响小于距隧道较近的CX-4。
图4 深层土体水平变形曲线
Fig.4 The horizontal deformation curves of deep soil
4 结语
结合长沙市轨道交通4号线阜碧区间盾构工程项目, 考虑其与既有南湖路隧道存在近接关系, 选取合适的断面对盾构开挖影响范围内地层变形进行实时监测, 通过分析试验数据得到以下结论。
1) 根据里程与监测断面位置关系可将盾构机掘进分为接近断面、下穿断面、远离断面3阶段。从数据结果分析可知, 地表及地层大幅增加的变形集中于接近断面至远离断面, 即为距监测断面-9～9m, 盾构机下穿后仍发生部分变形, 直至脱离影响范围 (盾构开挖面距监测断面>60m) 后变形值趋于稳定。固结阶段变形仍有小幅变化, 数值根据测点位置不同有所区别, 部分点位变形增加、部分点位变形减小。
2) 在沉降方面, 自地表至地层一定深度, 土体沉降均呈“沉降槽”状, 随着深度增加“沉降槽”越来越“窄深”。受盾构施工过程中注浆压力及土仓压力的影响, 当到达一定深度时, 沉降趋势逐渐减小, 后期出现深部隆起。
3) 在水平变形方面, 自地表至地层一定深度, 隧道两侧土体水平变形均向隧道中心收敛, 但随着深度的增加, 变形方向逐渐改变, 到达土体深部时变形方向偏于远离隧道侧, 这是由于盾构注浆使盾构隧道附近土体受到挤压, 进而向远离隧道方向移动。
4) 分析每个里程不同位置土体沉降与水平变形可知, 隧道左侧 (既有隧道侧) 土体变形均小于同深度处隧道右侧 (无既有隧道侧) 土体, 证明既有隧道结构刚度使该侧土体抵抗变形能力增强, 从而出现新建隧道靠近既有隧道侧变形小、远离侧变形大。
[2]姜忻良, 赵志民, 李园.隧道开挖引起的土层沉降槽曲线形态的分析与计算[J].岩土力学, 2004, 25 (10) :1542-1544.
[3]韩煊, 李宁.隧道施工引起地层位移预测模型的对比分析[J].岩石力学与工程学报, 2007, 26 (3) :594-600.
[4]魏纲, 周杨侃.随机介质理论预测近距离平行盾构引起的地表沉降[J].岩土力学, 2016, 37 (S2) :113-119.
[5]ATTEWELL P B, YEATES J, SELBY A R.Soil movements induced by tunneling and their effects on pipelines and structures[M].Glasgow:Blackie, 1986.
[6]齐静静, 徐日庆, 魏纲.盾构隧道引起土体三维变形的计算方法研究[J].岩土力学, 2009, 30 (8) :2442-2446.
[7]姜忻良, 赵志民.镜像法在隧道施工土体位移计算中的应用[J].哈尔滨工业大学学报, 2005, 37 (6) :801-803.
[8]张云毅, 李江灵, 穆岩松, 等.岩溶破碎带盾构下穿建筑物沉降分析及控制[J].施工技术, 2019, 48 (3) :80-84.
[9]邱明明, 杨国林, 姜安龙, 等.地铁盾构施工地层变形预测及数值分析[J].深圳大学学报理工版, 2016, 33 (4) :377-387.
[10]郑勇波, 白廷辉, 李晓军, 等.通缝盾构隧道衬砌施工期三维力学特性数值研究[J].施工技术, 2018, 47 (1) :111-115.
[11]MAIR R J, TAYLOR R N, BRACEGIRDLE A.Subsurface settlement profiles above tunnels in clays[J].Geotechnique, 1993, 43 (2) :315-320.
[12]MOH Z C, JU D H, HWANG R N.Ground movements around tunnels in soft ground[C]//Proceedings of the International Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground.London:Balkema, 1996
[13]NOMOTO T, IMAMURA S, HAGIWARA T, et al.Shield tunnel construction in centrifuge[J].Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 1999, 125 (4) :289-300.
[14]来弘鹏, 杨万精, 谢永利.基于双洞效应的黄土公路隧道地层变形规律离心模型试验[J].四川大学学报 (工程科学版) , 2013, 45 (4) :39-45.