土壓平衡盾構(gòu)施工地表沉降分析及控制方法

高文

摘 要 對采用盾構(gòu)法施工引起地表沉降的一般規(guī)律及類型進(jìn)行了介紹，闡述了地面沉降產(chǎn)生的原因和機(jī)理，并對地面沉降量的具體控制方法作了說明，以期指導(dǎo)實踐。

關(guān)鍵詞 盾構(gòu)法 地面沉降 規(guī)律 控制方法

隨著地鐵施工的發(fā)展，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)因其施工安全可靠、適應(yīng)地層廣泛、對地層擾動較小、沉降易于控制等特點在城市地鐵施工中被廣泛應(yīng)用。如何有效控制地表沉降、減小對地面建構(gòu)筑物的擾動、降低隧道施工風(fēng)險成了當(dāng)今地鐵施工領(lǐng)域的重難點。因此，如何認(rèn)真分析盾構(gòu)施工中地面沉降產(chǎn)生的原因與發(fā)生機(jī)理，針對具體情況采取合理措施，盡量減少地面沉降，力求確保施工過程中鄰近建筑物的安全，已成為城市地鐵工程中盾構(gòu)法施工隧道成敗的關(guān)鍵。

1 施工概況

1.1 地面建筑物概況

北京地鐵8號線鼓什區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，區(qū)間正穿101棟房屋等建筑，在影響線內(nèi)近距離穿越389戶居民及商鋪。穿越建筑物區(qū)段總長600余米，占到整個區(qū)間總長的70%左右。沿線穿越房屋多為無基礎(chǔ)的老式四合院，結(jié)構(gòu)主要以磚木、磚混為主， 為一級風(fēng)險源，房屋等地面建筑整體情況較差。因此如何正確選擇盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，減小房屋沉降，確保平瓦房區(qū)房屋、居民安全是本工程的重點和難點。

1.2 水文地質(zhì)概況

本工程隧道區(qū)間隧道覆土厚度15.8m～18.4m，穿越多種地層，主要穿越⑤8層卵石圓礫、⑥層粉質(zhì)粘土，⑥1層粘土，⑥2層粉土，⑦4層中細(xì)砂，⑧層粉質(zhì)粘土。拱頂?shù)貙又饕獮棰?層卵石圓礫，⑥層粉質(zhì)粘土，⑥1層粘土，⑥2層粉土。

在隧道施工范圍內(nèi)主要揭露了4層地下水，第一層為上層滯水，含水層為房渣土①層、粉質(zhì)粘土③層、粉土③2層、粉細(xì)砂③3層，靜止水位埋深2.00～9.30m，該層水水位埋深位于隧道頂板以上最小距離約9.7米；第二層為層間滯留水，靜止水位埋深15.40～17.00m，主要含水層為粉細(xì)砂④4、粉土⑥2、卵石、圓礫⑤8。因粉質(zhì)粘土⑥層、粘土⑥1層相對隔水形成，該層水不連續(xù)，水位埋深位于隧道頂板附近；第三層為層間滯留水，靜止水位埋深21.00～24.60m，主要含水層為粉細(xì)砂⑦4層和卵石⑧9層，主要因粉質(zhì)粘土⑧層、粘土⑧1層相對隔水形成，該層水不連續(xù)；第四層為潛水，水位埋深較大，因多年干旱及附近施工降水等原因引起潛水水位大幅度下降。

2 盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化選型

結(jié)合本工程特點、工程地質(zhì)、水文情況，本區(qū)間采用小松加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)TM625PMM進(jìn)行施工，并對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)改造，使其更有利于本區(qū)間施工。為減小或降低對地面古老房屋的影響，主要從沉降和振動兩方面對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)如下。

（1）刀盤面板增加1個渣土改良注入孔，土倉內(nèi)增加2個渣土改良注入孔；

（2）增加渣土改良注入系統(tǒng)一套；

（3）螺旋機(jī)增加一套后閘門 ；

（4）同步注漿系統(tǒng)注入設(shè)備更換為施威英泵；

（5）增加兩路盾尾油脂注入系統(tǒng)；

（6）增加兩臺刀盤驅(qū)動電機(jī)。

3 地面沉降的一般規(guī)律及類型

采用盾構(gòu)法施工，在隧道縱軸線上所產(chǎn)生的地表變形一般可劃分為五個階段，即刀盤到達(dá)前、刀盤到達(dá)時、盾體通過中、盾尾脫出時、后期沉降。以監(jiān)測斷面A49-1沉降數(shù)據(jù)為例，五個階段的一般變化歷時曲線：

