杭州庆春路过江盾构隧道施工引起的大堤沉降实测分析

杭州庆春路过江盾构隧道施工引起的大堤沉降实测分析

1人工与自然条件的融合越江隧道由于其良好的航道状况、无气候条件、抗疲劳防滑性能和战略意义，近年来被广泛用于越江工程。泥水平衡盾构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、上海长江隧道工程、武汉长江隧道工程、南京长江隧道工程等均采用泥水平衡盾构施工。虽然盾构法有机械化程度高、掘进速度快、施工安全、对周围环境影响小等诸多优点,但仍不可避免地对周围土体产生扰动,引起周围地层的移动和地表沉降。防洪大堤是整个防洪体系的重要组成部分,其抗洪能力直接关乎堤防保护范围内人民生命财产安全。在上海若干越江隧道工程施工中,曾发生了大堤防汛墙底板渗水、防汛闸门变形、防汛墙倒塌等威胁提防安全的事故。因此,盾构法越江隧道穿越大堤时,如何控制施工减少对大堤的扰动,以确保大堤的安全是十分重要的问题。本文通过对杭州庆春路过江盾构隧道施工大堤沉降监测数据的分析,讨论了Peck公式在该工程中的适用性,对比分析了盾构先后两次穿越钱塘江南岸大堤时引起的大堤沉降,并结合工程实践总结了泥水盾构穿越堤坝控制沉降的措施。2工程概论和地质条件2.1管片、盾构隧道杭州庆春路过江隧道南北方向垂直穿越钱塘江,盾构段总长3532.442m,其中东线长1765.478m,西线长1766.924m。管片外径11.3m,内径10.3m,厚50cm,环宽2m。管片采用通用楔型环,采用6标准块+2邻接块+1封顶块的分块形式,错缝拼装,纵环向采用高强螺栓连接。盾构隧道采用两台泥水平衡盾构机掘进,两台盾构机均从江南盾构工作井始发,始发段纵向坡度为-4.25%。盾构主机长11.4m;后配3节拖车,上载砂浆泵、电器液压设备、主控室等,长约20m。盾构主机总重1100t,外径11.65m。2.2工程地质与土层评价沿线场地地貌主要为钱塘江河床及两岸的钱塘江河口冲海积平原,钱塘江南北两岸已建成标准堤塘,岸区已不受潮汐影响,地貌上属平原。拟建隧道与钱塘江垂直,该段河面宽度约为1200m,岸区标高5.0~6.5m(85国家高程)左右。北岸为钱江新城,已建成庆春路,道路两侧以绿化带为主;南岸以苗木、鱼塘为主,因人工鱼塘开挖影响,微地貌有一定起伏。盾构施工主要穿越(3)层粉砂夹粉土、(4)层淤泥质粉质泥土、(5)层粉质粘土、(6)层粉质粘土、(7)层粉细砂和(8)层圆砾,各土层物理力学指标见表1。隧道穿越土层剖面见图1。3材料和监测概况钱塘江南岸大堤上垂直隧道方向布置4排沉降监测断面,编号D13~D16,布置情况如图2所示。钱塘江南岸大堤于2002年建成,为50年一遇的标准堤塘。大堤顶部为宽8m的沥青道路,有重型车辆频繁通过。大堤结构见图3。各监测断面垂直于隧道轴线,测点布置如图4所示。根据各个断面地表的具体情况,实际测点布置有所变动。4地表沉降槽t对隧道开挖引起地面位移的预测,目前工程实践中普遍采用的是Peck公式。Peck提出的地面沉降横向分布估算公式为:式中S(x)———地层损失引起的地面沉降;x———距隧道中心线的距离;Smax———隧道中心线处地层损失引起的最大沉降量;i———地表沉降槽宽度系数;Vs———隧道单位长度地层损失;η———地层损失率,为地表沉降槽的面积与隧道开挖面积之比;对于i的取值,应用最为广泛的是O’Reilly&New(1982)根据伦敦地区经验提出的:式中K———沉降槽宽度参数;z0———隧道轴线埋深。4.1沉降速度分析西线盾构于2009年5月5日开始掘进,7月24日至8月3日期间穿越钱塘江南岸大堤;东线盾构2009年6月22日始发,8月29日至9月2日穿越大堤。东西线相距60m,在正常施工情况下相互影响较小。图5为东西线隧道轴线位置大堤沉降随盾尾离开时间的变化曲线,图中地表隆起记为正值,地表沉降记为负值。WD13~WD16为西线隧道监测断面,ED13~ED16为东线隧道监测断面。从图5可以发现:(1)WD13~WD16沉降规律基本一致:盾尾脱离后,沉降速度较大;盾尾脱离约15d之后,沉降曲线出现转折,沉降速度明显变慢;盾尾脱离约88d之后,地表沉降趋于稳定。