城市地鐵工程施工沉降控制技術(shù)綜述

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1、前言
     地下空間作為城市的重要資源,在發(fā)達(dá)國家得到了多方面的應(yīng)用,隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市地下空間的開發(fā)利用已經(jīng)受到廣泛重視,城市地下工程的興建已經(jīng)成為一種趨勢。就地下鐵路來看,我國從1965年開始修建地下鐵道,至今已有北京、天津、上海、廣州、深圳、南京等大城市建成部分地鐵,武漢等其它城市也即將或?qū)⒁藿ǖ罔F,我國的地鐵建設(shè)已步人快速發(fā)展階段。
     然而,在地鐵工程的施工中,地表沉降事故發(fā)生的概率很高。以深圳地鐵一號(hào)線的建設(shè)為例,在施工工期內(nèi),地面沉降事故占總事故的25%。事故發(fā)生地位于深圳市區(qū)繁華地段,對工程周圍的建筑物以及地下管線產(chǎn)生了一定的影響,同時(shí)也影響了工程的進(jìn)度增加了工程的費(fèi)用。
     所以,不論從工程進(jìn)度、費(fèi)用的控制方面考慮還是從工程質(zhì)量安全方面來考慮,都要對地表沉降控制有足夠的重視,從各個(gè)方面著手,來控制沉降的發(fā)生。
     2、地鐵工程沉降控制的重要性
     地表沉降的主要危害有:
     (1)沿海地區(qū)沉降使地面低于海面,受海水侵襲;
     (2)一些港口城市,由于碼頭、堤岸的沉降而喪失或降低了港灣設(shè)施的能力;
     (3)橋墩下沉,橋梁凈空減小,影響水上交通;
     (4)在一些地面沉降強(qiáng)烈的地區(qū),伴隨地面垂直沉陷而發(fā)生的較大水平位移,往往會(huì)對許多地面和地下構(gòu)筑物造成巨大危害;
     (5)在地面沉降區(qū)還有一些較為常見的現(xiàn)象,如深井管上升、井臺(tái)破壞,高擺脫空,橋墩的不均勻下沉等,這些現(xiàn)象雖然不致于造成大的危害,但也會(huì)給市政建設(shè)的各方面帶來一定影響。
     針對地鐵工程而言,進(jìn)行沉降控制的重要性體現(xiàn)在兩個(gè)方面:
     (1)城市地鐵工程一般位于城市的繁華地段,周圍建筑物密集、各種地下管線縱橫復(fù)雜交錯(cuò),一旦沉降事故發(fā)生,將可能造成建筑物開裂、傾斜,地下管線斷裂等事故。影響市民正常生活,造成各種糾紛,進(jìn)而影響工程施工的進(jìn)度,增加工程的費(fèi)用。
     (2)沉降事故在地鐵工程的施工中屬于多發(fā)事故。同時(shí)其發(fā)生的直接表現(xiàn)為地下隧道拱頂?shù)南鲁粱蛱?,而這種塌陷的發(fā)生又多由圍巖涌水、涌泥,支護(hù)失效,工程爆破等原因引起。這些原因的存在和發(fā)生,可以導(dǎo)致施工現(xiàn)場的人員傷亡、設(shè)備損壞,進(jìn)而影響工程進(jìn)度、增加工程費(fèi)用,造成嚴(yán)重的后果。
     可以看出,事故的多發(fā)性和事故后果的嚴(yán)重性,使沉降事故成為地鐵施工中的重大風(fēng)險(xiǎn)因素,在施工過程中進(jìn)行沉降控制技術(shù)的研究和應(yīng)用使十分必要的。
     3、地鐵工程沉降控制技術(shù)
     3.1地面沉降發(fā)生的機(jī)理分析
     地鐵工程以上地面的巖層或土層在自然狀態(tài)下,一般處于應(yīng)力平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。在地下工程施工中,要通過人工、機(jī)械或者爆破等方式進(jìn)行土石方開挖。土石方的移除、土石層孔隙水的排出,必然會(huì)改變土石地層的應(yīng)力狀態(tài),使之處于非平衡狀態(tài)。這種狀態(tài)可以在短時(shí)間內(nèi)或者經(jīng)過較長的時(shí)間效應(yīng)變化之后顯現(xiàn)出來,出現(xiàn)坍塌、變形等現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致地面沉降。