A49-1斷面監(jiān)測曲線

由A49-1斷面監(jiān)測曲線可以看出，盾構(gòu)施工引起地表變形主要可分為五種類型，各種類型沉降產(chǎn)生的時間、部位及主要原因：

地層受擾動而引起應(yīng)力變化，是產(chǎn)生位移的主要原因。盾構(gòu)法施工的隧道穿越的地層較復(fù)雜，變形相對較大，上述的五種沉降類型都有可能發(fā)生。

4 地面沉降的原因與產(chǎn)生機(jī)理

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，導(dǎo)致地面沉降的原因有多種，但其產(chǎn)生的機(jī)理不同，主要可分下列五個方面：

（1）開挖時的水、土壓力不均衡。

土壓平衡式盾構(gòu)，由于推進(jìn)量與排土量不等，開挖面水、土壓力與壓力艙壓力產(chǎn)生不均衡，致使開挖面失去平衡狀態(tài)，從而發(fā)生地基變形（開挖面水、土壓力小于壓力艙壓力時產(chǎn)生地基隆起，大于壓力艙壓力時產(chǎn)生地基下沉）。產(chǎn)生機(jī)理：由開挖面的應(yīng)力釋放、附加應(yīng)力等引起的彈塑性變形。

（2）推進(jìn)時土體的擾動

盾構(gòu)推進(jìn)時，由于盾構(gòu)機(jī)頭的殼板與土體摩擦和土體的擾動，引起地基下沉或隆起。尤其是蛇行修正和曲線推進(jìn)時進(jìn)行的超挖，是產(chǎn)生土體松動的主要原因。產(chǎn)生機(jī)理：壓縮變形。

（3）盾尾空隙的發(fā)生和壁后注漿不充分

由于盾尾空隙的發(fā)生，使盾殼支承的土體朝著盾尾空隙變形而產(chǎn)生地基下沉，這是由應(yīng)力釋放引起的彈塑性變形。地基下沉的大小受壁后注漿材料材質(zhì)及注入時間、位置、壓力、數(shù)量等影響，粘性土地層中壁后注入壓力過大是引起臨時性地基隆起的主要原因。產(chǎn)生機(jī)理：彈塑性變形。

（4）襯砌的變形及變位

接頭螺栓緊固不足時，管片環(huán)易產(chǎn)生變形，盾尾的實際空隙量增大，盾尾脫出后外壓不均等使襯砌變形或變位，從而增大地基下沉。產(chǎn)生機(jī)理：壓縮和蠕變下沉。

（5）地下水位下降

來自開挖面的涌水或襯砌產(chǎn)生漏水時，地下水位下降而使地基下沉，這一現(xiàn)象是由于地基的有效應(yīng)力增加而引起固結(jié)沉降造成的。產(chǎn)生機(jī)理：壓縮和壓密下沉。

5 盾構(gòu)掘進(jìn)地面沉降的控制方法

根據(jù)地面沉降的原因與發(fā)生機(jī)理，采取合理有效的對策，將地面沉降控制在最小范圍內(nèi)。施工過程中常采取的方法如下。

5.1 直線段推進(jìn)的地面沉降控制

5.1.1 土壓力設(shè)定

防止開挖過程中的水、土壓力不均衡，是為了要保持開挖面的穩(wěn)定，它是控制地面沉降的關(guān)鍵。土壓式盾構(gòu)，以土壓和塑流化改良控制為主，輔以排土量、盾構(gòu)參數(shù)控制。開挖面的土壓控制值，按"地下水壓（間隙水壓）+土壓+預(yù)備壓"設(shè)定。計算土壓控制值時，一般沿隧道軸線取適當(dāng)間隔，按各斷面的土質(zhì)條件，計算出上限值與下限值，并根據(jù)施工條件在其范圍內(nèi)設(shè)定。土體穩(wěn)定性好的場合取低值，地層變形要求小的場合取高值。實施這些開挖面穩(wěn)定措施的同時，根據(jù)需要采取施工輔助措施以保證土體的穩(wěn)定。

