武 凡 劉洪震

(中鐵隧道集團(tuán)股份有限公司， 河南鄭州 450003)

1 工程概況

1.1 工程位置及用途

武漢長江隧道為湖北省重點(diǎn)工程,位于武漢長江一、二橋之間。隧道江北起點(diǎn)為漢口大智路與銘新街的交叉口,江南終點(diǎn)為武昌友誼大道南側(cè)規(guī)劃中的沙湖路,作為過江公路交通的城市主干道,它的建成運(yùn)營將很大程度上緩解武漢市區(qū)環(huán)線內(nèi)過江交通壓力問題。該工程設(shè)計(jì)為左右2條隧道,隧道為單向2車道,設(shè)計(jì)車速為50 km/h。盾構(gòu)隧道左右線長2 538 m,其中北岸漢口到達(dá)井至長江邊段長度約420 m,過長江段1 310 m,南岸武昌始發(fā)井至長江邊段約800 m。盾構(gòu)隧道管片外徑為11.22 m。內(nèi)徑為10 m,管片寬度為2 m,管片分塊形式為6標(biāo)準(zhǔn)塊+2鄰接塊+1封頂塊。

1.2 工程地質(zhì)

盾構(gòu)隧址區(qū)江南段穿越地層情況如表1、表2。

表1 右線地質(zhì)分段

表2 左線地質(zhì)分段

1.3 水文地質(zhì)

地下水主要有上層滯水、孔隙水和基巖裂隙水3種類型。上層滯水主要賦存于上部人工填土層中；孔隙水主要賦存于第四系松散層中,可分為孔隙潛水和孔隙承壓水2種類型；基巖裂隙水主要賦存于下部基巖裂隙中。

2 變形分析

2.1 地表沉降縱向比較

江南盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降基本情況見圖1,圖2及表3。

圖2 江南左線隧道中線地表沉降分布

表3地表沉降統(tǒng)計(jì)

序號(hào)1234位置最大沉降/mm平均沉降/mm左線-130.25-71.62右線-93.85-58.7左線-36.10-29.9右線-77.85-24.9左線-26.70-14.2右線-26.95-17.8左線-18.85-8.4右線-24.60-10.2覆土厚度(洞徑D)<11～22～3>3

可以看出,隨著覆土厚度的增加,地表沉降逐漸減小。覆土厚度小于一倍的隧道直徑時(shí),盾構(gòu)機(jī)通過地層主要為黏土層時(shí),地表沉降較大；隨著埋深的增加,盾構(gòu)機(jī)通過地層為細(xì)砂層時(shí),地表沉降急劇減小,左右線具有相似性。

2.2 地表沉降橫向比較

因盾構(gòu)機(jī)左線先行施工,參數(shù)設(shè)置在摸索階段。在黏土地段,左線明顯比右線地表沉降大,說明左線泥水壓力設(shè)置偏小,而右線施工時(shí)對(duì)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了調(diào)整。相同進(jìn)程段,左線地表測點(diǎn)平均要比右線測點(diǎn)累計(jì)沉降大10 mm左右。

2.3 地表橫向沉降范圍分析

盾構(gòu)施工引起地表橫向沉降橫分布形態(tài)受地層條件、埋深和開挖模式影響比較大。橫斷面HS2(埋深11.9 m)處黏土層,沉降槽范圍為11 m左右。受右側(cè)7層樓影響,右側(cè)地層壓力高于左側(cè),左線先行隧道地表沉降不對(duì)稱(如圖3)，右側(cè)變形大。

圖3 淤泥質(zhì)黏土層HS2(RK5+104)斷面橫向沉降曲線

2.4 地表沉降歷程分析

根據(jù)以往隧道施工時(shí)的觀測,盾構(gòu)隧道的施工變形是一個(gè)不斷累加的過程,以隧道軸線地表點(diǎn)的經(jīng)時(shí)變位曲線為例,地表點(diǎn)的地層移動(dòng)經(jīng)歷五個(gè)階段(圖4)。

圖4 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)地表變形過程

淺埋段,左線同步注漿量在18～23 m3左右,填充系數(shù)在1.4～1.78之間,管片脫出盾尾之后的沉降較小,平均沉降11.6 mm,占總沉降的16%；右線同步注漿量14～18 m3,填充系數(shù)在1.1～1.4之間,平均地表沉降24 mm左右,占總沉降的40%,沉降量較大。

刀盤到達(dá)前地表產(chǎn)生的沉降受施工參數(shù)影響的因素較多,比如：切口水壓力及波動(dòng)、推進(jìn)速度、總推力、排泥量、方向糾偏等。從表4可知,該施工階段地表沉降所占總沉降比例分部比較離散,占9%～50%不等。如對(duì)地層擾動(dòng)過大，會(huì)增加后續(xù)兩個(gè)階段地表沉降量。因此,施工過程中控制此階段產(chǎn)生的地表沉降尤為重要。

2.5 地層位移與空隙水壓力監(jiān)測

在施工試掘進(jìn)段,隧道淺埋7 m左右(<1D),屬于小覆土隧道。由于覆土荷載減小,而且開挖面壓力所允許的管理幅度縮小,所以,即使是少量的管理誤差也會(huì)給開挖面帶來很大的影響。因此,監(jiān)測項(xiàng)目包括地表沉降監(jiān)測、地層土體水平位移、土體分層沉降、地下水位、空隙水壓力。

