南京地铁软流塑地层浅埋暗挖法施工技术的探讨

南京地铁软流塑地层浅埋暗挖法施工技术

的探讨

第24卷第3期 2005年2月 岩石力学与工程

ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering ,,01.24No.3 F6.,2005

南京地铁软流塑地层浅埋暗挖法 施工技术的探讨

周顺华,张先锋,余才高,杨龙才

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海200331:2.中铁隧道设计院,河南洛阳471009;

3.南京地铁公司,江苏南京210024)

■要:针对南京地铁鼓楼一玄武门区间隧道穿过软流塑地层的特点,采用土工离心机对地表有相对硬壳层和地表

无相对硬壳层中隧道开挖之后地层的变形机理进行模拟.模拟发现,地表有相对硬壳层时,隧道以两侧挤压变形

为主,地表无相对硬壳层时,隧道以竖向压缩变形为主,为工程措施的选择提供了依据;同时根据管棚格栅的支

护体系和应力分布的特点,建立了隧道挤土变形的计算公式,提出了管棚间土体形成的\"微拱\"效应,论证了通

过注浆可提高土体的强度和变形模量,从而强化\"微拱\并大大减少挤土变形量.以南京地铁试验段的实测为基

础,分析了软流塑地层中隧道施工引起的各部分变形情况,进而提出了相应的工程措施.

关t词:隧道工程;软塑流塑地层;管棚;注浆;失水

中圈分类号:U45l文献标识码:A文章编号:1000—6915(2005)03—0526—06 STUDYoNEXCAVATIoNMETHoDUNDERSHALLoWoVERBURDEN oFSoFT-FLoWGRoUND

ZHOUShun—hua,ZHANGXian—feng2, SHECai—gao3, YANGLong—cail

(1.KeyLaboratoryofRoadandTrafficEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200331,China:

2.SurveyandDesignInstitute,ChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,China; 3.,ngMetroCorporation,Nanjing210024,China)

Abstract:ConsideringthecharacteristicsoftunnelsectionofNanjingmetrobetweenGuloustationand

Xuanwumenstation,thedeformationofthetunnel,resultingfromtheexcavationinthesoft—flowgroundwithor

withoutrelativelyhardcrustlayer,iSsimulatedbycentrifugemodeltests.ItiSfoundthatifthegroundsurfacehas

hardcrustlayer,themaindeformationofthetunneliScrusheddeformationontwosides,otherwise,themain

deformationiScompressiveoneinverticaldirection.Meanwhile.accordingtothesupportsystemandstress

distributionofthetubeshedandsteelarch,thecalculationformulasofthecrushedsoildeformationale

established,andthetinyarcheffectsbetweenpipesarepresented. ItiSshownthatthesoilstrengthandthe

deformationmoduluscanbestrengthenedbygroutingmethod,SOthatthetinyarchiSreinforcedandthecrushed

soildeformationiSconsiderablyreduced.BasedontheinsitudeformationoftheNanjingmetro.theground

deformationresultingfromtheconstructionofthetunnelinsoftflowgroundiSanalyzed,andthecorrespondent

——

constructionmeasuresarepresented.

Keywords:tunnelengineering:soft—flowground:tubeshed:grouting:dehydration —I【一日期t 作者■介: 作.E—mail:

2003—06—25:修目日期l2003—09—23

周顺华(19一),男,博士,1985年毕业于西南交通大学,现任教授,博士生导师,主要从事路基工程和地下铁道方面的教学与研究工

第24卷第3期周顺华等.南京地铁软流塑地层浅埋暗挖法施工技术的探讨?527? 1引言

南京地铁鼓楼到玄武门区间为单线双洞,长1.1 km,其中渡线区形成3线大跨和小间距隧道.此 外,有近20%的线路从软流塑状的地层中穿过,隧 道的上方为南京市的南北干道,即路及沿街的 商业用房,对沉降控制要求较高.目前国内在类似 地层中修建地下结构的主要方法有:盾构法,顶进 法或明挖法.文[1】表明,在中风化地层中,采用敞 开式盾构施工,因地层损失所引起的最大地表沉降 达39.2ITII9;文[2】对软土中盾构的顶推力,注浆回 填率和地表沉降三者的关系进行了分析,即使注浆 回填率达到175%,当顶推压力接近500kPa时,引 起的地表沉降仍大于30mm.同样,对于顶管隧道 而言,要控制地表沉降也非易事,文[3】对矩形顶管 隧道的沉降观测表明,即使将地层损失控制在10% 以内,最大地表沉降仍大于100mm.日本新近研 究了挤压式混凝土衬砌在软弱土层中修建隧道的 技术I4'51,而国内尚未进行系统的研究.为此,本 文经多方研究,在确定国内现有的浅埋暗挖法施工

