泥水盾构掘进参数对地面沉降的影响

泥水盾构掘进参数对地面沉降的影响

泥水盾构在隧道施工中应用的必要性随着城市交通的扩建，中国大城市的隧道数量日益增多。泥水盾构施工,以其施工扰动小、地面沉降控制精度高、施工快速安全及机械化程度高等诸多优点,成为软土地区水底隧道施工的首选。如上海上中路隧道、上海长江隧道、武汉长江隧道、南京长江隧道、杭州庆春路过江隧道、杭州运河隧道、杭州钱江通道等均为采用泥水盾构修建的水底隧道。泥水盾构作为一种较为先进的隧道施工方法,仍不可避免地扰动周围地层,引起周围地层位移,严重时甚至会危及邻近建(构)筑物的正常使用和安全。泥水盾构施工引起的地层位移,除了受到工程及水文地质条件、隧道直径及埋深等影响外,掘进参数也是主要影响因素。本文通过对杭州庆春路过江隧道泥水盾构施工引起的地面沉降及对应盾构掘进参数的分析,讨论了泥水盾构掘进参数对地面沉降的影响。1工程概论和地质条件1.1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。管片采用通用契型环,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盾构掘进,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。1.2土层物理力学指标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)层淤泥质粉质黏土、(5)层粉质黏土、(6)层粉质黏土、(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。孔隙潜水赋存于场区浅部人工填土及其下部粉、砂性土层内,水位高,渗透性好。(7)层砂土、(8)层圆砾为承压水层,承压水位高,透水性强。2监测和配置土壤沉降和挖掘参数的记录2.1调查断面位置地面沉降监测从江南工作井至钱塘江南岸大堤一共布置19个断面,编号为D1~D18、XB。其中西线隧道监测断面标记为WD,东线为ED,XB仅布置于西线。监测断面布置情况如图2所示。其中D1~D6因处于加固区,数据失真,未采用;D7~D12、D17、D18、XB所处地面隧道施工前为农田;D13~D16位于钱塘江南岸大堤之上。各监测断面垂直于隧道轴线,测点布置如图3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。2.2掘进参数实时记录盾构掘进时,对切口泥水压力、盾构总推力、刀盘转速及扭矩、掘进速度、同步注浆时间及注浆量、盾构坡度及转角、切口里程等主要掘进参数实时记录。3合理控制隧道开挖口土压平衡盾构和泥水平衡盾构目前广泛应用于城市地铁隧道、水底隧道施工。国内外许多工程实例研究表明,掘进参数控制是影响盾构掘进引起地面沉降的重要因素,良好的参数控制可以有效地减少盾构施工引起的地面沉降[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。R.J.Mair认为,良好的切口压力及同步注浆参数设定是盾构施工地面沉降控制的关键。在伦敦CTRL合同段上行线土压盾构施工中,良好的切口压力及同步注浆控制,使得地层损失率非常小,控制在0.2%~0.8%之间。切口压力应避免过大波动,否则会引起较大的地层损失;适当提高切口压力,可以减少地层损失;而切口压力的骤降,会因开挖面应力松弛释放而引起较大地面沉降。