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城市地鐵淺埋暗挖隧道地層沉降分析與控制論文
摘 要 結(jié)合深圳地鐵一期工程第六標段科華區(qū)間暗挖隧道工程實例,分析了軟弱富水地層的沉降特性和引起地層沉降的原因,根據(jù)沉降原因提出了嚴格執(zhí)行“十八字方針”、適度排放地下水、講究開挖施工方法等控制對策,為軟土地層進行城市地鐵暗挖隧道有效控制沉降提供借鑒。
關鍵詞 地鐵 淺埋隧道 暗挖隧道 沉降控制
1 引言
隨著城市建設的迅猛發(fā)展,地面空間壓力越來越大,為解決城市交通、停車、貿(mào)易、通訊、供水、供電等工程項目占地的重大難題,城市隧道及地下空間將被大力開發(fā)與利用。任何地下工程的開挖施工,無論其埋深大小,均將擾動地下土體,地表面必將發(fā)生或大或小的沉降。而城市地鐵隧道其埋深均較淺,如不根據(jù)地表環(huán)境保護要求,分析引起沉降的主要因素,并采取適當措施加以控制,則將危及地面建筑物的安全,危及城市道路、管線的安全。現(xiàn)根據(jù)深圳地鐵一期工程施工情況,分析城市淺埋暗挖隧道沉降的主要特性、引起沉降的主要因素,提出采取的控制措施,供類似地質(zhì)暗挖隧道參考。
2 地層沉降的特性
深圳地鐵一期工程全長19.47雙正線km,共設車站17座,除4個區(qū)間采取盾構(gòu)施工外,其余區(qū)間均為暗挖施工,根據(jù)監(jiān)測資料匯總分析,區(qū)間隧道開挖對地層沉降的影響具有以下特性。
(1) 地表沉降值大于隧道拱頂下沉值
在深圳地鐵一期工程施工中,沿線地表沉降值普遍較大,特別是洞頂有砂層的地段,沉降值一般為100～200mm,個別點達250mm以上;而洞內(nèi)拱頂沉降值相對較小,最大100mm左右,洞內(nèi)周邊收斂值不超過10mm。
(2) 開挖對地表影響范圍大
隧道開挖引起地表沉降范圍大。從監(jiān)控量測資料看,開挖引起地表沉降縱向、橫向范圍較大,一般超過開挖兩側(cè)邊緣約30～40m的地面出現(xiàn)沉降裂縫,在砂層地段甚至更遠。
(3)支護成環(huán)后土體達到穩(wěn)定所需的時間較長
從深圳地鐵施工情況看,隧道初期支護閉合成環(huán)后,其拱頂及地表仍有一定下沉,一般持續(xù)40d左右沉降基本結(jié)束。待結(jié)構(gòu)二次襯砌施作完成后,才完全穩(wěn)定。
(4)隧道開挖超前影響范圍小于其滯后影響范圍
按可比下沉值比較,開挖超前影響范圍一般約在30m左右;而對后方影響范圍較大,唯有二次襯砌完成后,隧道結(jié)構(gòu)才趨于穩(wěn)定。
3 地層沉降的原因分析
(1) 地層土體特性的影響
隧道力學理論認為,淺埋暗挖隧道上覆地層已無自承載能力,荷載應全部由隧道結(jié)構(gòu)來承擔。但實踐表明,不僅土層,即使是干砂,地層仍能形成自然載拱。深圳地鐵隧道上覆土是海沖擊層,空隙比較大,若保持最優(yōu)含水量時,為極硬土性質(zhì),失水后易造成超固結(jié),引起較大沉降;隧道開挖擾動后,引起開挖周邊土體松弛變形,出現(xiàn)潛在坍滑區(qū),尤其在砂層地段,坍滑現(xiàn)象會更嚴重。土的特性決定了地表影響范圍大,地表下沉值大于隧道拱頂下沉值,特別在砂層、礫砂層段表現(xiàn)更為突出。
(2) 地下水的影響
地鐵隧道一般處在地下水位以下,開挖排水后地下水不斷滲出,形成多道滲水通道,使地層持續(xù)失水,土層空隙及節(jié)理裂隙固結(jié)收縮,引起地表超前、超大范圍沉降。從深圳地鐵施工監(jiān)測情況看,地層持續(xù)失水是引起地表沉降最根本、最主要的原因。
(3) 地層應力釋放
