潮汐水位变化对临海盾构隧道变形影响分析
0 引言
近年来,随着我国经济的迅猛发展,福州等沿海城市已建和在建地铁项目越来越多。在众多地铁隧道施工方法中,盾构法凭借其安全、高效、对邻近建筑物影响较小等优势得到广泛应用,其相关技术也日趋成熟。但受制于复杂的城市环境和天然水文地质条件,盾构过程中也出现了许多工程问题,如受到潮位变化影响,临海盾构隧道变形值会产生一定的浮动,影响工程安全
目前,已有较多学者对常水位条件下的隧道变形特性进行了分析并取得许多值得借鉴的成果
本文结合福州地铁6号线1标潘墩站—林浦站临海盾构线路,开展了盾构区间内水位变化、管片沉降等内容的系统安全监测测试,结合闽江潮汐水位变化分析了其变形规律。结合ABAQUS软件和现场实测数据,对盾构隧道变形机理进行了分析。在此基础上,研究了水位变化、注浆体弹性模量和厚度等因素对盾构隧道上浮量的影响。研究成果可为水位变化较大地区盾构隧道设计和施工提供参考。
1 工程实例
1.1 工程概况
福州地铁6号线1标潘墩站—林浦站区间轨道交通线路采用盾构法施工。隧道平面线路基本呈曲线布置,分为右线(上行线)和左线(下行线),曲线半径分别为590,550m,区间间距12.82～17m。右线最大下坡为6.399‰,左线最大下坡为6.517‰。隧道采用圆形截面,衬砌环外径为6 200mm,内径为5 500mm,管片厚度350mm,环宽1 200mm。衬砌环采用通用楔形环,拼装方式为错缝拼装。纵缝与环缝均采用平接头,不设置凹凸榫。
盾构区间最小埋深10.166m,最大埋深14.957m。经过初步分析,盾构区间SK0+366—SK0+566段属于软弱地层段,该段盾构掘进地层主要为(2)4-6含泥中细砂、(3)4-2淤泥、(2)4-2淤泥质土、(2)6-2粉质黏土。隧道直径范围内以粉质黏土、淤泥、中细砂(含泥)为主;隧道顶部以粉质黏土、淤泥、杂填土为主,局部含少量中细砂,具体如表1所示。
表1 场地主要地基土层分布及工程性质
Table 1 Soil distribution and engineering properties
盾构区间地下水丰富。地下水初见水位埋深1.20～5.40m,场地地下水与临近闽江水具有较密切的水力联系,与闽江水相互补给。
由于上部土体为渗透性较好的杂填土和粉质黏土,水位变化引起的有效应力变化较快。而盾构深度内土体包含有淤泥质黏土,渗透性较低,工程特性较差。因此,该区段采用全断面注浆进行加固,注浆厚度为2m,浆液为普通硅酸盐水泥浆单浆,水灰比为(0.6～1.0)∶1。
1.2 监测方案
本次监测内容主要包括管片变形、隧道沉降和盾构线路地表与沿线构筑物变形。盾构线路纵向地表沉降观测点沿线路中线按3～5环间距布置。监测频率根据盾构位置和沉降速率等因素综合确定(见表2和图1)。
表2 监测内容、技术方法及监测频率
Table 2 Monitoring contents,technology methods and monitoring frequency
次·d-1
参照福州地区的盾构变形控制经验指标,安全监测预警指标及警戒值如表3所示。
表3 安全监测警戒值
Table 3 Warning values
2 围护结构变形与地表沉降分析
2.1 隧道沉降变化曲线
根据现场水位监测和隧道沉降监测数据,绘制盾构区域水位变化曲线如图2所示。第84环管片各点沉降随时间变化曲线如图3所示。
由监测结果可看出:(1)盾构过程中,受到土体卸荷作用和上覆土体的共同作用,管片整体处于上浮状态,但整体上浮量较小,最大上浮量为16.7mm,低于警戒值;(2)各测点上浮位移随时间变化趋势较相似,大部分上浮量均发生在拼装完成后5d内,并在7d后趋于稳定;(3)对比水位变化监测值可看出,管片的位移值呈周期性变化,且与水位的上升和下降相互对应:水位上升时隧道上浮值较大,水位下降时隧道上浮值较小。分析其原因为:水位上升时,盾构隧道上覆土体中孔隙水压力增大,有效应力降低,盾构过程使地基土体处于卸荷状态,从而隧道上浮值增大;水位下降时,隧道上覆土体对应的有效应力增大,隧道上浮值降低;但由于盾构线路与闽江有一定距离,受到土体渗透系数和渗透路径等因素的影响,盾构线路周围水位变化具有一定的滞后性,故隧道上浮值变化与潮位变化相比也具有一定的滞后性。
隧道变形速率如图4所示。隧道变形速率最大值为4.9mm/d,发生在该环管片脱出盾尾时;随着固结时间的增大,上浮或下沉速率逐渐降低。结合水位变化图可知,当水位上升时,隧道整体上浮,速率为正值;水位下降时,隧道整体下沉,速率为负值。
2.2 净空收敛变形
净空收敛变形是指隧道盾构完成后周边管片向盾构中心产生的相对位移,该项指标是评价盾构隧道安全的重要参考因素。通过对该环管片监测数据的统计和整理,其净空收敛变化曲线如图5所示。
由监测结果可知:该环管片净空收敛变形随着时间的延长而逐渐增大,并最终趋于稳定,但没有出现周期性变化。结合水位变化曲线可知,管片净空收敛变形与水位变化没有较强的对应关系。由此可见,水位变化并不是影响管片收敛变形的主要因素。根据其他学者的研究可知,影响管片收敛变形的主要因素为隧道上覆荷载变化和周围土体的渗透特性。本次研究中水位变化引起了上覆有效应力变化,但该值与管片的抵抗变形强度相比较小,故不会对收敛变形产生较大影响。