廖少明等通过对上海软土地层中若干土压平衡盾构隧道工程实例的研究,认为盾构切口压力设定和同步注浆控制是沉降控制中最为关键的两个参数,掘进速度、盾构姿态控制、盾尾密封保护、盾壳与地层摩擦等都会影响地面沉降,并认为适当降低盾构掘进速度可以减少扰动,盾构姿态的变化会加大地层损失。通过对盾构掘进参数的合理控制,上海软土地层中盾构施工引起的地层损失率可以控制在0.5%左右;R.J.Finno等通过对N-2工程土压盾构施工现场实测及有限元参数研究得出,适当提高切口压力使地表隆起,与地表没有隆起的情况相比,可以降低地面沉降,但是会增加固结沉降量;W.I.Chou对国外多条盾构隧道工程实例研究后认为,切口压力的合理控制及良好的施工质量,可以有效地减少地面沉降;伦敦DLR隧道泥水盾构施工过程中,通过良好的施工控制,特别是切口压力的精细控制和及时快速地同步注浆,有效地控制了地面沉降,地层损失率平均值为0.7%,都控制在1%之内;曼谷第一条地铁隧道施工中,对土压盾构施工引起地层位移的影响因素的研究发现,切口压力设定为影响地层位移的最主要因素,当切口压力较大时,地表上抬,而当切口压力设置偏低时,会引起较大地面沉降。3.1地表沉降规律西线盾构于2009年5月5日开始掘进,东线盾构2009年6月22日始发。东西线相距60m,在正常施工情况下相互影响较小。图4为东西线盾构穿越各监测断面期间掘进进度曲线。图4中虚线自下至上依次为监测断面D7~D11、XB、D12、D17、D18所处隧道里程。由图4可见,东西线盾构掘进速度较均匀,在穿越监测断面期间,由于设备故障,西线非正常停机2次,东线非正常停机1次。不计停机时间,西线盾构穿越各监测断面平均掘进速度为5.74m/d,东线为8.59m/d。图5为东线隧道各监测断面轴线地面沉降随盾尾离开时间的变化曲线。图5可见:(1)ED7、ED8、ED9断面沉降规律基本一致:无论在盾尾脱离初期,还是后期固结沉降,该3个断面沉降曲线基本平行,沉降速度基本一致。盾尾脱离0~8d,沉降速度和沉降量最大;8d之后,地表基本趋于稳定,沉降值微量变化。造成该3个断面沉降差异的主要原因为盾尾脱离时3个断面的沉降差异,即盾构切口到达前以及通过期间3个断面地表沉降的不同。在盾尾脱离监测断面之前,地表隆起量ED7>ED9>ED8,最终沉降量ED7<ED9<ED8。可见,适当提高切口泥水压力,使切口上前方地表微隆,可以抵消部分地层损失,减少地表沉降。(2)ED10、ED11断面沉降规律基本一致:与ED7、ED8、ED9断面不同,盾尾脱离初期地表并未出现较大沉降,而是持续隆起;7d后,随着同步注浆浆液的硬化收缩,产生部分空隙,引起地层损失沉降;14d之后,地面趋于稳定,地表位移值微量变化。该两个断面最终地面沉降量小于ED7、ED8、ED9。与ED7、ED8、ED9相比,ED10、ED11同步注浆控制更优,有效地抑制了由盾尾间隙引起的地层损失沉降,并在注浆压力作用下地表出现微隆。由此看来,适当提高同步注浆压力,使地表微隆,可以抵消部分地层损失,减少地面沉降。(3)ED12沉降规律不同于其他断面:ED7~ED9、ED17、ED18断面在盾尾离开8d之后地表趋于稳定;ED10、ED11在盾尾脱离14d之后,地表趋于稳定;而ED12断面在盾尾脱离19d之后,地表仍保持较大的沉降速度。由图5可见,盾尾脱离9d之后,ED12沉降曲线斜率远大于其他断面,反映了其固结沉降速度远大于其他断面。由图4可见,东线盾构切口离开ED12断面23.85m后,由于设备故障盾构停机7d。此时盾尾距离ED12断面12.45m,盾尾后续拖车长约20m,刚好位于ED12正下方。后续拖车巨大压重压缩隧道下卧土层,进而引起地面较大沉降。