技术的基础上,对该工法进行改进后,应用于该区 间软流塑状地层的施工之中. 2南京地铁软流塑地层暗挖隧道的 变形机理模拟试验

在软流塑地层中开挖隧道,围岩不具有自承能 力,所以要成洞或控制地层的位移,必须采用超前 支护.一般其变形由以下部分组成:(1)掌子面变 形引起开挖面前方的地层变形;f2)开挖应力释放 产生的变形;(3)临时支护(如格栅等)架设滞后或达 到强度前产生的地层变形;(4)地层开挖后因失水 而引起的固结沉降;(5)超前支护施工产生的沉降. 前2种变形的原因是由于开挖方法而引起的,而后 3种变形的原因,可以通过调整施工方法加以控制. 为此,本文采用土工离心模型试验对软流塑地层因 开挖引起的围岩变形过程进行模拟分析,以便采取 适当的工程措施.

该区间软流塑地层从结构形式上可以划分为两 大类:一为具有相对的硬壳层;二为不存在硬壳层. 具有硬壳层的地层物理力学指标如表1所示,不存 在硬壳层时的地层物理力学指标如表2所示,隧道 与地层的相关位置如图l所示,隧道洞身位于层之 中,如图1(b)所示.

裹1具有硬壳层的地层物理力学指标

Table1Physicalandmechanicalparametersofsoilwith cruststratum

裹2不存在硬壳层时的地层物理力学指标 Table2Physicalandmechanicalparametersofsoil withoutcruststratum ②

③ J 1 一 :

(a)具有硬壳层情况 单位:m 单位:m ③一2

(b)不存在硬壳层情况 图l隧道与地层的相关位置 Fig.1Locationsoftherunnel

试验采用等效能比的方法进行【o'¨,即试验用 土取自现场,并在室内重塑.共进行了2组试验, 为表述方便,将具有硬壳层的记为试验1,无硬壳 层的记为试验2,模型土的相关指标分列于表3,4, 可见模型材料与原型材料的物理力学指标非常接 近.试验设计的模型率N=100,试验原理可参阅相 关文献. ?528?

裹试验'壤型土鞠理力学参数3软流塑地层管棚支护挤土变形分析 Table3Physicalandmechanicalparameters0rthemodel sotloftestNo.1

襄4试验2模型土袖理力学参数

Table4Physicalandmechanicalparametersofthemodel sailortestN0.2

图2为试验l模拟得到的隧道破坏前后的变形 照片,图3为试验2的地层变形情况从L述试骑

}.%聚可以发现,虽然2【试验隧道均处于轼流峨地 层.佩试验IIh于地表l』J仃{=}1对碗壳.其变形 呈侧压变形为t一,试骑2lti于地表不存在划硬壳 层,其变形以向缔变肜为f2试验f学F 1均出现涌J现蒙,所庄软流塑t层中晴挖隧道 必颁控制开挖四周以及了的变形 (n)砘耳1b1醢坷后

罔3试嘛2的地层胜前后∞受形

Fig.3C3rt)unddef(\"№doflestNo2beforeⅫdafterfailure ofstratum

地下1.程施1.技术措施的选择需要计算分析, 概念推婵和经验类比J.根据试验获得的变形趋势. 软流塑地层}I的超前支护方案确定为:人箭棚+小 导管,如阁4所示,掌而的稳定采用超前注浆加 固与研核心 al摧向吨工 Ib)寅施工

4尢骨棚+.J,导管施[方法示意

Fig4Sketchofconstructionmethodwithtubeshedand pipes

法方法是甘河国内在软弱围岩的隧道施L中常 采用的辅助工法,但将其应用f软流塑地层中.要 防lJ:骨棚之问挤泥而引起的地层损失如图5(a), (b)所示

rl前围内选最多的书'棚是直径为108mm的 钢管,因施_[需要,一般管棚的中心间距为35crl1. 训施工谋差,管间的净问距为242cm.取两管棚 问柱作为隔离体,由于管棚的刚度远大于土体. 其挤+变形箍受挖于开挖释放应力的大小或地层压