(2)ED13~ED16沉降规律基本一致:盾尾脱离后,沉降速度相比西线要小;直至盾尾脱离约53d期间,沉降累积、沉降速度缓慢变小;之后沉降基本趋于稳定。(3)西线盾构穿越时引起的大堤沉降与东线差别很大,西线在盾尾脱离初期(0~15d)沉降速度更大,且沉降趋于稳定所需时间比东线长约33d,西线引起的大堤沉降远远大于东线。4.2地表沉降立体图图6为各监测断面在盾构通过后沉降趋于稳定时地表沉降立体图。从图6可以看出,垂直于隧道轴线方向,隧道轴线位置处的大堤沉降最大,向两侧递减;西线隧道上方大堤沉降远远大于东线。4.3地表沉降特征本文使用Peck公式对实测横向地表沉降曲线进行拟合,评价Peck公式在预测大堤沉降时的适用性,并进一步对比东西线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况下发生的,沉降槽的体积等于地层损失的体积。大堤上各个沉降监测点一般在盾尾离开10d之前沉降速度较大,之后明显变小并随时间推移递减。所以认为盾尾离开10d之前的大堤沉降主要由地层损失引起,故均取各个监测断面盾尾脱离10d之后的沉降数据进行分析,其拟合结果见表2。拟合结果发现,各个监测断面横向地表沉降曲线均可以用Peck公式较好地拟合。从表2同样可以看出,WD13~WD16大堤沉降拟合结果同ED13~ED16差别很大。ED13~ED16最大沉降量Smax为15.83~21.91mm,沉降槽宽度参数K取值范围为0.240~0.338,地层损失率η取值范围为0.252%~0.515%;WD13~WD16最大沉降量Smax为39.86~47.71mm,沉降槽宽度参数K取值范围为0.325~0.471,地层损失率η取值范围为0.990%~1.570%。WD13~WD16与ED13~ED16相比,沉降更大,沉降范围更宽,地层损失率更大。图7为部分监测断面的实测横向地表沉降曲线,图8~图11为部分监测断面横向地表沉降用Peck公式拟合的结果。4.4土体受盾构施工扰动西线堤顶沉降相对于东线较大的原因总结如下:(1)西线盾构穿越大堤时降雨频繁,且雨量大,持时久,降雨加剧了大堤沉降。降雨增加了大堤浅部土体的容重,并降低了其抗剪强度。大堤土体受到盾构施工扰动,加上堤顶来往车辆对土体施加循环荷载,使大堤内部土体迅速饱和,在地表持续降雨下,超孔隙水难以及时排出,使土体更容易产生流滑。(2)西线盾构在穿越大堤时,由于出碴不畅造成出浆管堵塞,泥浆管内压力急剧增大,导致泥浆软管发生爆裂,引起切口泥水压力发生剧烈波动,盾构停机保压1d,更换泥浆软管。当盾构恢复掘进时又对地层产生较大的扰动。(3)在充分总结西线盾构过堤的经验后,东线盾构穿越大堤时采取了一系列施工保护措施,优化了施工参数,减少了施工对大堤的扰动。4.5双线掘进参数在充分总结西线盾构过堤经验后,东线盾构穿越大堤时对掘进参数进行了优化。良好的盾构掘进参数控制,是东线盾构穿堤引起大堤沉降明显小于西线隧道的重要原因之一。现选取东西线D14断面,分析不同掘进参数对堤面沉降的影响。图12为东线堤顶监测断面ED14及西线堤顶监测断面WD14轴线位置沉降随盾尾离开时间的变化曲线。由图12可见,尽管东西线监测断面地层及隧道埋深、大堤状况等相同,但两监测断面沉降差异较大。东线ED14最终沉降在40mm之内,而西线WD14沉降接近70mm。盾尾离开监测断面之前,西线WD14产生的堤面沉降更大;盾尾脱离后,西线盾尾沉降速度和沉降量远远大于东线;东线堤面在盾尾脱离53d后基本稳定,而西线在脱离约90d后才趋于稳定。图13为两线盾构穿越D14断面期间掘进进度曲线。由图13可见,穿越D14断面期间,东线盾构掘进速度远远大于西线,计算得西线穿越时平均速度为5.85m/d、东线为9.74m/d。在保证盾构稳定均匀掘进的前提下,提高盾构掘进速度:(1)可以减少盾构及后续拖车巨大压重压缩下卧土层引起的地面沉降。(2)可以缩短同步注浆浆液填充盾尾脱离时产生的建筑空隙的时间,减少由于盾尾间隙引起的地层损失沉降。由此看来,东线掘进速度大于西线是其堤面沉降小于西线的原因之一。两线盾构穿越D14断面时,部分掘进参数记录见表3。由表3可见:(1)切口泥水压力及切口总推力,东线盾构大于西线。