这是ED12断面固结沉降速度远大于其他断面的原因。图6为西线隧道各监测断面轴线地面沉降随盾尾离开时间的变化曲线。由图6可见,除XB、WD12之外,其他断面在盾尾脱离约10d之后,地表沉降曲线斜率基本相同,即沉降速度基本相同。各监测断面地表最大沉降速度均发生在盾尾脱离10d之内,认为之前产生的地表沉降主要由地层损失引起,而10d之后地表沉降主要为扰动土体固结沉降。可见,XB、WD12固结沉降速度明显大于其他断面。结合图4,西线盾构穿越各监测断面第1次非正常停机18d,此时盾构拖车刚好位于WD12断面正下方,拖车尾部距离XB断面约2.9m。后续拖车巨大严重压缩下卧土层,加剧了地表沉降,因此,XB、DB12固结沉降速度较其他断面大。WD11断面最终沉降量最小,切口到达前地面微隆;盾尾离开时,同步注浆有效抑制了盾尾沉降。WD10断面沉降最大,盾尾离开时,产生了较大的盾尾沉降。WD17、WD18切口到达前产生相对较大沉降,盾尾脱离时沉降量陡增,其最终沉降量也较大。由此看来,适当提高切口泥水压力使切口上前方地表微隆,合理的同步注浆控制抑制盾尾沉降,可以有效地减少地面沉降;而当切口压力控制不当产生较大切口土体损失,特别是盾尾同步注浆控制欠佳引起较大盾尾沉降时,地面沉降会较大。西线隧道各监测断面地面沉降在盾尾脱离约40d后基本稳定。3.2掘进参数控制对泥水盾构施工影响东西线隧道相同里程位置,隧道埋深、工程地质及水文地质条件等都基本相同,两台盾构机也基本相同。而从图5、图6可见,东西线隧道地面沉降差异显著。东线隧道监测周期内地表沉降在2~10mm,盾尾脱离约14d后地面趋于稳定;而西线沉降远远大于东线,地面沉降在20~40mm之间,且在盾尾脱离约40d后才趋于稳定。西线盾构早于东线始发48d。该工程系泥水盾构第一次在杭州软土地层中掘进,缺少施工经验,只能通过不断地摸索而寻求盾构的最优掘进参数。东线盾构开始掘进时,通过对西线盾构掘进期间参数控制及地面沉降监测的总结,对掘进参数进行了优化调整。两线盾构掘进参数控制的不同是导致其地面沉降差异的主要原因。现选取典型断面D9进行分析,讨论掘进参数对泥水盾构施工引起地面沉降的影响。表2为盾构穿越西线WD9、东线ED9断面期间掘进参数统计。图7为东西线D9断面轴线地面沉降随盾尾离开时间的变化。图8和图9分别为盾构处于不同位置时WD9、ED9横断面地表沉降。图中沉降曲线图例,以图8中“1d,17.132m”为例,表示盾尾离开WD9断面1d,切口离开17.132m。结合东西线盾构掘进参数,对比分析西线WD9与东线ED9地面沉降:西线隧道14、15环管片对应为盾构切口到达WD9断面,20、21环管片对应为盾尾脱离该监测断面。东线隧道15、16环管片对应为盾构切口到达ED9断面,21、22环管片对应为盾尾脱离。3.2.1分布的泥水压力西线盾构切口到达WD9时,切口泥水压力平均为225kPa,开挖面初始静止水土压力为210kPa,泥水压力设定为在静止水土压力基础上增加15kPa。盾构穿越WD9期间泥水压力平均值为249kPa,标准差为26.95kPa。东线盾构切口到达ED9时,泥水压力平均为269kPa,开挖面初始静止水土压力为212kPa,泥水压力设定比静止水土压力大57kPa。盾构穿越ED9期间泥水压力平均值为277kPa,标准差为18.90kPa。可见,东线盾构穿越ED9期间,泥水压力设置要大于西线,且泥水压力更稳定。对比图8和图9可见,东线由于切口压力设定较大,切口靠近时地面出现较大隆起,地面隆起变形抵消了部分地层损失,降低了其地面总沉降量。