地铁盾构施工引起的地表沉降分析
在人口密集、建筑设施密布的城市中进行盾构法施工,由于岩土开挖不可避免地产生对岩土体的扰动并引起洞室周围地表发生位移和变形;当位移和变形超过一定限度时,势必危及周围地面建筑设施、道路和地下管线的安全。因此,中外学者对盾构施工扰动的机理[1]、地层移动[2]、土体影响范围[3-5]等做了大量的研究工作,取得了一系列关于盾构施工引起地表沉降的研究成果,其中Peck法应用最为广泛。本文通过对南京地铁玄武门站———新模范马路站区间盾构施工的实测沉降分析研究,寻求适合南京地区地铁盾构工程应用的沉降计算公式及参数确定方法。
1 工程概况
玄武门———新模范马路的地铁盾构掘进区间自玄武门站,沿中央路向北至新模范马路车站,设计里程为K11 591.899～K12 422.189。区间分布3组平面曲线,半径分别为1000m、1500m、800m;隧道纵坡为V形,最大纵坡为30‰;隧道埋深在8.0～14.5m之间。
该区间属古河道漫滩地貌,基岩埋藏较深,均大于25m;软弱土层较厚,主要为低塑性淤泥质粉质黏土、粉质黏土及中到稍密的粉细砂等,土质不均,黏性土中常局部夹有粉细砂,土质较差。区间隧道在淤泥质粉质黏土、粉质黏土及粉细砂中通过。围岩划分为Ⅰ类。土体主要力学性质见表1。
2 测试分析
整个掘进过程采用土压平衡模式盾构机。本文选取左线掘进过程中引起的地表沉降进行分析,整个掘进过程历时4个月。掘进中一些参数设置为:盾构顶部土压保持在0.13～0.21MPa,盾构底部土压0.19～0.28MPa,掘进速度60mm/min,同步注浆压力0.25MPa,注浆量3.2m3/环。
2.1 监测断面的选取及测点布置
根据隧道不同的埋深及地层分布,选择8个具有代表性的监测断面,其桩号、里程以及埋深见表2。测点布置如图1。
2.2 实测数据分析
对H1～H8断面进行了连续监测,直至沉降稳定。监测结果绘成的曲线图见图2。
结合各断面的具体地质条件以及盾构施工参数,得出实测结果如下。
1) 由于盾构穿过的地层其地质条件相对稳定以及各施工参数的接近,8个断面的曲线沉降规律几乎保持一致。结果显示,在黏土性地层中采用土压平衡模式开挖能很好地控制地表沉降,最大沉降为22.8mm,低于设计要求,盾构各项掘进参数设置适当,盾构姿态较好。
2) 沉降曲线沿线路中心不对称分布,盾构掘进的影响区域主要在隧道轴线7m范围内。在此范围内的沉降槽体积占到总体积的70%,这一范围(约2.2倍的洞径)是沉降的最大区域,最大沉降发生在线路中心。距隧道轴线7～20m范围内沉降均值为2mm,这一范围为次要沉降区;离轴线20m以外的地区,地表隆沉数值较小,平均在1mm以内,考虑到观测误差,可认为此区域在盾构掘进影响范围以外。因此可认为盾构掘进的影响区域为距轴线20m内,约是洞径的6.2倍。
3) 各断面数据显示,大部分断面的最大沉降量均控制在15mm以内。H1、H2断面由于盾构机放慢速度准备出洞,且覆土为杂填土和低压缩性粉土,使得地表沉降量变得更小。而H5、H7断面,虽然埋深大于H1、H2等断面,理论上隧道覆盖层厚度与盾构外径之比越大,地表土体受到的扰动越小,地表中心总沉降量越小,但这2个断面的沉降量大于其他断面,是由于下述3个原因:
①上覆土有软流塑等中压缩性土,易受扰动;
②盾构推进的过程中,由于向盾尾隧道外周建筑空隙中注浆不及时、注浆量不足,使得盾尾隧道周边土体失去原始三维平衡状态,而向盾尾空隙中移动,引起地层损失(特别在含水量不稳定的地层中,这是引起地表沉降的主要原因);
③盾尾出现少量漏浆现象。
根据监测结果显示,地表沉降在允许范围内,因此施工中仍采用比较稳定的施工参数,并没有采取增加注浆量等相应的施工控制手段。
3 沉降槽系数的改进
3.1 Peck法理论计算与实测比较
1969年,Peck提出了盾构施工引起地面沉降的估算方法,认为地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积,并根据这个假定给出了地面沉降量的横向分布估算公式[6]:
式中:S(x)为沉降量;Vs为盾构施工隧道单位长度的地层损失;Smax为距隧道中心线的最大沉降量;x为距隧道中心线的距离;i为沉降槽半宽度;k为沉降槽宽度系数;Z为隧道中心埋深;Φ为土的内摩擦角;R为盾构机外径;VL为地层体积损失率。
地层损失的取值,对预测地面沉降槽的准确度有重要的影响,须仔细分析地质和施工条件并参照已有经验合理确定。根据玄武门———新模范马路盾构区间的情况,VL取1.0%,R=3.2m,选取隧道埋深在12m的H1断面作为比较对象,根据Peck公式,Vs=0.32m3,i=6.84m,Smax=19mm,其沉降槽分布曲线为。将盾构掘进影响范围内(隧道轴线两侧20m)各点沉降计算结果和实测结果进行比较。
不论是沉降值还是沉降槽的分布上,计算沉降曲线与实测沉降曲线存在较大的差异。说明利用现有参数用Peck法预估地表横向沉降槽分布存在一定的误差。
3.2 参数的改进
对各断面实测曲线进行正态曲线拟合,找出曲线反弯点,得到沉降槽半宽度(i)。再反算出VL和不同观测断面沉降槽宽度系数(k)。VL和k值列于表3。
从表3可以看出,k的取值范围为0.34～0.74,VL的取值范围为0.39%～0.89%。应用改进后得到的Peck公式参数取值再次计算H1断面上的沉降,k取0.55,VL取0.39%。改进前、后计算结果与实测数据的比较如图3所示。可以看出,应用改进后的参数可较好地预测横断面地面沉降分布。南京地区盾构区间的土层水平分布比较均匀,由流沙盾构区间隧道和软土盾构区间隧道组成,研究结果可推广到整个南京地区的盾构施工。
4 结论
1)在黏土性地层中采用土压平衡模式盾构开挖能很好地控制地表沉降。
2)盾构单线推进对地表影响主区域为轴线两侧7m范围内,约为洞径的2.2倍;整个影响区域为轴线两侧20m内,大约为洞径的6.2倍。根据后续监测结果显示,隧道左右线全部贯通后,地表沉降量最大累计为42.1mm,推进影响范围仍在轴线两侧20m内。
3)通过对比Peck法计算值和实测值,发现现有的经验参数不能很好地满足南京地区的实际情况。本文通过曲线拟合和计算进行参数改正,认为南京地区地表沉降槽宽度系数(k)的取值范围为0.34～0.74之间。