J的尺小,叫近似采用分层总和法进行估算据 文【9】枯J隧道开挖之后的应力分布近似表达式为 _2slnl【lj =+2j

式中:5为地层的十字板抗剪强度;n为洞室的等 效开挖半径,可以取高度和跨度一半的均值:r为 一霸 曩一

第24卷第3期周顺华等.南京地铁软流塑地层浅埋暗挖法施工技术的探讨?529? JljI (c)

图5管棚间的挤土 Fig.5Crushedsoilamongpipes

以洞心为半径的变量,则挤土变形量可以近似为 Ⅳ一2ln =

∑—-(,:+广re)(2)厶一F…,i=1I-~si 式中:为对应于,时地层的初始地应力,当 tri=时,挤土变形结束.

因挤土变形所产生的地层损失为 :: 1一(3) 7【口一a

管棚径向对土体的作用力为,,可以形成土体 的主压应力,当管棚的间距小到一定的程度后,两 根管棚间土的主压应力可以连成压力拱,从而形成 \"微拱\"效应,如图5(c)所示,所以可以在两根大 管棚之间加插小导管,通过注浆提高土体的强度和

模量,既可以减少挤土变形,又能增加\"微拱\"效 应.

4挤土变形的计算实例

本工程软流塑段隧道埋深约9m,隧道的洞身 处于软流塑状粉质粘土层,地面有多层建筑物,采 用大管棚加小导管作为超前预支护.土层参数与 表1,2所列相近,隧道的等效半径为2.75m,地 层的十字板强度如图6所示.不考虑注浆加固,采 用式(1),(2)估算得到的挤土位移为:当表层有相对 硬壳层时,最大挤土变形S=11.18cm;当表层无硬 壳层时,但洞身周围的土层相对较好,计算所得最 大挤土变形S=6.11cm.在上述计算中,取均值 19kPa.显然,在软流塑状土层中采用管棚法,因 挤土而产生的地层损失为5%～8%,借鉴文【3】的观 测结果,仅此一项而引起的沉降量已超过控制要求. 为此,采用以下辅助措施:(1)在2根108mln的 管棚间施加42mln的小导管;(2)在管棚和小导 管中均注双液浆,水玻璃浓度采用25.,水泥采 用42.5普通硅酸盐水泥,通过调整配合比,注浆体 的单轴抗压强度可达2.O～18.0MPa.虽然在粘土层 中注浆体很不均匀,但注浆仍可以大幅度提高土体 的力学参数.为安全起见,并结合现场试验,假定 注浆影响范围内土层的十字板强度约为300kPa, 则综合模量提高了3倍. su/kPa 0102030 5 E 毫 l0

15

图6十字板强度 Fig.6Vanestrength

采用挤土变形影响区判定条件为 ,o=2Sln(4) Ⅱ

式中:,.=y(h—ro),h为上覆土层的厚度. 于是可求得rn=3.3m,即管棚外侧,注浆的有 效影响区至少需要55cm,则相对应的挤土变形为 9×l8.4—2×300ln .:————×0.55:0.0020m '3.96×4×lO

9×19.6—2×300xln旦 ,

:——.—-:2×0.55:0.0012m 7.68×4×lO

上述计算结果表明,管棚加注浆能有效地控制 软流塑地层内隧道地层的挤土变形.

同样可以采用注浆加固以实现对掌子面位移的 控制.

?530?岩石力学与工程2005正 5软流塑地层浅埋暗挖法施工的变 形实测分析

以该区间地表无重要建筑的区段作为浅埋暗挖 的试验段,试验段的地层情况如图1(b)所示,施工 方法选择图4所示的大管棚法.由于地面比较开阔, 在试开挖区段中,掌子面未进行加固.在试验中分 别进行拱顶下沉和地表沉降观测.地面沉降点沿隧

道纵向每隔5m布置一观测断面.初期支护除了管 棚+小导管支护外,沿隧道纵向每隔0.75m施加一 榀钢格栅.图7为第1观测断面当开挖面临近,到 达并通过之后的最大地表沉降点的变化曲线.图8 是第2观测断面当开挖面临近,到达和通过之后的 最大地表沉降点的变化曲线.在施工中还对拱顶下 沉进行观测,k9+725断面观测到的拱顶最大下沉 量为17.4mm,k9+730断面观测到的的拱顶最大下 沉量为26.6mm,格栅成环后,结构仍有1--2mm 的整体下沉.在开挖过程中,掌子面的出水量约为 4m3/h.

