張宇旭 占 鸚

(1黃石理工學院,湖北黃石 435003;2華新水泥股份有限公司技術管理中心,湖北黃石 435002)

0 引言

近年來,隨著城市的擴張及交通發(fā)展的需要,國內各大城市紛紛推出了地鐵網絡修建規(guī)劃,其中大部分都已處于實施階段,國內地鐵建設的高潮即將到來。但隨之而來的各種工程問題也層出不窮?？傮w而言,區(qū)間隧道線路設計應滿足城市規(guī)劃等方面的要求,同時應盡可能減小對周邊環(huán)境、地面交通的影響,合理選擇施工方法和結構型式,盡量減少施工期間和建成后對環(huán)境造成的不利影響。隧道施工引起的地面沉降和隆起均應控制在環(huán)境條件允許的范圍以內,依據周圍環(huán)境、建筑物基礎和地下管線對變形的敏感程度,采取穩(wěn)妥可靠的措施。本文就一工程實例對這方面的問題進行了一些探討[1]。

1 工程概況

本文所研究的某地鐵區(qū)間地表場地原為機場,地勢較為平坦,四周較為空曠,暫未發(fā)現重要的地下管線、廢棄防空洞等。周邊環(huán)境條件較為寬松,地下環(huán)境相對簡單。地面高程一般在 21.00～22.51 m之間,最大高差為1.51m,地貌單元屬長江一級階地。

根據場區(qū)工程地質條件,就隧道埋深范圍內巖土工程特性而言,該區(qū)間采用土壓平衡式盾構。根據區(qū)間線路縱剖面所示,區(qū)間隧道埋深最深處隧道底部距地表以下約 24 m,最淺處隧道底部距地表以下約 15 m。隧道線路通過擬修建的假山下方如圖 1所示。

圖1 假山與隧道相對位置關系示意圖

假山將以場地附近基坑取土后堆積形成,假山頂部標高約為 38 m,堆載面積約為180m×120m,一側鞍部與區(qū)間呈斜交,受到影響的區(qū)間范圍約為180m左右。關于假山施工對該范圍內盾構區(qū)間的影響,可以從地基的變形及管片受力 2個角度來分析。一方面由于上部假山的堆載作用,在土體中產生附加應力,引起土體的壓縮,其中盾構隧道以下土體的沉降會引起盾構區(qū)間隨之發(fā)生剛體位移,導致線路縱坡的改變。如果沿線路縱向產生不均勻沉降,還會導致管片連接處產生應力集中,使管片之間的連接發(fā)生破壞;另一方面,假山的堆載還會引起管片荷載的增大,有可能超過管片的承載力,影響隧道的結構安全。

2 計算條件

在場區(qū)最大勘探深度范圍內,根據鉆探資料、原位測試和土工試驗成果分析,場區(qū)土層除上部為填土層外,其下部主要為第 4系全新統沖積(Q4al)的粘性土層、砂層、中粗砂夾礫卵石層,下伏基巖為志留系(S2 f)的泥巖和砂巖。根據年代、成因、土層結構特征及強度上的差異,場地土自上而下可分為 4層,其中第1層填土分 2個亞層,第 2層分 5個亞層,第 3層分 3個亞層,第 4層分 4個亞層。根據盾構隧道的埋深情況,將相關土層力學性質指標列于表 1中。

表1 相關土層力學性質指標

3 各種條件下的沉降分析

3.1 數值計算模型及參數

為了更好地分析由于假山的堆載作用對盾構隧道的影響,根據該區(qū)間附近的地形和地質資料,采用數值分析軟件對堆載及隧道開挖的過程進行了模擬。由于盾構隧道與假山的施工協調問題,導致不能確定二者的施工順序,因此,對假定假山先施工與假山后施工 2種情況進行分析[2]。

本文的分析模型取一個典型斷面按照平面問題來進行分析,該分析模型長度方向取為82.5m,高度方向取為48 m,厚度方向取為1m,簡化為平面問題進行分析。網格劃分及開挖過程示意圖如圖 2～9所示。以下主要考慮流固耦合條件下位移、沉降的分析。

圖2 模型及網格劃分示意圖

圖3 假山堆載示意圖

圖4 假山堆載引起的豎向位移等值線圖(單位:m)

圖5 假山堆載沉降未完成 t=0時隧道開挖引起的豎向位移等值線圖(單位:m)