而切口泥水压力引起的地面隆起变形较无规则,与地层损失沉降叠加,使得横断面沉降曲线偏离高斯曲线分布。西线隧道切口到达时地面没有隆起,而地层损失沉降一般较规则,呈现隧道轴线位置沉降最大,并向两侧递减的规律。因此,西线WD9横断面地面沉降比较符合高斯曲线分布。由此可见,切口泥水压力设定为静止水土压力+15kPa时,并不能有效地减少切口地层损失;而设定为静止水土压力+57kPa时,会引起切口上方地面微隆,该隆起变形可以抵消部分地层损失,减少地面总沉降量;地层损失沉降比较规则,符合正态分布曲线形式,而隆起变形较无规则,切口压力作用下地面出现较大隆起时,会使横断面沉降曲线偏离正态分布形式;切口压力应稳定,过大的波动会加大地面沉降。3.2.2盾构掘进盾构掘进速度定义为单位时间内盾构行程。由图4可见,穿越各监测断面期间,东线盾构掘进速度明显大于西线。穿越D9断面时,西线盾构速度为5.45m/d,东线为7.44m/d。在保证盾构掘进稳定均匀的前提下,提高掘进速度可以:(1)减少盾构及后续拖车压缩下卧土层引起的地面沉降;(2)减少盾构施工扰动,进而减少隧道周围扰动土层的固结沉降;(3)提高掘进速度,可以缩短单环管片同步注浆时间,及时填充建筑空隙,可有效地抑制盾尾地层损失。3.2.3融资运营成本控制盾构掘进时间定义为盾构单环管片掘进所需时间。盾构推进速度越快,单环掘进时间越短。由于盾尾同步注浆与盾构掘进同步进行,因此掘进时间也等于单环管片同步注浆所需时间。由图7可见,西线盾构盾尾脱离D9时,其盾尾沉降量和沉降速度都远远大于东线。可见,东线盾尾同步注浆控制优于西线,有效地抑制和减缓了盾尾沉降的发展。西线盾构盾尾脱离监测断面时单环管片同步注浆时间平均为4.75h;东线大大缩短了同步注浆时间,仅为1.67h。西线盾构穿越各监测断面期间,单环管片同步注浆量平均为22.5m3,填充率平均为178.71%;而东线单环注浆量平均为18.31m3,填充率平均为145.21%。由此可见,对于同步注浆沉降控制,单纯增加注浆量,既不合理也不经济。提高推进速度,即缩短单环管片同步注浆时间,及时填充盾尾脱离产生的建筑空隙,可以有效地抑制和减缓盾尾地层损失。由前面东线地面沉降分析还可知,适当加大同步注浆压力使地面出现微量隆起,亦可以抵消部分地层损失,减少地面总沉降量。单环管片掘进时间控制在1.67h之内,注浆填充率在145.21%左右,可以较好地控制盾尾沉降。3.2.4降低刀盘转速,降低掘削压力西线盾构穿越监测断面D9期间,刀盘扭矩平均为2316.13kN·m,刀盘转速平均为1.07r/min;东线盾构掘进时进行了优化,加大了刀盘转速,降低了刀盘扭矩,穿越各监测断面时,刀盘扭矩平均为2142.75kN·m,刀盘转速平均为1.29r/min。在保证开挖面顺利掘削的前提下,适当降低刀盘扭矩,可以降低刀盘转动对周围地层的扰动和刀盘的磨损,并可减少盾构的偏转,进而降低盾壳与周围土层的环向摩擦。而加大刀盘转速,除可以提高盾构推进速度外,还能降低掘削下土块的尺寸,避免盾构在黏性土地层中掘进泥浆管堵塞。西线掘进穿越各监测断面期间,泥浆管曾多次因堵塞而爆裂。在这种情况下,切口泥水压力先是迅速升高,随即骤降,切口泥水压力剧烈波动。开挖面土体先是瞬间加载,而后瞬间卸荷,会引起开挖面失稳,产生较大的地层损失。东线盾构穿越监测断面期间,通过加大刀盘转速等措施,避免了泥浆管堵塞。3.2.5东南角较小由表2可见,东线盾构穿越监测断面D9时,盾构坡度及转角控制远远优于西线,且姿态控制更稳定。其中,东线盾构转角较小,和降低了刀盘扭矩有直接关系。