3 有限元分析
3.1 模型建立
为了进一步分析潮汐水位等因素对隧道沉降的影响,采用ABAQUS软件对盾构过程进行模拟。
为了减小边界效应的影响,土体尺寸选为15D(高)×8D(宽)×10D(长),其中D=5.5m为隧道直径。上覆土厚度为13.6m,如图6所示。
土体采用2种本构模型:对于软黏土,采用修正剑桥模型模拟,土体参数如表4所示;对于砂性土,采用莫尔-库仑模型进行模拟,土体参数如表1所示。模拟中考虑施工造成的土层损失和扰动,其中剪切扰动区域土体强度折减30%,扰动区范围为0.5倍隧道半径。同时,为提高计算效率,利用三角函数对水位变化进行简化,计算中水位随时间变化如图7所示。
表4 土体剑桥模型参数
Table 4 MCC indexes of the soil
3.2 盾构隧道沉降
提取盾构管片拱顶和拱底2处上浮值随时间变化曲线,并与实测值做比对,如图8所示。通过对比可知,有限元模拟结果与监测结果吻合较好。各测点上浮位移随时间变化趋势较相似,大部分上浮量均发生在拼装完成后5d内,并在7d后趋于稳定。
Fig.8 Comparison between calculated and field measured results for rising displacement
为了对比注浆对上浮位移的影响,将不注浆加固时隧道上浮位移随时间变化曲线与实测值进行对比。由图8可知,不注浆加固时,隧道上浮量较大,最大值为22mm,超过监测报警值。这说明注浆对防止隧道上浮效果较好。
盾尾离开该环管片时和21d后,盾构截面竖向位移矢量如图9所示。
由图9可知,该环管片在盾尾推进脱出后立即产生较大上浮,截面最大上浮位移出现在隧道底部,而隧道管片的顶部由于受到上覆土体的压力作用,上浮量较小。盾尾推离该管片21d后该截面位移矢量分布与前述较接近。
3.3 盾构截面应力分布
盾尾离开该环管片时,盾构截面竖向应力云图和剪切应力云图如图10所示。由图10可知,盾构推进脱离该环管片后,竖向应力突变集中区域出现在与水平方向夹角45°位置;剪切应力主要出现在盾构底部两侧位置。
4 影响因素分析
由于该线路临近闽江,盾构周围地下水和闽江互补密切,且埋深较浅。为保障盾构沉降安全,需对影响盾构隧道沉降较大的因素进行分析。本文对水位变化、注浆范围和注浆压力影响进行分析。
4.1 水位变化影响
盾构线路附近水位变化幅值与该点和闽江距离存在直接关系:距离越小,水位变化越大;反之,水位变化越小。水位变化幅值分别为2,3,4,5m时盾构隧道沉降随时间变化如图11所示。
Fig.11 Upper floating value variation curves with amplitude of water level fluctuation
由图11可知,随着水位变化幅值变大,盾构上浮值波动增大,但上浮量最大值变动较小:水位变化越大,上覆土体有效应力变动越大,因此上浮量波动越大;但水位变化引起的有效应力变化与盾构隧道深度处的总有效应力相比较小,故不同水位下上浮最大值较接近。当水位变动较大时,需考虑隧道周期性变形对其结构安全的影响,盾构施工过程中需加强对管片变形的监测。
4.2 注浆体弹性模量影响
注浆体弹性模量分别为0.4,0.8,1.2,1.6,2.0MPa时盾构隧道沉降随时间变化如图12所示。
由图12可知,随着注浆体弹性模量的增大,隧道上浮量逐渐降低。在土体卸载和水浮力等多种因素的共同作用下,拼装完成后管片将会发生上浮。此时,注浆会对隧道起到约束作用,注浆体的模量越大,该约束作用越大,因此上浮量越小。为降低隧道上浮值,可调整注浆体的配合比,以增大其模量。
4.3 注浆厚度影响
在洞周进行二次注浆以防止隧道、地表及周围建筑物产生较大位移,对应的注浆层厚度是重要的影响因素。注浆层厚度分别为0.5,1.0,1.5,2.0,2.5m时盾构隧道沉降随时间变化如图13所示。
图1 3 上浮值随注浆厚度变化曲线
Fig.13 Upper floating value curves with grouting thickness
由图13可知,随着注浆厚度的增大,盾构隧道的上浮值降低。注浆厚度直接决定了注浆体对管片上浮的约束作用。同时,注浆体厚度越大,其总重度越大,对管道的竖向压力越大。因此,盾构隧道上浮值随着注浆厚度的增大而降低。工程中,可通过增大注浆层厚度防止隧道产生较大上浮。
5 结语
1)潮汐水位引起盾构线路周围水位的变化具有一定的滞后性,盾构隧道上浮值呈周期性变化,且与水位的变化对应。
2)数值模拟结果与实测值吻合度较高,数值模拟能较真实地反映盾构隧道的变形特性。
3)水位变化对隧道上浮值波动幅度影响较大,对其上浮最大值影响较小。随着注浆体弹性模量和厚度的增大,盾构隧道上浮值降低。对于此类工程,需加强管片变形监测,并通过调整注浆体配合比和厚度降低隧道上浮量。
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