圖6 假山堆載沉降未完成t=180 d時隧道開挖引起的豎向位移等值線圖(單位:m)

圖7 假山堆載沉降未完成t=240 d時隧道開挖引起的豎向位移等值線圖(單位:m)

圖8 假山堆載情況下隧道開挖引起的粘土層平均豎向變形與時間關系圖

圖9 假山堆載完成后隧道開挖時的豎向位移等值線圖(單位:m)

3.2 數值計算結果分析

根據初勘報告,由于 4-1層及 4-2層滲透系數達到了1.2×10-2cm/s,這意味著假山施工完畢后這兩層由于假山堆載所造成的沉降也就隨之完成,即使盾構區(qū)間在假山堆載施工完畢后馬上進行,4-1層及 4-2層的壓縮變形也不會對盾構區(qū)間產生影響。但 3-4及3-5層的滲透系數較小,由于假山堆載所造成的沉降完成需要一定的時間,若盾構區(qū)間在假山堆載施工完畢后馬上進行,則盾構區(qū)間會隨著假山堆載沉降的逐漸完成,而產生相應較大的沉降位移,無法滿足盾構隧道的限界要求。為了減小這種因素對盾構區(qū)間的影響,建議在假山堆載施工完畢后間隔一定的時間,再進行盾構隧道的施工。

由圖 4～9可以看出,當假山堆載引起的固結沉降全部完成后再進行盾構隧道的施工時,洞周土體的位移是由開挖后的應力釋放所引起;而當假山堆載后馬上進行盾構隧道施工時,由于假山的堆載作用較大,其位移等值線根據堆土厚度的大小呈現出明顯的分層特性,表明位移場以堆載引起的豎向壓縮變形為主。為考慮粘土層壓縮變形的時間效應,進行了流固耦合條件下的位移分析,如圖 5～8所示。由圖中所示可知,當 t=180 d時,粘土層的平均沉降已基本趨于穩(wěn)定,大部分的固結變形在堆載施工完成后的前 6個月已經完成[3]。

3.3 沉降時間的解析計算

由 3-4、3-5土層參數的建議值,可以得到:滲透系數k=16.08 cm/年,初始空隙比e0=1.194,壓縮系數a=0.67 MPa,固結系數Cv=5.27×105cm/年,對于單面排水的情況,當土的固結度達到 80%時,時間因數Tv=0.45,由于H=9 m,則需要的時間為t= 0.45×(900)2/(5.27×105)=0.69年,即建議在假山堆載施工完畢后間隔 8個月左右再施作盾構區(qū)間,此時,由于假山堆載造成的沉降對盾構施工的影響較小。

由于數值分析與解析計算在理論假定、參數的選取以及邊界條件的確定等諸方面存在差異,導致分析結果有些出入,這在工程應用上是可以接受的。但從工程經驗及實際情況出發(fā),最終選取了解析計算所得到的偏保守的結果作為后續(xù)施工的依據,即在假山堆載施工完畢后間隔 8個月左右再施作盾構區(qū)間[4]。

4 結論

根據本文的分析結果,可以對工程的施工方法和施工順序提出一些有益的指導,結論如下:

1)對于區(qū)間隧道下部存在粘性土地段的掘進施工,宜在假山堆載引起的土層壓縮過程結束后進行,以盡量減小沉降對隧道的影響?？紤]到 3-4土層的欠固結特性,建議盾構施工在假山堆載施工完全結束后進行,間隔時間至少應大于 8個月。

2)若因工期要求等原因,盾構掘進須在粘性土的固結沉降完成之前進行時,應對粘性土層進行加固處理,以改善其工程性質,減小土層的最終沉降至允許范圍。

3)由于假山附近盾構區(qū)間的埋藏位置較深(上覆土層厚度15～17m),管片內力較大,因此,建議管片后進行環(huán)狀注漿,管片內力的改善情況有待于進一步的研究。

[1] 尹超旅,朱振宏,李玉珍,等,譯.日本隧道盾構新技術[M].武漢:華中理工大學出版社,1999

[2] 唐益群,葉為民.上海地鐵盾構施工引起地面沉降的分析研究[J].地下空間,1995,15(4): 250-258

[3] 袁敏正,竺維彬.盾構技術在廣州地鐵的應用及發(fā)展[J].廣東土木與建筑,2004(8):3-7

[4] 楊秀仁.北京地鐵盾構隧道設計施工要點[J].都市快軌交通,2004,17(6):32-37