良好的盾构姿态,可以减少土体超挖,减少盾壳与周围地层的摩擦、挤压,降低施工扰动,进而降低地层损失和扰动土体固结沉降。3.2.6降低施工扰动盾构各掘进参数之间相互作用,各掘进参数应相互协调,不仅降低地层损失,还应减少施工扰动,降低扰动土体长期固结。图7可见,穿越D9时,东线隧道地面沉降,无论是盾尾沉降还是后期固结沉降,都远远低于西线。可见,东线盾构较好的掘进参数控制,有效地减少了盾构施工引起的地面沉降。3.3钻井功能预测下面介绍工程实践中常用的盾构掘进参数预估方法,及其与该工程实测值的对比。3.3.1挡土墙向土压力泥水盾构切口泥水压力的设定,参照国内外众多施工经验,估算公式为:式中:Pu为切口泥水压力上限值;Pw、Ps、Pa分别为地下水压力、静止侧向土压力、预压,预压是考虑地下水压和土压的设定误差及送、排泥设备中的泥水压变动等因素,根据经验确定的压力,通常取值为20~30kPa。以D9断面为例,西线计算所得Pw+Ps=210kPa,实测切口泥水压力为225kPa,则Pa设置为15kPa,略低于Pa的经验取值(20~30kPa);东线计算所得Pw+Ps=212kPa,实测切口泥水压力为269kPa,则Pa设置为57kPa,大于其经验取值。3.3.2刀盘体角度验算参照国内学者的研究,泥水盾构正常掘进状态下刀盘扭矩T计算如下:式中:T为正常掘进状态下刀盘扭矩;T1为刀盘正面与开挖面土层的摩擦扭矩;T2为刀盘侧面与周围土层的摩擦扭矩;T3为刀盘切入地层时地层的抗力扭矩;T4为密封决定的摩阻力扭矩;T5为轴承摩阻力决定的扭矩;T6为减速装置摩擦损耗扭矩。文献[14-17]指出,刀盘扭矩以T1+T2+T3为主,可占总扭矩的90%~99%,因此刀盘扭矩计算时,可仅考虑T1、T2、T3。以D9断面为例,对比刀盘扭矩的理论计算值与实测值。WD9断面土层剖面及盾构位置如图10所示。刀盘位于WD9断面时,刀盘扭矩计算如下:式中:ω为刀盘开口率,本工程为30%;u1为刀盘正面与开挖面土层摩擦系数,取为0.05;R为刀盘半径,为5.825m;K为侧向土压力系数,取为静止侧向土压力系数K0的1.1~1.3倍,本文取K=1.1K0平,K0平为刀盘处各土层K0按高度的加权平均,K0平=0.424;σ轴为刀盘中心位置竖向土压力,按照图9所示土体分层情况计算得σ轴=411.464kPa;r平为刀盘范围内土层按高度的加权平均容重,计算为19.06kN/m3。计算得,T1=2780.384kN·m。(2)刀盘侧面与周围土层的摩擦扭矩T2式中:u2为刀盘侧面与周围土层的摩擦系数,取为0.05;p为刀盘侧面与周围土层的接触压力;L为刀盘侧面宽度,该工程中L=0.6m;σv、σh分别为刀盘侧面θ位置的竖向土压力和水平向土压力。计算得,T2=2385.695kN·m。T3计算公式为:式中:qu为地层的单轴抗压强度,一般采用无侧限抗压强度,取为72.3kPa;v为盾构掘进速度,取为0.0205m/min;n为刀盘转速,取为1.07r/min。计算得,T3=23.793kN·m。综上所述,T≈T1+T2+T3=5189.872kN·m。刀盘位于WD9位置实测扭矩约为2380.5kN·m,远小于理论计算值。究其原因,可能为理论计算值高估了刀盘与土层摩擦系数的取值。泥水盾构掘进时,开挖面充满压力泥水,开挖面形成动态渗透泥膜,刀盘掘削泥膜,而不与原状土层直接接触。泥膜与刀盘的摩擦系数较土层与刀盘的摩擦系数小,因此泥水盾构计算刀盘扭矩时刀盘与周围土层的摩擦系数应适当折减。反分析,该工程取u1=u2=0.023,WD9断面位置刀盘扭矩理论值与计算值较为接近。