杭州慶春路過江盾構(gòu)隧道施工引起的大堤沉降實(shí)測(cè)分析

杭州慶春路過江盾構(gòu)隧道施工引起的大堤沉降實(shí)測(cè)分析

1人工與自然條件的融合越江隧道由于其良好的航道狀況、無氣候條件、抗疲勞防滑性能和戰(zhàn)略意義，近年來被廣泛用于越江工程。泥水平衡盾構(gòu)法是越江隧道主要的施工方法之一,如上海上中路隧道工程、上海長(zhǎng)江隧道工程、武漢長(zhǎng)江隧道工程、南京長(zhǎng)江隧道工程等均采用泥水平衡盾構(gòu)施工。雖然盾構(gòu)法有機(jī)械化程度高、掘進(jìn)速度快、施工安全、對(duì)周圍環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點(diǎn),但仍不可避免地對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng),引起周圍地層的移動(dòng)和地表沉降。防洪大堤是整個(gè)防洪體系的重要組成部分,其抗洪能力直接關(guān)乎堤防保護(hù)范圍內(nèi)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。在上海若干越江隧道工程施工中,曾發(fā)生了大堤防汛墻底板滲水、防汛閘門變形、防汛墻倒塌等威脅提防安全的事故。因此,盾構(gòu)法越江隧道穿越大堤時(shí),如何控制施工減少對(duì)大堤的擾動(dòng),以確保大堤的安全是十分重要的問題。本文通過對(duì)杭州慶春路過江盾構(gòu)隧道施工大堤沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,討論了Peck公式在該工程中的適用性,對(duì)比分析了盾構(gòu)先后兩次穿越錢塘江南岸大堤時(shí)引起的大堤沉降,并結(jié)合工程實(shí)踐總結(jié)了泥水盾構(gòu)穿越堤壩控制沉降的措施。2工程概論和地質(zhì)條件2.1管片、盾構(gòu)隧道杭州慶春路過江隧道南北方向垂直穿越錢塘江,盾構(gòu)段總長(zhǎng)3532.442m,其中東線長(zhǎng)1765.478m,西線長(zhǎng)1766.924m。管片外徑11.3m,內(nèi)徑10.3m,厚50cm,環(huán)寬2m。管片采用通用楔型環(huán),采用6標(biāo)準(zhǔn)塊+2鄰接塊+1封頂塊的分塊形式,錯(cuò)縫拼裝,縱環(huán)向采用高強(qiáng)螺栓連接。盾構(gòu)隧道采用兩臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn),兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)均從江南盾構(gòu)工作井始發(fā),始發(fā)段縱向坡度為-4.25%。盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)11.4m;后配3節(jié)拖車,上載砂漿泵、電器液壓設(shè)備、主控室等,長(zhǎng)約20m。盾構(gòu)主機(jī)總重1100t,外徑11.65m。2.2工程地質(zhì)與土層評(píng)價(jià)沿線場(chǎng)地地貌主要為錢塘江河床及兩岸的錢塘江河口沖海積平原,錢塘江南北兩岸已建成標(biāo)準(zhǔn)堤塘,岸區(qū)已不受潮汐影響,地貌上屬平原。擬建隧道與錢塘江垂直,該段河面寬度約為1200m,岸區(qū)標(biāo)高5.0~6.5m(85國(guó)家高程)左右。北岸為錢江新城,已建成慶春路,道路兩側(cè)以綠化帶為主;南岸以苗木、魚塘為主,因人工魚塘開挖影響,微地貌有一定起伏。盾構(gòu)施工主要穿越(3)層粉砂夾粉土、(4)層淤泥質(zhì)粉質(zhì)泥土、(5)層粉質(zhì)粘土、(6)層粉質(zhì)粘土、(7)層粉細(xì)砂和(8)層圓礫,各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。隧道穿越土層剖面見圖1。