5.1.2 有效的渣土改良

流塑性好的改良土有效的減小了土體與盾體之間的摩擦，保持了周圍土體的穩(wěn)定，同時對盾體周邊空隙進(jìn)行填充。

盾構(gòu)推進(jìn)前，首先加入泡沫，轉(zhuǎn)動刀盤，待刀盤扭矩正常穩(wěn)定后，再向前推進(jìn)，同時加入泥漿。每環(huán)推進(jìn)完成后，先停止加泥，轉(zhuǎn)動刀盤3min左右再停止加泡沫。本區(qū)間主要為圓礫-卵石、粉細(xì)砂層，使用濃度3%的泡沫原液，發(fā)泡體積膨脹率為10倍，同時加入1：8的膨潤土漿液。膨潤土漿液摻量以滿足底層內(nèi)細(xì)顆粒含量不小于20%為宜?？紤]到地層的滲漏損失，對于卵石地層，暫定摻入量為10%。

泥漿和泡沫的流量根據(jù)每環(huán)設(shè)計加量和掘進(jìn)速度確定：理論流量=每環(huán)設(shè)計加量×掘進(jìn)速度/1.2 。在加入過程中，由于土倉的土壓會平衡一部分管道的壓力，所以操作時泥漿和泡沫流量參數(shù)設(shè)定應(yīng)略高于理論值，并根據(jù)土壓力變化和螺旋機(jī)的出渣狀況及時調(diào)整。

渣土改良效果

5.1.3 嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，減少盾構(gòu)機(jī)偏轉(zhuǎn)及橫向偏移等現(xiàn)象的發(fā)生

根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)反映的盾構(gòu)姿態(tài)信息及線路條件，結(jié)合隧道地層情況，通過選擇盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)油缸模式來控制掘進(jìn)方向。同時在曲線段掘進(jìn)時，按照曲線半徑計算鉸接角度，調(diào)節(jié)鉸接油缸伸長量輔助曲線施工。

鑒于盾構(gòu)推進(jìn)結(jié)束后，由于同步注漿漿液需要一段時間才能初凝，因此管片都會有一定程度的上浮。因此掘進(jìn)姿態(tài)宜控制盾構(gòu)在設(shè)計軸線稍靠下位置，并保持一個大致不變的俯仰角。

糾偏時推進(jìn)油缸油壓的調(diào)整不宜過快、過大，切換速度過快可能造成管片受力狀態(tài)突變，而使管片損壞。

5.1.4 出渣量的控制

嚴(yán)格控制出渣量，指定專人對每斗出渣量進(jìn)行測量，對每斗渣土傾倒情況進(jìn)行檢查，并做好記錄，根據(jù)估算結(jié)果實時調(diào)整螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速及出渣量，按虛方系數(shù)=1.2計算，每環(huán)出渣量控制在43～44m3。出渣過程中保持推進(jìn)參數(shù)的穩(wěn)定，以免造成開挖面水、土壓力不均衡。

出渣量嚴(yán)格控制

5.1.5 同步注漿

做好盾尾間隙的充填壓漿，可從以下四方面著手：

（1）確保壓注工作的及時性。盡可能縮短襯砌脫出盾尾的暴露時間，以防地層塌陷。

（2）改進(jìn)注漿材料的性能。施工過程中，要嚴(yán)格控制注漿材料的配合比，對其凝結(jié)時間、強(qiáng)度、收縮量等通過試驗不斷改進(jìn)，提高注漿材料的抗?jié)B性能，既利于隧道防水，又可減小地面沉降。

砂漿質(zhì)量嚴(yán)格控制

（3）確保壓漿數(shù)量。注漿材料會產(chǎn)生收縮，因此，壓漿量必須超過理論間隙體積，注漿量取環(huán)形間隙理論體積的1.3～1.8倍，即每環(huán)同步注漿量4.21～5.83m3。但過量的壓漿會引起地表隆起或局部跑漿現(xiàn)象，對管片受力狀態(tài)也有影響。

（4）控制注漿壓力。為保證達(dá)到對環(huán)向空隙的有效充填，同時又能確保管片結(jié)構(gòu)不因注漿產(chǎn)生變形和損壞，根據(jù)經(jīng)驗，注漿壓力取值為：2～3bar （注漿壓力比土壓力高約1bar） 。由于盾構(gòu)糾偏、局部超挖、地層存在空隙等原因，往往使實際的間隙量無法估算。因此，還應(yīng)將注漿壓力作為衡量充填程度的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)壓力急驟升高時，說明已充填密實，此時應(yīng)停止注漿。