由地層的收斂約束特性可知,隨地層位移的增大,上覆地層施加到隧道結(jié)構(gòu)上的荷載將減小。最佳支護概念就是在允許地層產(chǎn)生穩(wěn)定的位移條件下,使支護結(jié)構(gòu)所受的力最小。城市地鐵隧道,尤其是淺埋暗挖隧道,為保證地表的變形得到控制,原則上不允許地表出現(xiàn)超越規(guī)定值的下沉而換取最佳支護,地層預加固與及時支護且封閉成環(huán)是超淺埋暗挖隧道的關鍵。
多孔介質(zhì)土且具潛在坍滑面的地層,隨地表下沉、地層應力的釋放,坍滑面會漸次產(chǎn)生,伴隨著地表大范圍下沉,沉降槽寬度及下沉量均較大。可見,控制地層應力釋放度是解決下沉及波及范圍的關鍵。
(4) 隧道作用的疊加影響
實踐表明,已襯砌的隧道,當兩隧道的中心線距>2.5D(D為隧道寬度)時,兩隧道之間的相互作用減弱,但若中心線距≤2D時,則其相互作用明顯。對未襯砌隧道,當兩隧道中心線距為5D時,可不考慮相互作用,但中心線距≤3D時,則必須考慮其相互作用影響。很明顯,若兩平行隧道間距小,兩隧道同時開挖對地層的擾動要大于單一隧道的開挖,會造成地層的突然松弛,出現(xiàn)大的和持續(xù)不斷的沉降。兩隧道的相互作用會使地表沉降有疊加效應,因此在左右線間距一定的情況下,增大兩隧道的相對開挖距離是減少其疊加作用影響的關鍵。
(5) 施工方法
城市地鐵隧道開挖常用的工法中,臺階法是引起地表下沉最為嚴重的一種施工方法,但因其操作簡單,成本低,只要措施得當,一般可滿足地表沉降要求。國內(nèi)外區(qū)間單線隧道施工多采用臺階法。但臺階法也多種多樣,需根據(jù)不同的斷面形式及地層條件謹慎選取。
應用臺階法的關鍵是要保證開挖工作面的穩(wěn)定。軟弱地層尤其是滲水較大的地層,臺階長度不可過短。此外,尚需采取環(huán)形開挖留核心土,并施加輔助工法等措施。
臺階法的理論與實踐表明,軟弱地層臺階長度不宜小于5～6m,若涌水嚴重,山嶺隧道普遍采用的2～4m超短臺階應杜絕應用。一般而言,臺階長度愈長,工作面前方土體對工作面的擠壓流動會愈小,工作面愈穩(wěn)定。另一方面,在軟弱地層采用臺階法時,應充分領悟“淺埋暗挖”的精神實質(zhì)即早封閉理念,一般多在上臺階底部增設臨時仰拱,使上下臺階及早各自閉合成環(huán)。
(6)開挖進尺的影響
開挖進尺的大小實質(zhì)上是工作面無支護空間的大小,其值決定著地表下沉及拱頂沉降,也影響開挖面的穩(wěn)定性。
軟土隧道工作面難以自穩(wěn),因而必須支撐。研究表明,開挖時工作面需支撐的壓力并不大,僅10MPa就足以使工作面短期內(nèi)自穩(wěn),使開挖順利進行;另外,穩(wěn)定開挖工作面的支撐力與上覆土層的厚度以及土體的密度幾乎沒有什么關系,與隧道的直徑呈線性關系。法國的研究表明,如果工作面無支護距離小于0.2D,對穩(wěn)定工作面開挖的支撐力無特別要求,但若超過此值,則無支護空間要求的穩(wěn)定工作面開挖的支撐力就要變大,否則工作面就會失穩(wěn)。軟弱地層、淺埋暗挖法施工的地鐵隧道,開挖進尺的控制十分重要,應分析研究,有目的地控制。
(7)工作面的推進速度
沉降具有時空效應。工作面推進速度的加快,意味著各工序時間的縮短,隧道開挖裸露的空間亦小,其存在的時間亦短,利于控制地層變位的調(diào)整。
(8)初期支護剛度
大剛度支護是控制地表下沉的有效措施,尤其是對淺埋暗挖隧道。在總剛度一定的條件下,地層剛度小,勢必要增大初期支護的剛度。復合式襯砌結(jié)構(gòu),根據(jù)設計的荷載分配,一般結(jié)構(gòu)二次襯砌不承擔施工期荷載,但根據(jù)實際施工及有關監(jiān)測資料,初期支護后至地表達到穩(wěn)定的時間較長,唯有二次襯砌后,隧道及地表才完全穩(wěn)定。因此,適當提高初期支護剛度對穩(wěn)定地層是有好處的。
4控制地層沉降的對策