3材料和監(jiān)測(cè)概況錢塘江南岸大堤上垂直隧道方向布置4排沉降監(jiān)測(cè)斷面,編號(hào)D13~D16,布置情況如圖2所示。錢塘江南岸大堤于2002年建成,為50年一遇的標(biāo)準(zhǔn)堤塘。大堤頂部為寬8m的瀝青道路,有重型車輛頻繁通過。大堤結(jié)構(gòu)見圖3。各監(jiān)測(cè)斷面垂直于隧道軸線,測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。根據(jù)各個(gè)斷面地表的具體情況,實(shí)際測(cè)點(diǎn)布置有所變動(dòng)。4地表沉降槽t對(duì)隧道開挖引起地面位移的預(yù)測(cè),目前工程實(shí)踐中普遍采用的是Peck公式。Peck提出的地面沉降橫向分布估算公式為:式中S(x)———地層損失引起的地面沉降;x———距隧道中心線的距離;Smax———隧道中心線處地層損失引起的最大沉降量;i———地表沉降槽寬度系數(shù);Vs———隧道單位長(zhǎng)度地層損失;η———地層損失率,為地表沉降槽的面積與隧道開挖面積之比;對(duì)于i的取值,應(yīng)用最為廣泛的是O’Reilly&New(1982)根據(jù)倫敦地區(qū)經(jīng)驗(yàn)提出的:式中K———沉降槽寬度參數(shù);z0———隧道軸線埋深。4.1沉降速度分析西線盾構(gòu)于2009年5月5日開始掘進(jìn),7月24日至8月3日期間穿越錢塘江南岸大堤;東線盾構(gòu)2009年6月22日始發(fā),8月29日至9月2日穿越大堤。東西線相距60m,在正常施工情況下相互影響較小。圖5為東西線隧道軸線位置大堤沉降隨盾尾離開時(shí)間的變化曲線,圖中地表隆起記為正值,地表沉降記為負(fù)值。WD13~WD16為西線隧道監(jiān)測(cè)斷面,ED13~ED16為東線隧道監(jiān)測(cè)斷面。從圖5可以發(fā)現(xiàn):(1)WD13~WD16沉降規(guī)律基本一致:盾尾脫離后,沉降速度較大;盾尾脫離約15d之后,沉降曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,沉降速度明顯變慢;盾尾脫離約88d之后,地表沉降趨于穩(wěn)定。(2)ED13~ED16沉降規(guī)律基本一致:盾尾脫離后,沉降速度相比西線要小;直至盾尾脫離約53d期間,沉降累積、沉降速度緩慢變小;之后沉降基本趨于穩(wěn)定。(3)西線盾構(gòu)穿越時(shí)引起的大堤沉降與東線差別很大,西線在盾尾脫離初期(0~15d)沉降速度更大,且沉降趨于穩(wěn)定所需時(shí)間比東線長(zhǎng)約33d,西線引起的大堤沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于東線。4.2地表沉降立體圖圖6為各監(jiān)測(cè)斷面在盾構(gòu)通過后沉降趨于穩(wěn)定時(shí)地表沉降立體圖。從圖6可以看出,垂直于隧道軸線方向,隧道軸線位置處的大堤沉降最大,向兩側(cè)遞減;西線隧道上方大堤沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于東線。4.3地表沉降特征本文使用Peck公式對(duì)實(shí)測(cè)橫向地表沉降曲線進(jìn)行擬合,評(píng)價(jià)Peck公式在預(yù)測(cè)大堤沉降時(shí)的適用性,并進(jìn)一步對(duì)比東西線隧道上方的大堤沉降。Peck公式假定施工引起的地表沉降是在不排水情況下發(fā)生的,沉降槽的體積等于地層損失的體積。大堤上各個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般在盾尾離開10d之前沉降速度較大,之后明顯變小并隨時(shí)間推移遞減。所以認(rèn)為盾尾離開10d之前的大堤沉降主要由地層損失引起,故均取各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面盾尾脫離10d之后的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,其擬合結(jié)果見表2。擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn),各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面橫向地表沉降曲線均可以用Peck公式較好地?cái)M合。從表2同樣可以看出,WD13~WD16大堤沉降擬合結(jié)果同ED13~ED16差別很大。ED13~ED16最大沉降量Smax為15.83~21.91mm,沉降槽寬度參數(shù)K取值范圍為0.240~0.338,地層損失率η取值范圍為0.252%~0.515%;WD13~WD16最大沉降量Smax為39.86~47.71mm,沉降槽寬度參數(shù)K取值范圍為0.325~0.471,地層損失率η取值范圍為0.990%~1.570%。WD13~WD16與ED13~ED16相比,沉降更大,沉降范圍更寬,地層損失率更大。圖7為部分監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)橫向地表沉降曲線,圖8~圖11為部分監(jiān)測(cè)斷面橫向地表沉降用Peck公式擬合的結(jié)果。4.4土體受盾構(gòu)施工擾動(dòng)西線堤頂沉降相對(duì)于東線較大的原因總結(jié)如下:(1)西線盾構(gòu)穿越大堤時(shí)降雨頻繁,且雨量大,持時(shí)久,降雨加劇了大堤沉降。降雨增加了大堤淺部土體的容重,并降低了其抗剪強(qiáng)度。大堤土體受到盾構(gòu)施工擾動(dòng),加上堤頂來往車輛對(duì)土體施加循環(huán)荷載,使大堤內(nèi)部土體迅速飽和,在地表持續(xù)降雨下,超孔隙水難以及時(shí)排出,使土體更容易產(chǎn)生流滑。(2)西線盾構(gòu)在穿越大堤時(shí),由于出碴不暢造成出漿管堵塞,泥漿管內(nèi)壓力急劇增大,導(dǎo)致泥漿軟管發(fā)生爆裂,引起切口泥水壓力發(fā)生劇烈波動(dòng),盾構(gòu)停機(jī)保壓1d,更換泥漿軟管。當(dāng)盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)又對(duì)地層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)。(3)在充分總結(jié)西線盾構(gòu)過堤的經(jīng)驗(yàn)后,東線盾構(gòu)穿越大堤時(shí)采取了一系列施工保護(hù)措施,優(yōu)化了施工參數(shù),減少了施工對(duì)大堤的擾動(dòng)。4.5雙線掘進(jìn)參數(shù)在充分總結(jié)西線盾構(gòu)過堤經(jīng)驗(yàn)后,東線盾構(gòu)穿越大堤時(shí)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。良好的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制,是東線盾構(gòu)穿堤引起大堤沉降明顯小于西線隧道的重要原因之一?，F(xiàn)選取東西線D14斷面,分析不同掘進(jìn)參數(shù)對(duì)堤面沉降的影響。圖12為東線堤頂監(jiān)測(cè)斷面ED14及西線堤頂監(jiān)測(cè)斷面WD14軸線位置沉降隨盾尾離開時(shí)間的變化曲線。由圖12可見,盡管東西線監(jiān)測(cè)斷面地層及隧道埋深、大堤狀況等相同,但兩監(jiān)測(cè)斷面沉降差異較大。東線ED14最終沉降在40mm之內(nèi),而西線WD14沉降接近70mm。盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面之前,西線WD14產(chǎn)生的堤面沉降更大;盾尾脫離后,西線盾尾沉降速度和沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于東線;東線堤面在盾尾脫離53d后基本穩(wěn)定,而西線在脫離約90d后才趨于穩(wěn)定。圖13為兩線盾構(gòu)穿越D14斷面期間掘進(jìn)進(jìn)度曲線。