城市地鐵淺埋暗挖隧道地層沉降分析與控制

1、城市地鐵淺埋暗挖隧道地層沉降分析與控制        摘要結(jié)合深圳地鐵一期工程第六標(biāo)段科華區(qū)間暗挖隧道工程實(shí)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(yán)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(duì)策,為軟土地層進(jìn)行城市地鐵暗挖隧道有效控制沉降提供借鑒。關(guān)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(shè)的迅猛,地面空間壓力越來(lái)越大,為解決城市、停車、貿(mào)易、通訊、供水、供電等工程項(xiàng)目占地的重大難

2、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(wú)論其埋深大小,均將擾動(dòng)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(hù)要求,分析引起沉降的主要因素,并采取適當(dāng)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。2 地層沉降的特性      深圳地鐵一期工程全長(zhǎng)19.47雙正線km,共設(shè)車站17座,除4個(gè)區(qū)間采取盾構(gòu)施工外,其余區(qū)間均為暗挖施工,根

3、據(jù)監(jiān)測(cè)資料匯總分析,區(qū)間隧道開挖對(duì)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100200mm,個(gè)別點(diǎn)達(dá)250mm以上;而洞內(nèi)拱頂沉降值相對(duì)較小,最大100mm左右,洞內(nèi)周邊收斂值不超過(guò)10mm。(2) 開挖對(duì)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(cè)資料看,開挖引起地表沉降縱向、橫向范圍較大,一般超過(guò)開挖兩側(cè)邊緣約3040m的地面出現(xiàn)沉降裂縫,在砂層地段甚

4、至更遠(yuǎn)。(3)支護(hù)成環(huán)后土體達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間較長(zhǎng)      從深圳地鐵施工情況看,隧道初期支護(hù)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(duì)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(xué)理論認(rèn)

5、為,淺埋暗挖隧道上覆地層已無(wú)自承載能力,荷載應(yīng)全部由隧道結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)。但實(shí)踐表明,不僅土層,即使是干砂,地層仍能形成載拱。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(shí),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(dòng)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(huì)更嚴(yán)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)

6、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(cè)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(yīng)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(hù)概念就是在允許地層產(chǎn)生穩(wěn)定的位移條件下,使支護(hù)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(hù),地層預(yù)加固與及時(shí)支護(hù)且封閉成環(huán)是超淺埋暗挖隧道的關(guān)鍵。      多孔介質(zhì)土且具潛在

7、坍滑面的地層,隨地表下沉、地層應(yīng)力的釋放,坍滑面會(huì)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(jiàn),控制地層應(yīng)力釋放度是解決下沉及波及范圍的關(guān)鍵。(4) 隧道作用的疊加影響      實(shí)踐表明,已襯砌的隧道,當(dāng)兩隧道的中心線距>2.5D(D為隧道寬度)時(shí),兩隧道之間的相互作用減弱,但若中心線距2D時(shí),則其相互作用明顯。對(duì)未襯砌隧道,當(dāng)兩隧道中心線距為5D時(shí),可不考慮相互作用,但中心線距3D時(shí),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(shí)開挖對(duì)地層的擾動(dòng)要大于單一隧道的開挖,會(huì)造成地層的突然松弛,出現(xiàn)大的和

8、持續(xù)不斷的沉降。兩隧道的相互作用會(huì)使地表沉降有疊加效應(yīng),因此在左右線間距一定的情況下,增大兩隧道的相對(duì)開挖距離是減少其疊加作用影響的關(guān)鍵。(5) 施工方法      城市地鐵隧道開挖常用的工法中,臺(tái)階法是引起地表下沉最為嚴(yán)重的一種施工方法,但因其操作簡(jiǎn)單,成本低,只要措施得當(dāng),一般可滿足地表沉降要求。國(guó)內(nèi)外區(qū)間單線隧道施工多采用臺(tái)階法。但臺(tái)階法也多種多樣,需根據(jù)不同的斷面形式及地層條件謹(jǐn)慎選取。      應(yīng)用臺(tái)階法的關(guān)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(tái)階長(zhǎng)度不可過(guò)短。

9、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(tái)階法的理論與實(shí)踐表明,軟弱地層臺(tái)階長(zhǎng)度不宜小于56m,若涌水嚴(yán)重,山嶺隧道普遍采用的24m超短臺(tái)階應(yīng)杜絕應(yīng)用。一般而言,臺(tái)階長(zhǎng)度愈長(zhǎng),工作面前方土體對(duì)工作面的擠壓流動(dòng)會(huì)愈小,工作面愈穩(wěn)定。另一方面,在軟弱地層采用臺(tái)階法時(shí),應(yīng)充分領(lǐng)悟“淺埋暗挖”的精神實(shí)質(zhì)即早封閉理念,一般多在上臺(tái)階底部增設(shè)臨時(shí)仰拱,使上下臺(tái)階及早各自閉合成環(huán)。1         (6)開挖進(jìn)尺的影響   