(1)土體水平位移分析

①軸向水平位移：盾構(gòu)到達(dá)前后距左線隧道較遠(yuǎn)地層向掘進(jìn)的反方向移動(dòng),最大地層水平位移接近10 mm。受泥水壓力作用,實(shí)際泥水壓力大于地層靜止側(cè)壓力,盾構(gòu)到達(dá)前,距隧道中線較近的地層向掘進(jìn)方向移動(dòng)；盾構(gòu)通過及盾尾脫出管片后,地層向隧道掘進(jìn)的反方向移動(dòng),盾尾脫出管片后地層向掘進(jìn)的反方向移動(dòng)。

表4 江南盾構(gòu)施工過程中各階段地表沉降比例

同時(shí),在埋深10～12 m地層在盾構(gòu)到達(dá)前向掘進(jìn)方向位移較小,而盾尾脫出管片后,向掘進(jìn)的反方向變形最大,變形曲線呈明顯的V字形。該地層為淤泥質(zhì)黏土層,地層側(cè)壓力系數(shù)接近1,釋放荷載最大。為控制開挖面變形,應(yīng)以釋放荷重最大的那一層來決定控制壓力較為合適,此時(shí),釋放荷重小的地層將被動(dòng)受壓,但一般情況下地基被動(dòng)受壓能力很強(qiáng),所以不會(huì)出現(xiàn)被動(dòng)破壞。

②橫向水平位移：盾構(gòu)到達(dá)前,地層均向隧道外移動(dòng),并達(dá)到最大值,左線右側(cè),最大位移20 mm左右。說明實(shí)際泥水壓力大于地層靜止側(cè)壓力。盾構(gòu)通過過程中及盾尾脫出管片后,地層向隧道方向移動(dòng),說明同步注漿量不足。

(2)土體分層沉降

盾構(gòu)到達(dá)前隧道上覆土各地層分層沉降4.5～7.5 mm,沉降值基本相等,說明由于地面建筑物的影響,地面附加荷載較大,泥水壓力采用靜止側(cè)壓力來設(shè)定,泥水壓力偏小,盾構(gòu)到達(dá)前地表產(chǎn)生沉降。

(3)孔隙水壓力

孔隙水壓力發(fā)生兩次突變,一是盾構(gòu)刀盤到達(dá)前孔隙水壓從急劇上升,在黏土層那樣透水性小的地層中,在開挖面附近因有效泥土壓力變得很小,土體強(qiáng)度下降,在到達(dá)開挖面附近發(fā)生一定的土體沉降。實(shí)際作用在開挖面的有效泥水壓力減小,盾構(gòu)到達(dá)前地表產(chǎn)生沉降。

二是管片脫出盾尾時(shí),同步注漿壓力引起孔隙水壓增加,之后迅速消散,引起地表發(fā)生較大固結(jié)沉降。同時(shí)由于左線該段同步注漿量在18 m3左右,填充系數(shù)在1.4,對(duì)于黏土地層,注漿量明顯不足,需增加到同步注漿23 m3左右。

2.6 地層土壓力監(jiān)測

但當(dāng)覆土厚度大于隧道的外徑時(shí),地基產(chǎn)生拱效應(yīng)的可能性比較大,為確定合理的松弛土壓力提供了依據(jù)。在里程LK4+500地層壓力監(jiān)測斷面埋設(shè) (沿江大道處),隧道覆土39.6 m(>2D)。每環(huán)由9片拼裝管片組成,每片埋設(shè)一組測點(diǎn),共埋設(shè)9組/環(huán),導(dǎo)線統(tǒng)一引出,集結(jié)在引線盒內(nèi)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示隧道承受的地層壓力對(duì)稱性分布,壓力分布具有明顯規(guī)律性,拱腰處稍大,這與理論計(jì)算結(jié)果相似。圖5所示為EP1變化歷程曲線,首先承受盾尾刷內(nèi)油脂壓力,油脂壓力很大,實(shí)測值接近5 Bar,管片脫出盾尾后承受注漿壓力,實(shí)測最大壓力3.6 Bar。在漿液凝固后,承受地層壓力,實(shí)測最大地層壓力1.9 Bar,該處的松弛土壓力計(jì)算值在2.6 Bar左右。所以隧道覆土厚度較大時(shí),泥水壓力可以采用松弛土壓力作為控制基準(zhǔn)。

圖5 隧道壓力分布(單位：MPa)

3 結(jié) 論

左右線隧道盾構(gòu)通過過程中的沉降基本相同,在隧道覆土小于1D黏土地層,盾構(gòu)通過時(shí)引起的沉降在24.5 mm左右。隧道其他覆土也存在類似的規(guī)律,通過時(shí)的沉降主要與地層性質(zhì)隧道覆土厚度有關(guān)。同時(shí)開挖面到達(dá)前沉降較小時(shí)(泥水壓力設(shè)定較大時(shí)),通過過程中地表沉降也相應(yīng)減小,這一點(diǎn)與礦山法隧道很相似。

綜合左右線沉降情況分析,泥水壓力設(shè)定采用靜止土壓力,同時(shí)控制泥水壓力波動(dòng),同步注漿量23 m3，地表沉降基本可以控制在40 mm左右。

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