由圖13可見,穿越D14斷面期間,東線盾構(gòu)掘進(jìn)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于西線,計(jì)算得西線穿越時(shí)平均速度為5.85m/d、東線為9.74m/d。在保證盾構(gòu)穩(wěn)定均勻掘進(jìn)的前提下,提高盾構(gòu)掘進(jìn)速度:(1)可以減少盾構(gòu)及后續(xù)拖車巨大壓重壓縮下臥土層引起的地面沉降。(2)可以縮短同步注漿漿液填充盾尾脫離時(shí)產(chǎn)生的建筑空隙的時(shí)間,減少由于盾尾間隙引起的地層損失沉降。由此看來,東線掘進(jìn)速度大于西線是其堤面沉降小于西線的原因之一。兩線盾構(gòu)穿越D14斷面時(shí),部分掘進(jìn)參數(shù)記錄見表3。由表3可見:(1)切口泥水壓力及切口總推力,東線盾構(gòu)大于西線。東線適當(dāng)提高了切口泥水壓力及總推力,降低了開挖面土體損失,這是東線在切口到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面之前地面沉降較小的原因之一。(2)及時(shí)充分地填充由于盾尾脫離產(chǎn)生的建筑空隙沉降,是控制盾尾沉降的關(guān)鍵。西線WD14斷面盾尾脫離時(shí),同步注漿耗時(shí)6h,而東線僅為2h。西線平均注漿量為21.83m3,而東線僅為17.52m3。可見,單純?cè)黾幼{量并不能起到較好地控制盾尾沉降的效果。西線盾尾同步注漿遠(yuǎn)大于東線,是西線盾尾沉降遠(yuǎn)大于東線的原因之一。(3)東線盾構(gòu)姿態(tài)控制優(yōu)于西線,且姿態(tài)波動(dòng)較小。良好的盾構(gòu)姿態(tài)控制,可以致使盾殼與周圍土層的摩擦、擠壓較小,減少施工擾動(dòng),進(jìn)而減少擾動(dòng)土體固結(jié),這是東線堤面固結(jié)沉降量和沉降時(shí)間遠(yuǎn)小于西線的原因之一。5下錨岸西線隧道上方大堤在盾構(gòu)穿越3個(gè)月后堤頂沉降趨于穩(wěn)定,沉降值控制在70mm之內(nèi),不均勻沉降斜率在0.24%之內(nèi),現(xiàn)場(chǎng)觀察大堤未見明顯裂隙,盾構(gòu)穿越對(duì)大堤的正常使用和安全并沒有造成太大影響;堤頂仍有車輛頻繁通過,盾構(gòu)穿越并未破壞堤頂?shù)缆范绊戃囕v的正常通行。因此認(rèn)為,盾構(gòu)穿堤時(shí)采取的施工措施行之有效,大堤沉降控制在安全范圍內(nèi)。結(jié)合本工程盾構(gòu)越堤的工程經(jīng)驗(yàn),參照國(guó)內(nèi)若干工程實(shí)例[6、7],對(duì)泥水盾構(gòu)穿越大堤給出以下建議。(1)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)的控制(1)對(duì)大堤結(jié)構(gòu)及大堤處隧道開挖面及上覆土層進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查,分析盾構(gòu)穿越對(duì)大堤可能造成的影響及盾構(gòu)施工的不利因素,針對(duì)性地提出應(yīng)對(duì)措施。(2)對(duì)盾構(gòu)全面檢修,以保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn),避免在穿堤時(shí)停機(jī)檢修。(3)在對(duì)大堤結(jié)構(gòu)、隧道穿越及上覆土層分析之后,并基于當(dāng)前施工經(jīng)驗(yàn),如果認(rèn)為盾構(gòu)施工會(huì)影響大堤的正常使用和安全,或?qū)Τ两岛筒町惓两档目刂埔筝^嚴(yán)格,當(dāng)前施工無法滿足時(shí),需對(duì)施工影響范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固。(4)準(zhǔn)備必要的應(yīng)急物資和搶險(xiǎn)設(shè)備,一旦出現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)處理。