從土壓平衡盾構設計角度對地表沉降控制的一些思考

王杜娟

(中鐵隧道裝備制造有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

盾構的地表沉降控制是一個綜合問題，其中施工控制占主導因素。從施工方面對地表沉降控制的研究文獻已有很多。楊書江等［1］介紹了盾構通過重要建(構)筑物的施工技術。劉云龍［2］認為應參照地表監(jiān)測數(shù)據調整施工過程中的參數(shù)以達到地表沉降的控制。陳廣亮［3］系統(tǒng)分析了超前、同步、補注漿3種方式改善砂卵石地層的物理力學性質的機制，并介紹了不同注漿方式的注漿方法和參數(shù)，認為通過各階段的注漿能夠有效地控制盾構法施工引起的地表沉降。盧瑾［4］以廣州市軌道交通四號線南延段盾構法施工為研究背景，用2種方法分析并預測了盾構法施工引起的地表沉降，認為地表土體產生沉降最主要的原因是盾構開挖過程中引起的地層損失。黃春來等［5］通過對上海地鐵軟土地層盾構施工引起的地層變形原因和機制進行分析，結合派克公式對地層變形進行計算，引出地層損失率作為沉降控制標準，并提出了軟土地層盾構施工地層損失控制技術要點。何國軍［6］分析泥水平衡盾構施工引起地表沉降的機制，結合超大直徑泥水平衡盾構施工實例，從切口壓力、泥水指標控制及同步注漿管理等方面探討超大直徑泥水平衡盾構施工地表沉降的控制技術。鄭淑芬［7］對盾構隧道施工地表沉降進行了較為深入的研究，首先，歸納總結前人研究所得理論，分析了產生地表沉降的機制和影響地表沉降的因素以及地表沉降的大致規(guī)律;接著，以廣州地鐵三號線北延段高增站—新機場南站區(qū)間盾構隧道為實際工程背景，運用有限元軟件MIDAS/GTS模擬盾構隧道開挖掘進過程，分析盾構隧道掘進過程中產生的地表沉降，并將數(shù)值模擬分析結果與實測的地表監(jiān)測數(shù)據對比;然后，借助MIDAS/GTS軟件，研究上層覆土條件、盾尾注漿、掘進壓力和雙線隧道的不同開挖順序等因素對盾構隧道地表沉降的影響規(guī)律;最后，針對如何將地表沉降控制在合理范圍內提出了實用性的措施。只有考慮施工過程以及不同地區(qū)的土質情況才可以較為準確地預測地表沉降，但如果和設計不匹配，會給施工帶來很大困難。大部分進行盾構選型的人員是施工人員，對盾構的設計不是非常了解，因此，選型從根本上不適應的現(xiàn)象時有發(fā)生。本文分別針對軟土和砂卵石等不同地層進行原因分析，并提出有效措施，主要從盾構設計角度提出選型觀點。

1 地鐵盾構法施工地表沉降案例及原因分析

1.1 目前地鐵盾構法施工中地表沉降案例

地鐵施工由于主要在城市中進行，所以對地表沉降要求較高，雖然目前大部分地鐵采用盾構法施工，較為安全，但其中也發(fā)生了一些事故，如圖1所示。

圖1 地鐵施工沉降導致事故示例Fig.1 Incidents induced by ground surface settlement during Metro work construction

1.2 地表沉降發(fā)生的原因分析

沉降發(fā)生的根本原因是盾構施工對地層的擾動，對地層擾動的多少決定了地表沉降的大小。從原理上來說，泥水平衡盾構理論上可以實現(xiàn)100%的沉降控制，主要原因是:泥水盾構有泥膜，可完全隔絕地下水與土倉的聯(lián)系，同時，漿液具有液體傳遞壓力的特性，可準確達到壓力平衡，理論上刀盤前部土體幾乎可保持原狀，土層不受擾動;盾體段，泥漿可完全填充開挖空隙，原狀土不受擾動;管片段，如注漿做好，理論上可不產生沉降。