地表下沉是多因素的綜合作用。在地層條件一定的情況下,合理的設計與巧妙的施工乃是控制地表下沉的最為關鍵的手段。針對上述原因分析,提出以下控制對策供參考。
(1) 領會并嚴格執(zhí)行“十八字方針”
淺埋暗挖法是在城市地鐵隧道施工歷經(jīng)多地區(qū)實踐基礎之上提出的具有我國特色的軟土隧道施工方法。它的精神實質(zhì)及要領都融合在這十八字方針里———“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”。
“管超前”不僅僅是簡單地利用小導管等進行超前預加固支護,其加固效果與小導管直徑、長度、間距、安設角度、搭接長度以及漿液等都有關系;“短開挖”不是指臺階長度短,而是指控制循環(huán)進尺,少擾動地層,開挖范圍小且留核心土;“快封閉”不僅僅是指全斷面及早封閉,在分部開挖中,每一分部開挖面也應能盡快封閉。
總之,城市地鐵隧道施工,要很好地控制地表下沉,必須深入領會十八字方針,在施工中認真貫徹落實。
(2)適度排放地下水
地下水的排放無疑會使上覆地層尤其是隧道工作面附近地層的強度增加,剛度變大。但對于砂層、礫砂等特殊地層,過度抽排地下水,會使上覆多孔介質(zhì)土層超固結(jié),反而引起地表大范圍沉降。因此,在能保證工作面穩(wěn)定、能保證正常開挖的條件下,應盡量減少地下水的抽排,可根據(jù)情況采取止水帷幕或旋噴樁等阻斷地下滲水通道,采取地表或洞內(nèi)注漿措施封堵部分地下水;采取地表或洞內(nèi)降排水時,盡量縮短抽排時間,掌子面開挖過后及時停止;采取斷面注漿、噴混凝土等措施穩(wěn)定工作面;根據(jù)具體地層條件,及時調(diào)整小導管、格柵支護參數(shù)、注漿參數(shù),確保注漿效果。
(3)確定適合地層條件的施工方法
為有效控制地表沉降,臺階法應預留核心土,臺階長度應根據(jù)地層條件確定,地層愈軟,臺階長度愈長;為使開挖各分部早閉合,上臺階一般應增設臨時仰拱,特殊地段上臺階拱腳處應架設鋼支撐噴混凝土作托梁,實踐表明,采用該方法施工,拱頂及地表下沉明顯減緩。
(4)拉開左右線隧道的開挖距離
兩隧道的中心線距≤3D時,兩隧道的開挖對地層沉降會有疊加影響。軟弱圍巖其沉降影響范圍大,建議兩工作面的開挖距離控制在30m以上。
(5)縮短開挖進尺
城市地鐵尤其是軟弱地層隧道,開挖進尺應盡量小。根據(jù)實踐經(jīng)驗,建議每循環(huán)進尺取斷面開挖寬度的0.1倍。
(6)加快工作面的推進速度
工作面速度的加快,意味著各工序施工時間的縮短,地層應力的釋放得到有效控制,地層內(nèi)部的變位調(diào)整也將減小。
(7)增大初期支護剛度
初期支護施作后,本身有一個徐變過程。超前支護,一般采取增大小導管直徑、減小布置間距、嚴格注漿等措施加強;鋼格柵,在間距一定時,宜增大主筋直徑,增大支護初期剛度,以控制沉降。
(8)合理安排二次襯砌時間
孔隙水的調(diào)整所產(chǎn)生的附加應力是一個漫長的遞增過程。軟弱富水地層,隨著滲排水,地表大范圍沉降,初期支護的剛度與地層剛度的相互作用會愈來愈強,因此,軟土隧道應及時施作二次襯砌。深圳地鐵隧道的實踐表明,二次襯砌施作后,地層變位趨于穩(wěn)定。
5 結(jié)論
地表下沉是多因素的綜合作用,在地層特性一定的條件下,盡量采取措施,做到設計、施工與地層的耦合至關重要。
軟弱圍巖條件下進行地鐵暗挖隧道施工,水是施工的大敵,如何有效地控制地下水,處理好降排水、施工與地表沉降三者的關系,尚需作更深入的研究。
地表沉降問題目前仍是困擾城市地鐵暗挖隧道施工的難點,其所帶來的環(huán)境問題以及由此引發(fā)的負面社會效應不容忽視。
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