地鐵隧道盾構(gòu)施工地表沉降的預(yù)測(cè)分析.doc

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1、地鐵隧道盾構(gòu)施工地表沉降的預(yù)測(cè)分析摘　要　總結(jié)并分析了地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工中引起地表沉降的規(guī)律、過程及原因,同時(shí)介紹了以經(jīng)驗(yàn)法為主且目前廣泛應(yīng)用于變形分析的peck沉陷槽預(yù)測(cè)公式,并結(jié)合我國(guó)某城市地鐵隧道的修建過程中產(chǎn)生的地表沉降現(xiàn)象,驗(yàn)證了該分析方法的實(shí)用性和可借鑒性。關(guān)鍵詞　地表沉降　peck沉陷槽　預(yù)測(cè)分析　盾構(gòu)法　地鐵隧道1前言近些年來,盾構(gòu)施工法普遍用于在松軟含水土層中修建隧道,在江河海中修建水底隧道,在城市中修建地下鐵道及各種市政設(shè)施。但是,當(dāng)采用盾構(gòu)法施工時(shí),一般會(huì)引起隧道上方地表沉降,這種現(xiàn)象在含水的松軟土層或其他不穩(wěn)定地層中表現(xiàn)顯著。尤其對(duì)于城市地鐵,盾構(gòu)法區(qū)間隧道一

2、般都會(huì)穿越城市中心地帶,因建筑物密集、施工場(chǎng)地狹小、地質(zhì)情況復(fù)雜、地下管網(wǎng)密布、交通繁忙、施工條件受到限制等,而對(duì)環(huán)境的控制要求更為嚴(yán)格。因此,預(yù)測(cè)可能發(fā)生的地表變形,對(duì)工程的順利實(shí)施極為重要。本文通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)施工地表沉降控制技術(shù),同時(shí)參考同行業(yè)盾構(gòu)法施工實(shí)例,分析了地表沉降的預(yù)測(cè)方法及盾構(gòu)施工過程中地表沉降的規(guī)律、過程和沉降原因。2地表沉降的規(guī)律在軟土層中采用盾構(gòu)施工時(shí),隧道橫向所產(chǎn)生的地表變形范圍受隧道的埋深和其所處的地質(zhì)土層狀況影響較大,基本上接近土的破壞棱體范圍,大致上近似于peck[1]提出的沉陷槽形狀,即概率論中的正態(tài)分布曲線。同時(shí)隧道縱向所產(chǎn)生的地表變形可分為五個(gè)階段[2

3、],即初始沉降、開挖面前的變形、盾尾沉降、盾尾空隙沉降、后續(xù)固結(jié)沉降,見圖1。(1)初始沉降。距開挖面還有幾十米(通常為大于2.5D,D為隧道直徑)的地面觀測(cè)點(diǎn),從開挖面到達(dá)該點(diǎn)之前所產(chǎn)生的沉降,是隨盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)造成的地下水流動(dòng)和水位降低產(chǎn)生的。(2)開挖面前的變形。自開挖面約幾米(0~2.5D)時(shí)起直至開挖面到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)正下方之間所產(chǎn)生的沉降或隆起現(xiàn)象,多由于土體的應(yīng)力釋放或盾構(gòu)開挖面的反向土壓力、盾構(gòu)機(jī)周圍的摩擦力等的作用而產(chǎn)生的地基塑性變形。(3)盾尾沉降。從開挖面到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的正下方之后直到盾尾通過該觀測(cè)點(diǎn)為止這一期間所產(chǎn)生的沉降,主要是盾構(gòu)擾動(dòng)土體所致。(4)盾尾空隙沉降。盾構(gòu)機(jī)的尾部通