同理,刀盘位于ED9位置,取u1=u2=0.023,理论计算扭矩为:T1=1298.476kN·m,T2=1110.459kN·m,T3=22.997kN·m,T=2431.932kN·m。实测刀盘扭矩约为2188.667kN·m,理论计算误差约为11.11%。由式(5)可见,地层抗力扭矩与刀盘转速负相关。表2可见,东线盾构刀盘转速较西线提高,刀盘扭矩较西线降低。由此看来,提高刀盘转速可降低刀盘扭矩。而刀盘转速与地层条件、隧道埋深、盾构设备状况等有关,一般由施工经验确定最佳取值。3.3.3注浆量与填充率同步注浆量受土体渗透、超挖、小曲率半径施工、浆液的种类等多种因素的影响,且各因素的影响程度尚不明确,因此对于注浆量难以给出合理的理论预测,一般由施工经验确定,并在施工中通过地面位移的监测不断优化调整。目前国内的施工经验,填充率一般在135%~215%之间。本工程西线盾构注浆填充率约为178.71%,东线约为145.21%,在国内经验取值范围之内。东线盾构缩短了单环管片的注浆时间,虽然大大降低了注浆填充率,但盾尾沉降却得到了更好的控制。3.3.4影响理论预测值的因素盾构掘进速度受地层条件、设备状况、施工班组工艺水平等因素的影响较大,难以给出理论预测值。本工程盾构掘进速度一般为150~300m/月。3.3.5盾构坡度变化盾构坡度理论值应为设计隧道坡度,实际盾构掘进时,盾构坡度总在隧道设计坡度左右波动,以使建成隧道曲率满足设计。盾构转角理论控制应为0,实际工程中通过调节刀盘转向调整盾构转角。3.4预测值的沉降3.4.1盾构掘进参数对地面沉降的影响地层损失引起的横向地面沉降的预估,工程实践中应用最为广泛的为Peck公式:式中:s(y)为水平距离隧道轴线y处地面沉降(m);smax为轴线位置地面沉降(m);y为至隧道轴线水平距离(m);H为隧道轴线埋深(m);K为地面沉降槽宽度参数(无量纲);Vl为地层损失率(无量纲)。使用Peck公式拟合东西两线隧道横断面地面沉降,拟合结果统计于表3。拟合发现,西线盾构掘进引起的监测断面沉降,除WD11断面外,其余均可用Peck公式较好地拟合;东线盾构掘进引起的监测断面沉降,仅ED8、ED9、ED12、ED18可用Peck公式拟合,且拟合效果较西线差。表3可见,盾尾脱离5d时:(1)西线最大地面沉降smax取值7.5~20mm,平均为15.33mm;东线对应smax取值6.57~10.23mm,平均为8.17mm。(2)西线K取值0.25~0.32,平均为0.28;东线K取值0.23~0.34,平均为0.28。(3)西线Vl取值0.10%~0.33%,平均为0.24%;东线K取值0.09%~0.20%,平均为0.13%。由此看来,盾构掘进参数的变化,对地层损失率影响较大,而对沉降槽宽度参数并未产生显著影响。在使用Peck公式预测盾构掘进引起的地面沉降时,必须考虑掘进参数控制对Vl的影响。3.4.2监测断面模型本文在Fang提出的传统双曲线模型的基础上,添加参数c,以考虑盾构切口靠近时以及盾构通过期间产生的地面位移,用修正后的双曲线模型拟合该工程隧道轴线上方地面沉降随时间变化曲线。修正后的双曲线模型为:式中:S(t)为t时刻隧道轴线上方地面最大沉降量,沉降记为负值;t为盾尾离开监测断面的时间,t=0时,盾尾到达监测断面;a为双曲线常数,表征盾尾脱离初期(t≤10d)地面沉降速度,a越大,盾尾脱离初期沉降速度越小;b为双曲线常数,决定地面最终沉降量大小,b越小,最终沉降量越大;c为双曲线常数,盾构切口到达前以及盾构通过期间产生的地面位移。图13~图15为D7、D8、D9