上软下硬复合地层盾构施工地表沉降控制研究

上软下硬复合地层盾构施工地表沉降控制研究

盾构穿越上软下硬复合地层时,由于盾构姿态难以控制,刀盘对前方岩土体的切削程度不一致,易造成较大的地层扰动,引发大幅度、大面积的地表沉降。加上软硬层在空间上组合形态多变,地表沉降的分布规律更加复杂,地表沉降难以得到针对性控制,使盾构施工安全与盾构上方既有构建筑物的安全难以得到保障。

本文以徐州地铁2号线姚庄站-文博园站区间盾构工程为背景,针对区间长距离穿越上软下硬地层,地表沉降难以得到有效控制的问题,采用理论分析、实测研究和数值模拟的方法,对盾构穿越上软下硬地层引起的地表沉降规律进行深入分析,对上软下硬复合地层盾构施工引起的地表沉降控制措施进行了探讨,并制定了徐州地铁2号线姚庄站-文博园站上软下硬段地层盾构工程地表沉降针对性控制措施。通过对上软下硬地层的地质特点,盾构施工技术特点及盾构引起的地表沉降的机理进行综合分析,找出盾构穿越上软下硬地层引起地表沉降的影响因素,包括地质因素和施工因素两个方面。

结合姚文区间地质环境分析,区间盾构穿越上软下硬复合地层引起地表沉降的主要影响因素可归纳为（1）掘进断面上软硬岩空间组合形式;（2）上部软弱层力学性质;（3）施工参数:盾构推力、土舱压力;（4）盾尾未充填空隙以及超挖间隙的大小。对姚文区间上软下硬段地表沉降监测数据进行分析,发现横断面沉降分布曲线近似正态分布曲线,采用Peck公式进行回归分析。

将回归分析得到的结果与传统Peck公式预测结果进行对比分析,引入横断面沉降槽形状修正系数α₁、α₂和横断面沉降槽中心位置修正系数μ₁,对传统Peck公式进行修正,得到了适用于上软下硬地层盾构施工地表沉降预测公式。其中,适用于姚文区间的修正系数范围为α₁的值介于

0.63¹.3083之间,α₂的值介于1.31².32之间,μ₁的值介于-2.78⁴.06之间。

用有限差分法数值模拟软件FLAC^3D进行盾构穿越上软下硬地层地表沉降影响因素分析,针对姚文区间的四个主要影响因素展开分析,得出结论如下:隧道上半部分软岩空间占比越高,地表沉降量越高;因上软下硬地层空间内软硬占比不均,盾构引起的地表沉降呈不均匀分布。上部软弱层力学参数越高,地表沉降量越小,最大沉降量与沉降槽宽度主要受软弱层的弹性模量E和内聚力c影响。

开挖面支护力设置为理论计算的1.53倍时,能有效控制因支护力的不足引起的地表沉降。施工过程中的超挖间隙和注浆未填充的盾尾间隙越大,引发的地表沉降量越大。

结合实测研究与数值模拟分析得到的地表沉降规律,对姚文区间上软下硬段的地表沉降制定针对性控制措施:以区间里程K758.05^K795.91为纵向范围,以两线隧道中心水平向外延伸各17m为横向范围,对包络范围内的软弱层采取注浆加固。并采用数值模拟方法对加固措施实施前后的地表沉降进行对比,验证了加固措施对地表沉降的控制是有效的。