4、過觀測(cè)點(diǎn)的正下方之后所產(chǎn)生的沉降,是盾尾空隙的土體應(yīng)力釋放所引起的彈塑性變形。(5)后續(xù)固結(jié)沉降。由于施工過程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng),土中孔隙水壓力上升,隨著孔隙壓力的消散,地層會(huì)發(fā)生主固結(jié)沉降;在孔隙水壓力趨于穩(wěn)定后,土體骨架仍會(huì)蠕變,即次固結(jié)沉降。上述沉降階段多非同時(shí)產(chǎn)生,且其表現(xiàn)形式也是綜合性的。地基條件和施工狀況不同,沉降的類型也會(huì)有所不同。33地表沉降的原因盾構(gòu)施工時(shí),地表沉降與施工條件和地質(zhì)特性密切相關(guān),且原因很多[3],[4],歸納起來主要有以下幾方面。根據(jù)國(guó)內(nèi)外部份經(jīng)驗(yàn),將沉降原因、機(jī)理分類整理如表1。　　(1)降水的影響。盾構(gòu)隧道施工中常采用降水措施,在正常掘進(jìn)過程中也會(huì)經(jīng)常性

5、地堵水、排水,降水會(huì)使地層中原來的靜水水位改變成漏斗狀曲面水位,使含水地層中土的有效應(yīng)力增加,產(chǎn)生固結(jié)沉降。(2)地層原始應(yīng)力狀態(tài)的變化。在原來處于穩(wěn)定狀態(tài)的地層中開挖隧道,對(duì)周圍的土體必有擾動(dòng)影響。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),開挖面土體的松動(dòng)、擠壓和坍塌,導(dǎo)致地層原始應(yīng)力狀態(tài)的改變。土體極限平衡狀態(tài)的破壞,引起了地表的下沉或隆起。(3)盾構(gòu)擠壓擾動(dòng)的影響。開挖、掘進(jìn)時(shí)都不同程度地對(duì)土層產(chǎn)生擠壓擾動(dòng)。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)遇到彎道以及進(jìn)行水平或垂直糾偏時(shí),也會(huì)使周圍的土體受到擠壓擾動(dòng),從而引起地表變形,其變形大小與地層的土質(zhì)及隧道的埋深有關(guān)。(4)管片環(huán)變形的影響。隧道襯砌脫出盾尾之后,在土壓力的作用下,管片之間的防水

6、層和縫隙會(huì)被擠壓緊密,管片環(huán)也會(huì)產(chǎn)生輕微變形,趨向于橢圓狀,這些也會(huì)導(dǎo)致地表的少量沉降。(5)盾尾空隙充填不足的影響。盾尾建筑空隙必須及時(shí)進(jìn)行充填,在不穩(wěn)定地層中施工時(shí),這一點(diǎn)更顯得重要。壓漿材料的性能及充填量均影響到地表沉降及其速度。盾構(gòu)施工中的糾偏或彎道施工時(shí)的局部超挖,會(huì)造成盾尾后部建筑空隙的不規(guī)則擴(kuò)大,其擴(kuò)大數(shù)量難以進(jìn)行估計(jì),空隙如果無法得到及時(shí)充填,會(huì)導(dǎo)致地表沉降。4地表沉降預(yù)測(cè)公式在盾構(gòu)法隧道施工推廣應(yīng)用的過程中,國(guó)外專家們根據(jù)工程實(shí)例進(jìn)行了大量研究,逐漸建立了以peck沉陷槽為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)理論,如Attewell等方法對(duì)所選用的工程實(shí)用性較強(qiáng),同時(shí)受地質(zhì)條件變化的影響很大,因此公

7、式中系數(shù)的正確取值將直接影響到這些公式的適用性。4.1地表橫向沉降預(yù)測(cè)peck[1]通過對(duì)隧道地表面沉降槽形狀的觀察以及對(duì)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,于1969年在墨西哥土力學(xué)及地基基礎(chǔ)工程國(guó)際會(huì)議上首次提出了二維沉陷槽斷面形狀,如圖2所示。并認(rèn)為沉降槽的體積應(yīng)等于地層的損失量。(1)地表沉降橫向分布的估算公式為(1)式。因此,地面沉陷的橫向分布公式可改寫為(3)式。(3)隧道地表沉陷槽寬度B則按下式計(jì)算B=2×2·