(2)穿越麻黃的風(fēng)險(xiǎn)(1)合理安排施工進(jìn)度,避免在雨季和汛期穿越大堤。(2)對(duì)于堤頂有車輛通行的情況,在盾構(gòu)穿越時(shí)和穿越后一段時(shí)間內(nèi),如條件許可,應(yīng)使車輛繞行,避免車輛對(duì)大堤的再次擾動(dòng)。(3)在坍塌時(shí)，應(yīng)連續(xù)優(yōu)化每個(gè)施工參數(shù)，并以滿足每個(gè)參數(shù)，以最小影響周圍層的影響(1)水平分層開挖土體因穿堤時(shí)覆土厚度不斷變化,泥水壓力難以隨水土壓力及時(shí)調(diào)節(jié),為避免泥水壓力過小導(dǎo)致開挖面土體失穩(wěn),建議取隧道最大埋深設(shè)定泥水壓力,同時(shí)將大堤結(jié)構(gòu)的超載考慮在內(nèi)。當(dāng)開挖面土層以粘性土為主時(shí),粘土易結(jié)塊,泥水艙及泥漿泵易堵塞,為避免堵塞引起泥水壓力波動(dòng),應(yīng)加大進(jìn)出泥漿流量,提高泥漿攜帶土塊的能力;同時(shí)加大刀盤轉(zhuǎn)速,減小掘削下土體的尺寸。泥漿的粘度、比重等參數(shù)要與當(dāng)前開挖面土質(zhì)相適應(yīng);進(jìn)出漿量要與掘進(jìn)速度相匹配,防止不合理的超挖和欠挖;盡可能避免泥水壓力的波動(dòng)。(2)注漿和密封在盾構(gòu)穿堤時(shí),適當(dāng)提高注漿量,合理設(shè)定注漿壓力,及時(shí)、同步地注漿;嚴(yán)格控制漿液質(zhì)量,在盾構(gòu)穿堤前反復(fù)試驗(yàn)確定漿液的最佳配比;注漿應(yīng)均勻,注漿量和掘進(jìn)速度相匹配;推進(jìn)時(shí)均勻、同步地壓注盾尾密封油脂,保證盾尾密封的止水效果。在盾構(gòu)通過后,進(jìn)行二次注漿,進(jìn)一步填充建筑空隙,抑制地層變形的進(jìn)一步發(fā)展。(3)盾構(gòu)與周圍土層之間的約束在保證開挖面穩(wěn)定的前提下,盡可能快速地通過大堤,并避免盾構(gòu)較長(zhǎng)時(shí)間的擱置;推進(jìn)軸線盡量與隧道軸線保持一致,減小糾偏量,減輕盾構(gòu)與周圍土層之間的摩擦;防止偏挖,減少盾構(gòu)機(jī)俯仰、偏轉(zhuǎn)及橫向偏移。(4)管道安裝質(zhì)量控制提高管片拼裝精度和拼裝質(zhì)量;加強(qiáng)螺栓連接,在盾構(gòu)通過一段距離后應(yīng)再對(duì)其復(fù)緊,避免襯砌變形過大引起大堤沉降。(5)監(jiān)測(cè)和控制在大堤上布置合理的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,加大監(jiān)測(cè)頻率,密切關(guān)注大堤沉降情況,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。(6)泥水艙壓力持續(xù)降雨時(shí),考慮到雨水入滲增加了土體重度,應(yīng)將泥水艙壓力適當(dāng)提高0.01~0.02MPa。對(duì)堤頂和坡面出現(xiàn)的張拉裂縫應(yīng)立即采取防滲措施,防止雨水入滲。(4)坍塌后的處理在盾構(gòu)穿越后,仍需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),掌握大堤的沉降狀況,出現(xiàn)情況及時(shí)處理。大堤沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)持續(xù)到沉降穩(wěn)定為止。6工程中價(jià)值地層及安全風(fēng)險(xiǎn)的控制(1)由于西線盾構(gòu)穿越大堤期間持續(xù)降雨,泥漿管爆裂引起泥水壓力劇烈波動(dòng),加之缺乏過堤施工經(jīng)驗(yàn),以及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制劣于東線等因素,致使西線盾構(gòu)施工引起的大堤沉降更大,沉降槽更寬,地層損失率更大。(2)本