[分享]地铁盾构施工引起的地表沉降分析

发表于2018-10-19     1314人浏览     1人跟帖     总热度:256  

 

在地铁施工过程中,盾构法是一种非常实用的方法,具有一定的可持续性和稳定性。这种方法能够在各类土壤中进行施工,同时对地表环境的影响非常微弱,是地铁建造中应用最为广泛、最为实用的方法。但是由于盾构机械设备的质量和体积很大,给地表造成很大的压力,容易产生地表沉降现象,如果地下土质比较松软,或者土层中的含水量较大,沉降现象就会更加明显。所以,在施工的过程中需要不断监测地表的沉降情况,保证沉降程度在可控范围之内,避免发生重大事故。
实例概况
1.1 基本情况
    某工程为建设一轨道2号线,从某市的原有站点建设到城市北侧,部分工程已经开始施工,工程道路的宽度为90m,建设范围区内部分地段具有地形差异,项目区内的高差在5m左右。线路主要占用了规划用地、拆迁用地以及部分草地,建设轨道的长度为1050m,采用的主要施工方法为盾构法。对现场进行了地质勘测,由于地质地貌存在土壤类别、岩石类别以及成形的时间长短等不同,土壤及岩石主要都是于第四系时代形成的,从下而上分为风坡积层、冲湖积层、冲洪积层和人工回填土壤层。
1.2 设置固定的监测点
    主要是采用盾构法施工,在轨道的轴线上每隔6m设置一个沉降点,每30m设置一个断面。在断面的两侧设置监测点,如果施工轴线上出现管线或者是建筑物等比较特殊的区域,应适当地增加监测点。
模型理论
2.1 建立模型
    按照X、Y、Z3个方向建立模型,将隧道的中心处作为模型的原点,盾构机械施工的方向为Y轴方向,竖向垂直的方向为Z轴,与施工水平垂直的方向为X轴。Z轴方向取土至地面,X轴方向取土为40m,Y轴取土长度为60m,在X轴的负数方向取土15m,这一区段作为主要模型进行研究内容,讨论该方法的影响力度。因为盾构法在进行施工时是平行进行的,所以研究一半的模型即可。
2.2 采用数值模型进行研究
2.2.1 自重应力的作用
    如果是在城市中进行施工,那么施工的深度一般会比较小,因此土壤也会相对松软。自重应力是主要的作用力,所以在模型的建立过程中只需要考虑这一因素,见式(1)和式(2):

地铁盾构施工引起的地表沉降分析_1

                  

2.2.2 建立盾构施工动态模型
    可以将盾构法的施工过程进行模拟建立动态模型,随着盾构设备不断向前推进,可以建立一个固定长度的循环模拟模型。
模型数据与实际数据的对比
3.1 纵向地表沉降规律对比分析
    将模型中理论计算的数值与实际检测数值进行对比,分析模型的可应用程度。一般实际数据的采取主要是检测具有代表性地段的数据,比如断面处,因为断面位置基本没有高差、通透性良好,观测数据数量较多且完整。对比图见图1。

地铁盾构施工引起的地表沉降分析_2

 图1 断面DB13隧道中心点处地表实测值与模拟值纵向沉降对比分析图

    从图1中可以发现,实际检测结果与模型模拟数据走向基本一致,只是在施工过程中存在一些数据差值,但是都能够表现出这一工程具有的变化特点:
    (1)从数据上面显示,在盾构设备没有到达之前,地表的土壤出现一定的下沉,这主要是由前期的挖掘推力以及开挖面对地表的压力造成的。
    (2)模拟的沉降速率要小于实际的沉降速率。这主要是因为在盾构设备施工的过程中对其周围的土壤造成一定的压力,而模型并没有模拟出这一部分应力,所以会出现模拟的沉降速率要小于实际的沉降速率的现象。
3.2 分析结果
    实际检测的数值和模型中的数据存在一定的差值,但是总体的走向和斜率差别不大,都表现出了共同的特性,因此说明模型具有一定的可信性,可以将模型应用于施工沉降分析。
出现沉降现象的原因
4.1 施工用水后干燥引起沉降
    在施工的过程中采用降水的方法来保证施工作业面的干燥,采用盾构法作业时可能会出现排水、堵水的问题,通过采用降水的方法后可以有效增加土壤中的含水量,进而增加有效应力,但是施工完毕后土壤会发生固结,进而产生沉降。
4.2 施工土体周围松动造成的沉降
    在使用盾构法进行施工时,需要破坏原有的稳定土壤,将施工部位进行开挖,同时造成施工部位周围土壤的坍塌和松动,改变了原有土层的稳定状态。此外,在施工过程中对盾构设备进行纠偏,或者是弯道施工,都会对施工部位周围的土壤造成挤压,进而破坏原有的土壤稳定状态,最后造成沉降。
4.3 盾构设备引起的沉降
    盾构设备施工过程中,隧道衬砌从设备出来后,由于受到周围土壤的压力,变成了一种紧实的结构,进而对管片环产生作用力,使管片环变形,造成地表的沉降。
4.4 填充盾尾不充分造成的地表沉降
    利用盾构法进行施工时,如果地表的土层具有一定的不稳定性,那么盾尾处的工程就需要使用混凝土进行严密的填充,如果填充物与设计要求不符,就会引起地表的沉降。特别是在轨道弯曲的部位使用盾构法会产生大面积的超挖,导致盾尾处空隙更多、空间更大,填充过程中可能会产生不完全填充现场,进而引起地表的沉降。
控制地表沉降的产生
5.1 适当加大两隧道间距
    当两隧道的间距≤3倍隧道的宽度时,就会造成地表沉降的叠加作用。如果开挖的土壤性质比较软弱,会产生更大程度的沉降,所以在实际工程操作的过程中开挖间距最好控制在30m以上。
5.2 适当进行二次衬砌工程
    含水量丰富的地表的水量蒸发是一个漫长的过程。随着含水量的蒸发和渗透,土层会发生变形,进而导致地表的沉降,原有隧道的地层及支护稳定性都会遭到破坏。所以,需要进行适当的二次衬砌工程。以往经验表明,经过衬砌工程后,轨道才会更加稳定安全。
5.3 提高初期支护作用
    在初期支护完成后,由于地表以及工程需要一个稳定的过程,支护也会随之发生变化,所以在进行初期支护施工时,应该尽量加大支护的支撑,主要是采取严格按照设计强度进行注浆、加强支护的密度、增大支护的直径等手段。
5.4 对主讲程序采取一定措施
    一般施工的技术为在支护内部进行注浆,遇到特殊情况还需要进行注浆补偿。设置钢拱架时,需要对位置进行细致的选择,一般会选择受力不大的位置,还要考虑到方便施工,钢拱架的选择要注意拱架的刚度和实用性。
结语
    综上所述,在地铁施工中,盾构法具有稳定、对环境的影响小等优点,但也会存在地表沉降的问题。因此,在施工中可以采取必要的措施,尽量减少地表的沉降,避免造成建筑物破坏等损失。通过本文的分析和研究,可以通过以下方式来尽量解决地表沉降的问题,即不断提高盾构法的施工技术,通过更加科学先进的技术减少盾构过程对地表的破坏力,提高施工后的稳定性。


 来源:中天重工

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 发表于2018-10-19   |  只看该作者      

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