东线适当提高了切口泥水压力及总推力,降低了开挖面土体损失,这是东线在切口到达监测断面之前地面沉降较小的原因之一。(2)及时充分地填充由于盾尾脱离产生的建筑空隙沉降,是控制盾尾沉降的关键。西线WD14断面盾尾脱离时,同步注浆耗时6h,而东线仅为2h。西线平均注浆量为21.83m3,而东线仅为17.52m3。可见,单纯增加注浆量并不能起到较好地控制盾尾沉降的效果。西线盾尾同步注浆远大于东线,是西线盾尾沉降远大于东线的原因之一。(3)东线盾构姿态控制优于西线,且姿态波动较小。良好的盾构姿态控制,可以致使盾壳与周围土层的摩擦、挤压较小,减少施工扰动,进而减少扰动土体固结,这是东线堤面固结沉降量和沉降时间远小于西线的原因之一。5下锚岸西线隧道上方大堤在盾构穿越3个月后堤顶沉降趋于稳定,沉降值控制在70mm之内,不均匀沉降斜率在0.24%之内,现场观察大堤未见明显裂隙,盾构穿越对大堤的正常使用和安全并没有造成太大影响;堤顶仍有车辆频繁通过,盾构穿越并未破坏堤顶道路而影响车辆的正常通行。因此认为,盾构穿堤时采取的施工措施行之有效,大堤沉降控制在安全范围内。结合本工程盾构越堤的工程经验,参照国内若干工程实例[6、7],对泥水盾构穿越大堤给出以下建议。(1)盾构施工风险的控制(1)对大堤结构及大堤处隧道开挖面及上覆土层进行详细调查,分析盾构穿越对大堤可能造成的影响及盾构施工的不利因素,针对性地提出应对措施。(2)对盾构全面检修,以保证设备正常运转,避免在穿堤时停机检修。(3)在对大堤结构、隧道穿越及上覆土层分析之后,并基于当前施工经验,如果认为盾构施工会影响大堤的正常使用和安全,或对沉降和差异沉降的控制要求较严格,当前施工无法满足时,需对施工影响范围内的土体进行加固。(4)准备必要的应急物资和抢险设备,一旦出现险情及时处理。(2)穿越麻黄的风险(1)合理安排施工进度,避免在雨季和汛期穿越大堤。(2)对于堤顶有车辆通行的情况,在盾构穿越时和穿越后一段时间内,如条件许可,应使车辆绕行,避免车辆对大堤的再次扰动。(3)在坍塌时，应连续优化每个施工参数，并以满足每个参数，以最小影响周围层的影响(1)水平分层开挖土体因穿堤时覆土厚度不断变化,泥水压力难以随水土压力及时调节,为避免泥水压力过小导致开挖面土体失稳,建议取隧道最大埋深设定泥水压力,同时将大堤结构的超载考虑在内。当开挖面土层以粘性土为主时,粘土易结块,泥水舱及泥浆泵易堵塞,为避免堵塞引起泥水压力波动,应加大进出泥浆流量,提高泥浆携带土块的能力;同时加大刀盘转速,减小掘削下土体的尺寸。泥浆的粘度、比重等参数要与当前开挖面土质相适应;进出浆量要与掘进速度相匹配,防止不合理的超挖和欠挖;尽可能避免泥水压力的波动。(2)注浆和密封在盾构穿堤时,适当提高注浆量,合理设定注浆压力,及时、同步地注浆;严格控制浆液质量,在盾构穿堤前反复试验确定浆液的最佳配比;注浆应均匀,注浆量和掘进速度相匹配;推进时均匀、同步地压注盾尾密封油脂,保证盾尾密封的止水效果。在盾构通过后,进行二次注浆,进一步填充建筑空隙,抑制地层变形的进一步发展。(3)盾构与周围土层之间的约束在保证开挖面稳定的前提下,尽可能快速地通过大堤,并避免盾构较长时间的搁置;推进轴线尽量与隧道轴线保持一致,减小纠偏量,减轻盾构与周围土层之间的摩擦;防止偏挖,减少盾构机俯仰、偏转及横向偏移。(4)管道安装质量控制提高管片拼装精度和拼装质量;加强螺栓连接,在盾构通过一段距离后应再对其复紧,避免衬砌变形过大引起大堤沉降。(5)监测和控制在大堤上布置合理的监测点位,加大监测频率,密切关注大堤沉降情况,根据监测结果实时优化掘进参数。(6)泥水舱压力持续降雨时,考虑到雨水入渗增加了土体重度,应将泥水舱压力适当提高0.01~0.02MPa。对堤顶和坡面出现的张拉裂缝应立即采取防渗措施,防止雨水入渗。(4)坍塌后的处理在盾构穿越后,仍需长期监测,掌握大堤的沉降状况,出现情况及时处理。大堤沉降监测应持续到沉降稳定为止。6工程中价值地层及安全风险的控制(1)由于西线盾构穿越大堤期间持续降雨,泥浆管爆裂引起泥水压力剧烈波动,加之缺乏过堤施工经验,以及盾构掘进参数控制劣于东线等因素,致使西线盾构施工引起的大堤沉降更大,沉降槽更宽,地层损失率更大。(2)本