图7的沉降观测结果表明,在上台阶(即拱部) 的开挖面到达测点之前,地表沉降量为9mm,核心 土和下台阶开挖引起的地表沉降量为8mm,上台阶 通过观测点后引起的地表沉降量达12mm. E E 磕 世 沉降量 开挖里程

图7施工进度与zD725(K9+725)地表沉降关系图 Fig.7Therelationbetweenconstructionscheduleand surfacesettlementatsectionofZD725(K9+725) 图8的沉降观测结果表明,当上台阶开挖接近 观测点时,地表沉降仅4mm,上台阶通过开挖引起 的地表沉降为14mm,核心土和下台阶开挖引起的 地表沉降为8mm.前期施工引起的沉降约为8mm. 上述2个观测断面在观测期内沉降尚未稳定. 5.0

IO.O I5.0 E20.0 喇25.0 世 30.0 35.0 40.0 45.0 施工进程,d 010203040

图8施工进度与ZD730地表沉降关系图

Fig.8Therelationbetweenconstructionscheduleandsurface settlementatsectionofZD730

上述2个观测断面的观测结果表明,拱部开挖 引起的沉降占40%~60%,开挖而到达之前引起的 沉降占20%~30%.上述观测结果与图3离心模型 试验结果相比,在定性上有良好的一致性,即在这 种土层中,隧道的变形以竖向变形为主,fFf:试验 施工中所发生的失水,无论是模型试验还是理论计 算,均难以考虑.所以在实施中,对掌子面的土体 须进行注浆加固,既能减少因掌子面位移而引起的 地层沉降,又能对地层失水起到一定的控制作用. 6软流塑地层浅埋暗挖法施工的技 术措施

根据前述的模型试验和现场观测,在软流塑状 地层中采用浅埋暗挖法施工时,要注意以下技术难 题:(1)当地表有相对硬壳层时,由于隧道洞身所 处地层的侧压力较大,所以在超前支护中要加强侧

壁支护的刚度,以控制侧边墙的变形;(2)开挖面 到达之前的沉降占20%~30%,主要由掌子面的变 形和失水造成,所以在软流塑土层中开挖,掌子面 的稳定是至关重要的;(3)拱部开挖引起的沉降量 较大,在拱部开挖时,应采用能尽早形成一定刚度 的支护结构:(4)失水自始自终伴随着施工全过程, 所以在软流塑地层中采用浅埋暗挖法施工,对失水 的控制是有效控制地层沉降的关键. 基于上述分析,可以采取以下施工技术措施: (1)软流塑地层中的超前管棚支护,要有足够 的刚度,而且管棚之问的间距须确保开挖周边的加

第24卷第3期周顺华等.南京地铁软流塑地层浅埋暗挖法施工技术的探讨?531? 固土体能形成\"微拱\或采用密排的管棚(含搭扣 式管棚),管棚的施工也可以采用非开挖技术l1\"】. (2)管棚超前支护体的布置位置不能局限于拱 部,应该结合地层的情况和隧道断面的形式,必要 时应该增加侧墙和隧道底板的超前支护刚度,以控 制两侧墙的挤土变形和隧道的整体下沉. (3)支撑管棚的格栅,应尽早形成整体刚度, 为此,可以利用管棚工作室,在管棚施工导向端施 作管棚,固定端梁,既可有类似于隧道洞门的稳定 作用,又能有效地控制管棚加固体在开挖中因格栅 施工期间引起的地层变形.

(4)台阶的长短及开挖面的分块方式,要结合 掌子面的加固方法,格栅的拼装方式以及出土方法 等因素综合考虑,其原则既要方便开挖和出土,又 要能较好地控制地层的位移.

(5)地下水的治理是浅埋暗挖法技术应用于软

流塑地层中的一项关键技术,治理方法应考虑水源 (潜水或承压水),土层的物理性质和力学性质.就 目前而论,以注浆加固为主要手段,注浆材料的选 取必须考虑临时结构体的强度和刚度(如\"微拱\"). 7结语

软流塑土层中浅埋暗挖法的成功实践,可以大 大开拓该施工方法在城市地铁中的应用.如在上海 地铁车站穿越街道的施工中,目前仍以明挖法为主, 这就不可避免地对管线进行大量的搬迁,一方面, 管线的搬迁费用昂贵,另一方面,在施工中还得对 管线进行保护.若能采用浅埋暗挖法施工,则可以 节省投资.地铁的出入口通道与城市过街道的施工, 在软流塑地层中,目前仍以明挖法为主,施工对地 面交通所带来的影响甚大,若采用浅埋暗挖法施工, 可以为城市施工开辟一种新的施工方法.但目前的 浅埋暗挖法施工仍以管棚超前支护为主,在其施工 方法中,仍有以下问题有待进一步的改善和提高: (1)超前管棚的施工工艺,涉及成孔工艺,管 棚的施工长度和管棚方向的控制精度.对于浅覆盖 层中还有管线的区段,管棚的施工工艺是极为重要 的.