     3.2地面沉降發(fā)生的原因分析
     3.2.1土層的沉降原因分析
     (1)土層自身的特點(diǎn):天然土體一般是由礦物顆粒構(gòu)成骨架體,孔隙水和氣體填充骨架體而組成的三相體系。飽和土由土顆粒和水組成,土顆粒之間存在膠結(jié)物,有些沒有粘結(jié)。但是它們都能傳遞荷載,從而形成傳力骨架,叫做土骨架。外載荷作用在土體上,一部分由孔隙水承擔(dān),叫做孔隙水壓力,另一部分則由土骨架承擔(dān),就是有效應(yīng)力,對引起壓縮和產(chǎn)生強(qiáng)度有效??紫端畨毫梢苑殖蓛刹糠?,一個(gè)是靜水壓力,在荷載施加之前就存在,一個(gè)是超孔隙水壓力,由外載荷引起。土體的變形是孔隙流體及氣體體積減小、顆粒重新排列、顆粒間距離縮短和骨架體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果。粘性土有一定的厚度,水總是在土層透水面先排出,使孔隙壓力降低然后向土層內(nèi)部傳遞。這種孔壓力降低的過程,一方面取決于土的滲透性,另一方面取決于在土中的位置。軟粘土的滲透系數(shù)很低,固結(jié)過程很長。土體受外力后,土粒和孔隙中的流體均將發(fā)生位移。當(dāng)建筑物通過基礎(chǔ)將壓力傳遞給地基后或者土層下部通過土石方開挖而失去支承,土體內(nèi)部將發(fā)生應(yīng)力變形。從而引起地基下沉或地表下沉。
     (2)施工方案的選擇:預(yù)防沉降的發(fā)生,進(jìn)行正確的、可靠的支護(hù)是十分重要的。當(dāng)支護(hù)方法不當(dāng)或者失效的時(shí)候,難以使土層處于穩(wěn)定狀態(tài),土層將失去穩(wěn)定性,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致地層沉降。
     3.2.2巖石層的沉降原因分析
     (1)巖石層的沉降與巖石層的地質(zhì)特點(diǎn)有直接關(guān)系:巖石在長期的地質(zhì)演變中產(chǎn)生出褶皺、裂隙、斷層等地質(zhì)構(gòu)造。褶皺是巖石在構(gòu)造中受力形成的連續(xù)彎曲變形。巖石中沿?cái)嗔衙鏇]有位移的斷裂為裂隙。褶皺巖層核部產(chǎn)生許多裂隙,而背斜頂部巖層易塌落,向斜核部是儲(chǔ)水豐富的地段,地鐵隧道中易發(fā)生巖層的塌落、漏水及涌水。地鐵隧道與褶皺走向一致時(shí)建筑中易發(fā)生巖層順層滑動(dòng)。斷層是兩盤巖石沿?cái)嗔衙姘l(fā)生位移的斷裂,一般伴有幾米到幾十米的巖石破碎帶。地鐵隧道工程通過斷裂帶時(shí)易發(fā)生坍塌,車站建筑物易發(fā)生不均勻沉降等。
     (2)施工方案的選擇:防排水、支護(hù)等施工方式的正確選擇以及方案的有效性都會(huì)影響到巖層沉降控制的效果。當(dāng)方案失效的時(shí)候,可能會(huì)導(dǎo)致生沉降的發(fā)生。
     3.3沉降控制技術(shù)的機(jī)理
     施工中會(huì)造成地層的地層損失、原始應(yīng)力狀態(tài)變化、土體固結(jié)、土體的蠕變,同時(shí)還可能發(fā)生支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形等情況的發(fā)生。所以,進(jìn)行地層沉降控制,其出發(fā)點(diǎn)是保持或者加強(qiáng)原有地層的穩(wěn)定性,維持其穩(wěn)定的應(yīng)力平衡狀態(tài)。
     3.4沉降控制技術(shù)
     資料表明,地鐵隧道施工引起地表沉陷的程度主要取決于:
     (1)地層和地下水條件;