土壓平衡盾構即使在理論上也做不到100%地表沉降。原因是:在刀盤前部，開挖面無泥膜，即使土倉有壓力，也制止不了地下水向土倉滲透，渣土改良理論上可止水，但也只能減緩不能杜絕地下水流失，由于地下水的流失，會引起原狀土性狀改變，就算是輻條式刀盤，刀盤在掌子面的剛性支撐在開挖過程會產生或大或小的空洞，形成局部坍塌;盾體段存在開挖空隙，回填渣土松散，地層的沉降是不可避免的，開挖空隙越小，沉降越少;盾尾段與泥水盾構相同，只要注漿合理，理論上此種沉降在設計時可不考慮。

由以上分析引發(fā)了土壓平衡盾構在設計時應考慮的共性問題:

1)刀盤在條件允許時盡可能采用輻條式，開口率盡可能大。

2)開挖空隙在條件允許時盡可能小。

2 沉降分析及設計應對措施

地表沉降理論上主要分4種，每種沉降產生的原因和大小不同，且可控程度不同，如圖2及表1所示。

圖2 地表沉降理論分析示意圖Fig.2 Sketch of theoretical analysis on ground surface settlement

目前國內土壓平衡施工典型地質主要分為軟土(含淤泥質土、粉質黏土、黏土、粉細砂等)、砂及砂卵石層(含細砂、中粗砂、砂礫、砂卵石、卵石層等)及巖石(各類巖石及不同風化程度的巖層)。

地表沉降在土壓平衡盾構施工中是一個非常重要的控制因素，但具體到不同的地質，地表沉降的表現(xiàn)又不同。以上3類地層中以巖石，尤其是穩(wěn)定圍巖的地表沉降最小，基本可以忽略不計;而以砂卵石層地表沉降最難控制;在軟土中，淤泥質土地表沉降也較難控制;而粉細砂層則是最容易出大事故的地層，目前地鐵幾次較大事故均發(fā)生在軟土層施工中。以下分2種地質分別探討設計中的一些考慮因素。

2.1 軟土層地表沉降分析及應對措施

就地層來說，在軟土層中土壓平衡更容易建立，地表沉降應該容易控制，但由于地層不能自然成拱，理論上來說，盾構的開挖會對整個開挖面及以上地層產生擾動，因此地表沉降較難控制。軟土盾構的設計，在轉彎半徑允許的范圍內，應盡量減少盾尾間隙進而減少開挖直徑與管片外徑間的空隙，減少地層擾動，防止地表沉降。主要措施有:

1)減少盾尾間隙，注漿管外置，進而減少開挖直徑，如圖3所示。

2)刀盤加大開口，使土壓真實反應。

3)配置較大的理論注漿量，可到2～2.5倍。

4)配置雙液注漿系統(tǒng)。

表1 地表沉降理論分析表Table 1 Theoretical analysis on ground surface settlement

2.2 砂卵石層地表沉降分析及應對措施

在砂卵石層，雖然很多致密地層無水時可基本自穩(wěn)，但由于地層細顆粒含量少，渣土改良不易，則對地層的擾動大;另外，由于砂卵石層攪拌扭矩大與建立土壓的矛盾，施工中常常欠壓掘進，這是砂卵石層地表沉降的主要原因。另外，砂卵石層為強透水層，如地層富水，由于圓礫及礫砂層細顆粒成分含量少，不易自然形成能夠止水的流塑狀渣土，在渣土改良不到位時極易發(fā)生噴涌，導致土倉失壓引起地層沉降，嚴重時會發(fā)生“塌坑”現(xiàn)象。砂卵石地層沉降地理分析如圖4所示。

砂卵石層地表沉降控制主要考慮能夠實現(xiàn)土壓平衡掘進模式，而要實現(xiàn)土壓平衡，從盾構設計上需考慮以下4個方面。

1)設備需具備足夠的驅動扭矩。

2)刀盤需有合理的開口率保證渣土順暢流動。

3)螺旋機需有一定的卵石通過粒徑。

4)具備足夠的渣土改良能力。

圖3 軟土刀盤及盾尾設計Fig.3 Design of cutter head and tail of shield machine used in soft ground

3 典型沉降控制案例

北京地鐵施工是國內幾個施工較困難的案例之一，主要原因是地層卵石含量高、粒徑大，如圖5所示。土壓平衡較難實現(xiàn)，地表沉降非常難控制，但中鐵裝備公司在研究了北京地質及已有施工設備后，以“以排為主，排破結合”的設計理念，設計了2臺復合式土壓平衡盾構(如圖6)，輔以適當?shù)脑粮牧即胧?，施工地表沉降可控制? mm以內。