5.1.6 二次、多次注漿

注漿材料采用雙液漿：即水玻璃+水泥砂漿（水泥：P.O42.5， 水玻璃：30Be）。漿液配比及其相關(guān)參數(shù)指標(biāo)如下：

注漿漿液配比：水泥漿水灰比（重量比）：0.8：1；注入時漿液與水玻璃體積比為：水泥漿：水玻璃=1：1，漿液擴(kuò)散半徑0.7m。漿液初凝時間1分30秒；3d抗壓強(qiáng)度7.8MPa，7d抗壓強(qiáng)度11.2MPa，28d抗壓強(qiáng)度13.3MPa。

二次注漿宜在盾構(gòu)通過8～10環(huán)之后進(jìn)行，同一環(huán)管片嚴(yán)格按'先拱頂后兩腰，兩腰對稱'的方法注入，注漿壓力控制在0.4～0.6MPa。采用隔環(huán)開孔、每環(huán)開三個孔（12點、3點、9點位置）的方式進(jìn)行二次注漿，開孔深度以打穿同步注漿層為宜，約45cm。注雙液漿時，先注純水泥漿液1min后，打開水玻璃閥進(jìn)行混合注入，終孔時應(yīng)加大水玻璃的濃度。在一個孔注漿完結(jié)后應(yīng)等待5～10分鐘后將該注漿頭打開疏通查看注入效果，如果水很大，應(yīng)再次注入，至有較少水流出時可終孔，拆除注漿頭并加蓋悶頭蓋。如監(jiān)測數(shù)據(jù)反映沉降仍不穩(wěn)定，可采取多次補(bǔ)強(qiáng)措施控制沉降。

5.1.7 管片拼裝質(zhì)量控制

本工程所用管片分為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、左轉(zhuǎn)環(huán)及右轉(zhuǎn)環(huán)3種，以適應(yīng)盾構(gòu)掘進(jìn)線型，施工時需根據(jù)需要選擇合適的管片。管片類型和C塊位置根據(jù)設(shè)計要求和現(xiàn)場情況確定。確定管片選型主要考慮下幾個因素：

（1）盾尾間隙

（2）千斤頂油缸行程差

（3）鉸接油缸行程差

拼裝時注意管片拼裝質(zhì)量，管片拼裝允許偏差為：高程和平面±50mm，每環(huán)相鄰管片平整度4mm，縱向相鄰環(huán)間平整度5mm，襯砌環(huán)直徑橢圓度5‰。整環(huán)拼裝相鄰環(huán)環(huán)面間隙0.6～0.8mm，整環(huán)拼裝縱縫相鄰塊間隙1.5～2.5mm。

盾構(gòu)掘進(jìn)時，在上一個循環(huán)管片脫出盾尾后，及時用風(fēng)動扳手對所有管片環(huán)縱向螺栓進(jìn)行復(fù)緊，確保所有螺栓絕對緊固，保證管片拼裝質(zhì)量。

嚴(yán)格控制管片拼裝質(zhì)量

5.1.8 加強(qiáng)地面變形的預(yù)測與監(jiān)測

為了減少地面變形，推進(jìn)前根據(jù)以往類似工程的經(jīng)驗和有限單元法進(jìn)行預(yù)測，以預(yù)測結(jié)果為依據(jù)來初步設(shè)定掘進(jìn)參數(shù)；在推進(jìn)過程中，對隧道中心線上及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)設(shè)定的觀測點進(jìn)行水準(zhǔn)測量，將這一結(jié)果應(yīng)用到后續(xù)區(qū)段的施工管理中。實踐證明，采用"勤測試、勤調(diào)整施工參數(shù)"的信息化施工方法，可將地面沉降量控制在理論計算出的地面沉降限值范圍內(nèi)。

5.2 曲線段地面沉降控制

本隧道的最小曲線半徑為350m，屬于小半徑曲線施工，因其固有的施工特點，對地面沉降有一定的影響。在掘進(jìn)過程中需加強(qiáng)控制，防止超限事故發(fā)生。小半徑隧道的施工難度在于：軸線比較難于控制；管片出盾尾后，易受到水平分力的影響，隧道向圓弧外側(cè)偏移；盾構(gòu)推進(jìn)時，糾偏量較大，對土體擾動的增加易發(fā)生較大沉降量。采取的措施如下：

5.2.1 選用帶有鉸接裝置的盾構(gòu)，預(yù)先推出弧線態(tài)勢

用于本標(biāo)段的盾構(gòu)鉸接裝置采用主動式鉸接，在盾構(gòu)將進(jìn)入緩和曲線段處，調(diào)節(jié)交接角度，在其后的緩和曲線段掘進(jìn)行程中將水平張角逐漸調(diào)節(jié)到設(shè)計鉸接角度，以符合隧道軸線要求的曲率半徑。其后在小半徑的圓曲線隧道掘進(jìn)中將基本保持這個張角，直至走完曲線全程。

