在顶管施工过程中,开挖面的掘进、土体的输出、掘进机的顶进、平衡泥浆(或气体)的注入等工艺与盾构法相应的施工工艺类似。但也有不同之处,盾构法施工过程中采用衬砌,拼装后就在原位不动,而顶管法则采用预制管道,施工过程中管节随掘进机一起向前顶进,管道与周围土体之间会产生剪切摩擦作用,并且注浆的作用机理也与盾构法不同。
1.掘进姿态
掘进姿态控制的基本原则:以隧道设计轴线为目标,偏差控制在设计范围内,同时在掘进过程中盾构姿态调整,确保不破坏管片。盾构依靠千斤顶不断向前推进,为便于轴线控制,将千斤顶设置成不同区域,严格控制各区域油压,同时控制千斤顶的行程,合理纠偏,做到勤纠,减小单次纠偏量,使盾构沿设计轴线方向推进。
2.开挖面的稳定
闭胸式盾构同时进行开挖和推进,要确保开挖面的稳定,避免发生过量取土和压力舱内堵塞,须使开挖和推进速度相协调。开敞式盾构要根据围岩条件,开挖后立即推进或在开挖的同时进行推进,避免开挖面发生破坏。管片拼装完成后,要尽快开挖、推进,尽量减少开挖面的暴露时间。
3.时空效应
隧道本身是一个三维空间结构,其设计是一个复杂的三维空间受力问题。在隧道开挖过程中,由于地下水的变化,土体会产生固结沉降,此时会涉及时间效应。因此,研究隧道开挖过程中的时空效应是很有必要的。
(1)时间效应
图3-35 盾构施工地表变形时间序列的变形趋势阶段
盾构施工引起的地表变形监测时间序列原则上是复杂的岩土环境系统与盾构系统在施工过程中各种要素相互作用的结果,蕴含着岩土环境在盾构施工整个过程的变形时间效应特征。盾构施工地表变形的时间序列大致可以划分为三个不同的变形趋势阶段,如图3-35所示。(www.xing528.com)
地表变形的初始阶段:累计沉降量、沉降速率和沉降加速度都从零开始逐渐增长,累计沉降量主要由盾构到达前的地表沉降和盾构开挖面到达时的地表沉降构成。
地表变形的发展阶段:累计沉降量增加较快,沉降速率逐渐达到最大,沉降的加速度由正值逐渐趋于零并转为负值,累计沉降量主要由盾构通过时的地表沉降和盾构通过后脱出盾尾的地表沉降构成。
地表变形的衰减阶段:累计沉降量继续增加,但增加缓慢,此阶段沉降速率逐渐减小到零,沉降的加速度由负值逐渐变为零,累计沉降量主要由盾构通过后的土体长期次固结沉降构成。
盾构施工过程具有典型的时滞特点,即岩土环境的变形相对于盾构施工参数的改变有一个响应的时间。也就是说,盾构施工参数的改变与岩土环境变形并不是同步的,盾构施工变形存在滞后效应。
(2)空间效应
盾构施工引起的地表变形是一个涉及不同土体的复杂力学性态的转变和位移响应的空间三维过程。这个过程可近似理解为随盾构推进而不断变化的地表沉降盆,描述其空间分布就是要确定该沉降盆的范围和大小。预测盾构施工地表变形的空间分布场,并正确理解和掌握变形机理及空间分布特征参数,这对于减少盾构施工对周围土体的扰动程度,最大限度地降低盾构施工造成的地表变形,有效保护周边历史建筑物意义重大。
4.隧道防水
盾构(顶管)隧道的防水宜以“以防为主,多道防线,因地制宜,综合治理”的原则进行。同时要考虑气候条件、工程地质和水文地质条件等因素,以确保隧道满足防水要求,且施工简便、经济合理。隧道的防水措施见表3-22。
表3-22 隧道防水措施
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