地鐵隧道盾構(gòu)法施工引起地表沉降研究

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1、地鐵隧道盾構(gòu)法施工引起地表沉降研究　　摘要：隨著我國地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，在地下工程施工中人們越來越重視盾構(gòu)掘進(jìn)法開挖隧道引起的地表沉降對地面建筑物的影響,而這個問題的關(guān)鍵是要對地表沉降進(jìn)行預(yù)估。本文論述了Peck橫向沉降槽經(jīng)驗(yàn)公式，并與相關(guān)工程相結(jié)合深入探討了盾構(gòu)掘進(jìn)法施工隧道對地表沉降影響，并提出相關(guān)建議。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)法施工、地表沉降、分析中圖分類號：TF351文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：一、前言現(xiàn)階段，盾構(gòu)法施工已成為國內(nèi)城市地鐵隧道施工中一種重要的施工方法。和其他施工方法一樣，由盾構(gòu)法施工導(dǎo)致

2、的地表沉降及對周圍環(huán)境產(chǎn)的影響是盾構(gòu)法施工的一個重要問題。目前國內(nèi)外專家學(xué)者對隧道施工引起地表沉降的預(yù)測方法主要有：經(jīng)驗(yàn)公式法、模型試驗(yàn)法、數(shù)值分析法、理論預(yù)測法等。在實(shí)際工程中主要是以建立在實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)公式法為主，但是這種方法大都局限于預(yù)測地表面處的位移，在指導(dǎo)施工中具有很大的局限性。而數(shù)值模擬法能動態(tài)反應(yīng)盾構(gòu)推進(jìn)過程中土層中各點(diǎn)變形隨時間的變化情況，而且可以對影響地表的許多因素進(jìn)行直觀的分析。二、Peck橫向沉降槽經(jīng)驗(yàn)公式7沉降計算中最經(jīng)典、常用的公式是Peck公式。Peck認(rèn)為,不

3、排水情況下隧道開挖所形成的地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積；地層損失在整個隧道長度上均勻分布,隧道施工產(chǎn)生的地表沉降橫向分布近似為一正態(tài)分布曲線(如下圖1)。橫向地表沉降的預(yù)估公式以及最大沉降量的計算公式為：式中:S(x)為距隧道中心軸線為x處的地面沉降,m；i為地表沉降槽寬度,即曲率反彎點(diǎn)與中心的距離,m；Smax為隧道軸線上方地表最大沉降量,m；Vl為盾構(gòu)隧道單位長度的地層損失量,m3/m。圖1地表橫向沉降分布曲線反彎點(diǎn)i處的沉降量S≈0.61Smax,最大曲率半徑點(diǎn)的沉降量S≈0.22

4、Smax。沉陷槽斷面積A≈。想要預(yù)測地面沉降量,必須先估計出地層損失量。在工程實(shí)踐中,地層損失量與盾構(gòu)種類、操作方法、地層條件、地面環(huán)境、施工管理等因素有關(guān),一般難以正確估計。所以,常針對施工條件直接類比而定。7Peck公式即用誤差函數(shù)曲線近似地表現(xiàn)隧道上方地面沉降槽曲線。由于此法簡便,只需確定兩個參數(shù),從而被廣泛應(yīng)用與地鐵工程計算中,然而其存在精度相對不高,無法進(jìn)行細(xì)致分析。因此,國內(nèi)外很多專家都針對具體情況部分修正了Peck公式。三、地表沉降影響因素分析下文中筆者將與鄭州地鐵一號線工程相結(jié)合

5、進(jìn)行闡述，針對鄭州粉土地區(qū)地層土質(zhì)的一般特征，并結(jié)合鄭州地鐵一號線地質(zhì)勘查報告建立模型，體現(xiàn)的是鄭州地鐵盾構(gòu)區(qū)間的一般性。但是鄭州地區(qū)的地層又具有其復(fù)雜性，地鐵施工各區(qū)間又具有其獨(dú)特性，所以有必要對影響地表沉降量的因素進(jìn)行分析。1、地鐵隧道軸線埋深的影響為了反映鄭州地鐵一號線的實(shí)際情況并全面考慮隧道覆土深度對地表沉降的影響，取盾構(gòu)外徑為6m，分別對隧道軸線埋深在8m、10m、12m、14m、16m、18m、20m、22m時進(jìn)行建模計算分析，由圖1可以看出，在相同盾構(gòu)直徑下地表最大沉降隨隧道軸線埋

6、深的增加逐漸減小，當(dāng)隧道軸線埋深在16m以上時，改變隧道埋深對地表的最大沉降影響較小，當(dāng)隧道軸線埋深在16m以下時，地表最大沉降受隧道埋深的影響較大。圖1地表最大沉降與隧道軸線埋深的關(guān)系圖2、注漿作用的影響7注漿是否及時對地表的最終沉降會產(chǎn)生影響。在此將利用軟件中的荷載釋放系數(shù)命令對注漿的不及時進(jìn)行模擬。當(dāng)注漿不及時時，以不加盾構(gòu)管片并設(shè)定荷載釋放系數(shù)為30%，讓土體自由釋放應(yīng)力，然后在下一施工階段激活盾構(gòu)管片并設(shè)定荷載釋放系數(shù)40%，剩下的30%荷載釋放系數(shù)留到下一施工階段釋放。從圖2可以看出

7、，注漿及時與不及時對地表沉降的影響很大。注漿及時情況下地表的最大沉降為僅11.3mm，注漿不及時的情況下地表的最大沉降為16.6mm，比及時情況下大46.9%。所以施工中應(yīng)該注意及時壁后注漿，并做好養(yǎng)護(hù)工作，盡可能降低由施工引起的地層沉降。圖2注漿及時和不及時地表沉降對比曲線3、盾構(gòu)頂推力的影響鄭州地鐵一號線盾構(gòu)機(jī)在軸線埋深17m時一般設(shè)置的盾構(gòu)頂推力是0.3MPa。為了研究盾構(gòu)頂推力對地表最大沉降的影響，下面筆者將分別在F=0.2MPa、0.3MPa和0.4MPa7的情況下，對地表歷時位移進(jìn)行

8、數(shù)值分析，得到監(jiān)測點(diǎn)的位移曲線如圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)盾構(gòu)頂推力小于平衡力時，地表未出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象，地表一直處于下沉的狀態(tài)，在盾構(gòu)到達(dá)前沉降較平緩，盾構(gòu)到達(dá)后沉降明顯變大，盾構(gòu)通過后沉降趨勢又有所減緩。當(dāng)盾構(gòu)頂推力大于平衡力時，地表在開挖面前出現(xiàn)明顯的隆起現(xiàn)象，隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，在開挖面前不遠(yuǎn)處地表與原來地面線重合，而后繼續(xù)下沉。從圖中還可以看出，無論是盾構(gòu)頂推力大于或小于平衡力，最終的地表沉降都有所增加。因此，在盾構(gòu)施工中應(yīng)盡量使盾構(gòu)頂推力與原始土壓力保持一致。圖3不同盾構(gòu)頂推力下地表沉降