(2)管棚的布置方式,能否采用搭扣式的管棚, 以有效地阻止开挖周边以外土体的挤土变形,并减 少因此而产生的地层损失.

(3)注浆材料和注浆工艺的研究,由于浅埋隧 道,注浆的压力不能太大,否则浆液将串到地表, 在注浆过程中,还要避免浆液流入管线,同时还要 确保能形成\"微拱\所以对注浆材料和注浆参数 的控制是非常重要的.

(4)对失水造成地层损失的估算是当前该施工 方法的一大难题,尽管可以采用Boit固结理论等计 算方法,但注浆之后计算参数的选取,以及软流塑 地层中开挖引起的失水机理比较复杂,导致计算结 果与实际情况相差较大. 参考文献(References):

[1]邹狮.盾构隧道同步注浆技术[J】.现代隧道技术,2003,40(1): 26—30.(ZouChong.Synchronizationgroutingtechnologyusedby shield[J].ModernTunnelingTechnology,2003,40(I):26—30.(in Chinese))

【2】徐永福.盾构隧道引起地面变形的分析[Jl'地下工程与隧道, 2000,10(I1:21—25.(XuYongfu.Analysisofgroundsurface settlementinducedbyshieldconstruction[J].Underground EngineeringandTunnel,2000,l0(1):2l一25.(inChinese))

[3】周顺华,廖全燕,刘建国等.矩形顶管隧道顶进过程的地层损失[J1' 岩石力学与工程,2001,2O(3):342—345.(ZhouShunhua,Liao Quanyan,LiuJianguo,eta1.Stratumlossduringpipejackingof rectangletunnel[J].ChineseJournalofRockMechanicsand Engineering,200l,2O(3):342—345.(inChinese))

[4】SugiyamnH,GotoS.Evaluationoftheearthpressureredistribution aroundECLtunnels[A].In:PhysicalModellinginGeotechnics— Icpmg02[C].Balkema:[S.n.】,785—790.

[5】GotoS.studyofliningdesignmethodforECLtunnelwithSFRC[A]. In:Proc.ofthe56thJSCEAnnualMeeting[C].Balkema:[S.n.1, 785—790.

[6】周顺华.开挖理论[M】.北京:中国铁道出版社,1997.(Zhou Shunhua.ExcavationTheory[M].BeOing:ChinaRailwayPublishing House,l997.(inChinese))

[7】StoneKJT,NewsonTA.Archingeffectsinsoilstructure

interaction[J].Geotechnique,l982,l3(6):935—939.

[8】李世辉,吴向阳,尚彦军.地下工程半经验半理论设计方法的理论 基础——围岩一支护系统是一种开放的复杂巨系统[J1.岩石力学 与工程,2002,2l(3):299—304.(LiShihui,WuXiangyang,

ShangYanjun.Theoreticalbasisforsemi—tunnelpock-supportsystem isanopencomplexgiantsystem[J].ChineseJournalofRock MechanicsandEngineering,2002,2l(3):299—304.(inChinese)) [9】BrandEW,BrennerRESoftClayEngineering[M].Amsterdam.. ElsevierScientificPublishingCompany,1981.

[1O】胡郁乐,乌效呜.非开挖技术中定向钻进效果与弯曲问题分析[J】' 地质与勘察,2003,85—87.(HuYule,WuXiaoming.Directional drillingeffectandbendproblemanalysisintrenchlesstechnology[J]. GeologyandSurvey,2003.85—87.(inChinese))

[1l】刘广志.以HDD代替江底隧道铺设管缆的建议[J1.西部探矿工程, 2003,15(I1:1.(LiuGuangzhi,Suggestionofsubstitutingthepipe-lay methodbyHDDmethodforthepipelineunderneaththeriver[J]. WesternExplorationEngineering,2003,15(n:1.(inChinese))