5.2.2 采用超挖刀在曲線內(nèi)側(cè)位置進(jìn)行超挖，有利于糾偏

在盾構(gòu)刀盤上設(shè)計安裝超挖刀，本段區(qū)間將采用超挖刀在曲線內(nèi)側(cè)位置進(jìn)行超挖，以有利于糾偏。

5.2.3 盾構(gòu)沿弧線內(nèi)側(cè)（割線方向）掘進(jìn)，使得軸線留有預(yù)偏量

由于受水平分力影響，"大曲率小半徑"隧道易向弧線外側(cè)平移，因此盾構(gòu)掘進(jìn)時，將盾構(gòu)沿弧線內(nèi)側(cè)（割線方向）掘進(jìn)，使得軸線留有預(yù)偏量。

5.2.4 進(jìn)行二次注漿，提高土體強(qiáng)度，抵抗水平分力

為減小盾構(gòu)掘進(jìn)時對已成隧道受到水平分力的影響，在R=350m圓曲線范圍內(nèi)利用管片注漿孔對弧線外側(cè)土體進(jìn)行注漿，提高土體強(qiáng)度，抵抗水平分力。

5.2.5 勤測勤糾，精確控制盾構(gòu)方向

提高監(jiān)測頻率，每環(huán)分小段（30～40cm）進(jìn)行測量，對比左右側(cè)千斤頂?shù)男谐滩钍欠襁_(dá)設(shè)計要求，以便及時調(diào)整左右側(cè)的壓力差，用最新的施工參數(shù)指導(dǎo)下一段施工。

5.2.6 正確的管片選型

準(zhǔn)確測量盾尾間隙，正確選用管片拼裝環(huán)（標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、左彎環(huán)或右彎環(huán)），減小管片環(huán)在盾尾中轉(zhuǎn)彎的阻力，而且保證推進(jìn)油缸的推力支撐環(huán)面與隧道軸線基本垂直，有利于使用推進(jìn)油缸調(diào)向和減小曲線段上調(diào)向推力并保持管片在曲線段上的穩(wěn)定。

5.2.7 信息化施工。

信息化施工主要是通過設(shè)置儀器進(jìn)行定時監(jiān)測，并將其結(jié)果與施工管理標(biāo)準(zhǔn)值和容許值做比較，進(jìn)而反饋到下一步施工中的保護(hù)措施。它的主要內(nèi)容有：

（1）建立完善的變位監(jiān)測系統(tǒng)，在隧道的兩側(cè)埋設(shè)沉降觀測點進(jìn)行系統(tǒng)、全面的跟蹤監(jiān)測。注意對盾構(gòu)前方監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，盾構(gòu)前方監(jiān)測點地面變形控制在-5 mm～5 mm之間；

（2）根據(jù)地面建筑物的結(jié)構(gòu)形式以及與隧道的間距等關(guān)系，制定最大沉降和沉降差的警界值；

（3）通過對盾構(gòu)初始掘進(jìn)時地面變形情況的分析，不斷調(diào)整、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，以驗證所選施工參數(shù)的合理性，保持盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定，實現(xiàn)信息化反饋施工。

6 施工工序優(yōu)化控制

通過對各工序消耗時間的分析，查找工序銜接中存在的問題，通過設(shè)備正常保養(yǎng)、減小管片拼裝時間、提前做好同步漿液攪拌等辦法，減少施工，提高功效，縮減盾構(gòu)掘進(jìn)對土體的擾動時間。

7 結(jié)語

（1）對盾構(gòu)隧道地表沉降的因素做了較為全面的分析，引起地表沉降主要與盾構(gòu)掘進(jìn)土壓控制，注漿方式和注漿材料、注漿量和注漿壓力，以及地層失水等有關(guān)，闡明了這些因素引起地表沉降產(chǎn)生的機(jī)理。

（2）根據(jù)產(chǎn)生地表沉降的因素對控制沉降提出了相對應(yīng)的控制措施，通過施工實際情況證明，既保證了施工進(jìn)度又保證沉降量控制在允許沉降值之內(nèi)。

（3）對采用土壓平衡盾構(gòu)法施工隧道產(chǎn)生地表沉降提供了相應(yīng)的理論分析，并提出相應(yīng)的控制措施，對相似盾構(gòu)法施工隧道的地表沉降控制有一定的借鑒意義。

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