圖4 砂卵石地層沉降地理分析示意圖Fig.4 Analysis on settlement of sandy cobble strata

在現(xiàn)場進行了多種不同組合和配比的渣土改良試驗，如圖7所示。在北京卵石地層同時添加泡沫及膨潤土，掘進參數(shù)為:總推力13 000～19 000 kN、刀盤扭矩4 000～5 200 kN·M、速度20～48 mm/min、上部土壓60～90 kPa、同步注漿量4～6 m3、泡沫用量35～60 L、膨潤土用量2～3 m3、出渣量42～48 m3(1.2 m管片)。

圖7 北京地鐵盾構渣土改良試驗照片及改良效果照片F(xiàn)ig.7 Ground conditioning of shield machine used in Beijing Metro

目前2臺設備已分別完成了192 m和2 196 m的掘進，貫通2個區(qū)間，最高單班進度為10環(huán)，最高日進度為20環(huán)，最高月進度330環(huán)。地表沉降情況最大點為7 mm，累計平均沉降為3 mm。

刀盤開口率為40%，在土倉上部保壓80 kPa壓力情況下掘進，中鐵盾構能夠持續(xù)掘進，地表沉降情況控制較好。

對地表沉降要求嚴格的地區(qū)，中鐵盾構表現(xiàn)出了較強的適應性，得到了業(yè)主和北京市政府的一致好評。

4 結論與建議

本文對地表沉降原因進行了分析，并從盾構設計選型角度給出了一些有效措施，但由于地下施工不確定性因素很多，本文并不能從根本上完全解決此問題，這方面的研究將不斷發(fā)展進步，希望本文的觀點可以對施工單位在盾構選型方面有一些參考。本文僅從盾構設計角度談此問題，所有理論是建立在理想施工控制基礎上。同時，由于地表沉降主要還要靠施工控制，如果施工控制不好，再好的設備也不能避免地表沉降產生，建議施工單位加強施工管理，多方面避免地表沉降的產生，最大限度地保證地鐵施工安全。

［1］ 楊書江，孫謀，洪開榮.富水砂卵石地層盾構施工技術［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］ 劉云龍.盾構在淺層軟土中穿越城市快速路及地下管線的地表沉降控制［J］.鐵道建筑技術，2010(2):23－26.(LIU Yunlong.Control on surface subsidence of shield crossing urban freeway and underground pipeline in shallow soft soil［J］.Railway Construction Technology，2010(2):23－26.(in Chinese))

［3］ 陳廣亮.注漿技術在盾構穿越砂卵石地層施工中的應用［J］.山西建筑，2010(31):311 －313.(CHEN Guangliang.Application of grouting technology in shield crossing sandy cobble bed construction［J］.Shanxi Architecture，2010(31):311 －313.(in Chinese))

［4］ 盧瑾.軟土地層中盾構法開挖引起的地表沉降研究［D］.南京:河海大學土木與交通學院，2007.(LU Jin.Analysis of Ground Settlement Due to Tunnel Construction with Shield in Soft Soil［D］.Nanjing:College of Civil and Transportation Engineering，HoHai University，2007.(in Chinese))

［5］ 黃春來，張映根.軟土地層盾構施工地表沉降分析及措施［J］.山西建筑，2010(10):223 －225.(HUANG Chunlai，ZHANG Yinggen.Ground subsidence analysis and controlling measures in soft soil shielding［J］.Shanxi Architecture，2010(10):223 －225.(in Chinese))

［6］ 何國軍.超大直徑泥水平衡盾構地表沉降控制關鍵技術［J］.上海交通大學學報，2011(S1):124 －127.(HE Guojun.Key techniques of controlling earth subsidence by superdiameter slurry-pressure balanced tunnel boring machine［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2011(S1):124 －127.(in Chinese))

［7］ 鄭淑芬.盾構隧道施工地表沉降規(guī)律及控制措施研究［D］.長沙:中南大學土木工程學院，2010.(ZHENG Shufen.Study on laws and control measures of ground settlements caused by shield tunneling［D］.Changsha:College of Civil Engineering，Central South University，2010.(in Chinese))