     (2)隧道埋深和直徑;
     (3)施工方法。
     其中,施工方法的影響更為明顯。同樣的地質(zhì)條件和設(shè)計(jì),不同的施工方法引起的地表沉陷會(huì)有很大的差異。因此,對地鐵的施工方法進(jìn)行對比分析是建設(shè)者必須首先論證的問題。
     地鐵的施工方法主要有3種:明挖法、新奧法和盾構(gòu)法。明挖法由于對地面交通干擾大,且因敞開作業(yè)對周圍環(huán)境千擾、污染嚴(yán)重,現(xiàn)在已經(jīng)較少使用。新奧法和盾構(gòu)法對環(huán)境干擾小,是主要的施工方法。下面結(jié)合地表沉陷的產(chǎn)生與控制措施對這2種施工方法進(jìn)行概述。
     3.4.1新奧法
     所謂新奧法就是施工過程中充分發(fā)揮圍巖本身具有的自承能力,即洞室開挖后,利用圍巖的自穩(wěn)能力及時(shí)進(jìn)行以噴錨為主的初期支護(hù),使之與圍巖密貼,減小圍巖松動(dòng)范圍,提高自承能力,使支護(hù)與圍巖聯(lián)合受力共同作用。
     采用新奧法時(shí)主要的施工方法有:
     (1)全斷面開挖法,原則上是一次完成設(shè)計(jì)開挖斷面,是在穩(wěn)定的圍巖中采用的方法;
     (2)臺(tái)階開挖法;
     (3)側(cè)壁導(dǎo)坑環(huán)型開挖法,這是當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件特別差時(shí)所采用的一種方法,也是城市隧道抑制下沉?xí)r常用的方法。
     采用新奧法施工時(shí),地面沉陷主要取決于開挖的方法、初期支護(hù)及永久支護(hù)的時(shí)間和強(qiáng)度,有以下防止地面下沉的措施:
     (1)改變施工方法:縮短開挖進(jìn)尺,如計(jì)劃1個(gè)循環(huán)1.5m,可縮短為1m或0.8m;不用全斷面開挖方法,而用環(huán)型開挖方法.
     (2)穩(wěn)定掌子面法:掌子面的穩(wěn)定是施工的前提條件,對于粘聚力小的土砂圍巖,應(yīng)選用輔助施工方法,如超前支護(hù)、開挖面噴射混凝土和安設(shè)錨桿等。
     開挖面超前支護(hù)是在開挖面前方的圍巖內(nèi)插入鋼筋、鋼管和鋼板作為輔助性支護(hù)構(gòu)件,用以防護(hù)開挖面及拱部以及防止圍巖松弛。插入的角度應(yīng)盡可能地小,以減少超挖量。開挖面噴射混凝土應(yīng)盡早進(jìn)行,對于土砂圍巖,一般噴射3cm厚的混凝土就能防止開挖面的局部塌落。
     (3)特殊施工法:有管棚法,擋墻施工法、從地表打錨桿法、特殊鋼板施工法(麥塞爾插板法)、注漿法和凍結(jié)法等。
     管棚法,是先在開挖斷面外鉆孔,然后在管子的內(nèi)外注漿,以加固開挖斷面。這種方法,可以加固堆積層和斷層破碎帶等不穩(wěn)定圍巖,能有效防止開挖的圍巖松動(dòng)。但此法需要大量的設(shè)備。
     擋墻施工法,是在隧道的兩側(cè)(或一側(cè))設(shè)置擋墻,控制隧道開挖時(shí)產(chǎn)生的松動(dòng)范圍。有混凝土連續(xù)墻法和鋼管、H型鋼和鋼插板等擋墻施工法。
     從地表打錨桿法,是在隧道開挖之前,先從地表大致垂直地打入錨桿,四周用砂漿固結(jié)起來,這種方法能有效地防止地表下沉。
     特殊鋼插板施工法又稱麥塞爾插板法,可以加固開挖面前方的圍巖,防止圍巖松動(dòng)。這種施工方法是采用特殊加工的鋼插板,用千斤頂將其頂入圍巖中。但巖層中夾有鵝卵石時(shí),施工困難,在砂巖和泥巖中效果顯著。
     (4))態(tài)施工力學(xué)法,這種方法是由朱維申教授總結(jié)完善的,這種方法強(qiáng)調(diào)勘察、設(shè)計(jì)、施工、科研各環(huán)節(jié)的緊密配合,能有效減少圍巖的松動(dòng)區(qū),抑制地表沉降量。