10、;   開挖進(jìn)尺的大小實(shí)質(zhì)上是工作面無(wú)支護(hù)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(shí)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(jìn)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(méi)有什么關(guān)系,與隧道的直徑呈線性關(guān)系。法國(guó)的研究表明,如果工作面無(wú)支護(hù)距離小于0.2D,對(duì)穩(wěn)定工作面開挖的支撐力無(wú)特別要求,但若超過(guò)此值,則無(wú)支護(hù)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(huì)失穩(wěn)。軟弱地層

11、、淺埋暗挖法施工的地鐵隧道,開挖進(jìn)尺的控制十分重要,應(yīng)分析研究,有目的地控制。(7)工作面的推進(jìn)速度      沉降具有時(shí)空效應(yīng)。工作面推進(jìn)速度的加快,意味著各工序時(shí)間的縮短,隧道開挖裸露的空間亦小,其存在的時(shí)間亦短,利于控制地層變位的調(diào)整。(8)初期支護(hù)剛度      大剛度支護(hù)是控制地表下沉的有效措施,尤其是對(duì)淺埋暗挖隧道。在總剛度一定的條件下,地層剛度小,勢(shì)必要增大初期支護(hù)的剛度。復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),根據(jù)設(shè)計(jì)的荷載分配,一般結(jié)構(gòu)二次襯砌不承擔(dān)施工期荷載,但根據(jù)實(shí)際施工及有關(guān)監(jiān)測(cè)資料,初期支護(hù)后

12、至地表達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng),唯有二次襯砌后,隧道及地表才完全穩(wěn)定。因此,適當(dāng)提高初期支護(hù)剛度對(duì)穩(wěn)定地層是有好處的。4控制地層沉降的對(duì)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(shè)計(jì)與巧妙的施工乃是控制地表下沉的最為關(guān)鍵的手段。針對(duì)上述原因分析,提出以下控制對(duì)策供。(1) 領(lǐng)會(huì)并嚴(yán)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(shí)踐基礎(chǔ)之上提出的具有我國(guó)特色的軟土隧道施工方法。它的精神實(shí)質(zhì)及要領(lǐng)都融合在這十八字方針里“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)

13、、快封閉、勤量測(cè)”。      “管超前”不僅僅是簡(jiǎn)單地利用小導(dǎo)管等進(jìn)行超前預(yù)加固支護(hù),其加固效果與小導(dǎo)管直徑、長(zhǎng)度、間距、安設(shè)角度、搭接長(zhǎng)度以及漿液等都有關(guān)系;“短開挖”不是指臺(tái)階長(zhǎng)度短,而是指控制循環(huán)進(jìn)尺,少擾動(dòng)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(yīng)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(lǐng)會(huì)十八字方針,在施工中認(rèn)真貫徹落實(shí)。(2)適度排放地下水    &#

14、160; 地下水的排放無(wú)疑會(huì)使上覆地層尤其是隧道工作面附近地層的強(qiáng)度增加,剛度變大。但對(duì)于砂層、礫砂等特殊地層,過(guò)度抽排地下水,會(huì)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(yīng)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(shí),盡量縮短抽排時(shí)間,掌子面開挖過(guò)后及時(shí)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(shí)調(diào)整小導(dǎo)管、格柵支護(hù)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    

15、  為有效控制地表沉降,臺(tái)階法應(yīng)預(yù)留核心土,臺(tái)階長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)地層條件確定,地層愈軟,臺(tái)階長(zhǎng)度愈長(zhǎng);為使開挖各分部早閉合,上臺(tái)階一般應(yīng)增設(shè)臨時(shí)仰拱,特殊地段上臺(tái)階拱腳處應(yīng)架設(shè)鋼支撐噴混凝土作托梁,實(shí)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(shí),兩隧道的開挖對(duì)地層沉降會(huì)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(jìn)尺      城市地鐵尤其是軟弱地層隧道,開挖進(jìn)尺應(yīng)盡量小。根據(jù)

16、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),建議每循環(huán)進(jìn)尺取斷面開挖寬度的0.1倍。(6)加快工作面的推進(jìn)速度      工作面速度的加快,意味著各工序施工時(shí)間的縮短,地層應(yīng)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(hù)剛度      初期支護(hù)施作后,本身有一個(gè)徐變過(guò)程。超前支護(hù),一般采取增大小導(dǎo)管直徑、減小布置間距、嚴(yán)格注漿等措施加強(qiáng);鋼格柵,在間距一定時(shí),宜增大主筋直徑,增大支護(hù)初期剛度,以控制沉降。(8)合理安排二次襯砌時(shí)間      孔隙水的調(diào)整所產(chǎn)生的附加應(yīng)力是一個(gè)漫長(zhǎng)的遞增過(guò)程。軟弱富水地層,隨著滲排水,地表大范圍沉降,初期支護(hù)的剛度與地層剛度的相互作用會(huì)愈來(lái)愈強(qiáng),因此,軟土隧道應(yīng)及時(shí)施作二次襯砌。深圳地鐵隧道的實(shí)踐表明,二次襯砌施作后,地層變位趨于穩(wěn)定。5 結(jié)論 &#