試論盾構(gòu)隧道施工地表沉降規(guī)律及控制措施研究

陳世平

(中建四局第五建筑工程有限公司， 貴州貴陽 550003)

試論盾構(gòu)隧道施工地表沉降規(guī)律及控制措施研究

陳世平

(中建四局第五建筑工程有限公司， 貴州貴陽 550003)

在使用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道施工時(shí)，常常會(huì)導(dǎo)致隧道上部的地表出現(xiàn)沉降，并在隧道的運(yùn)營(yíng)過程中，這種沉降現(xiàn)象依然會(huì)持續(xù)發(fā)展，對(duì)隧道的地下設(shè)施以及隧道四周的地面建筑都會(huì)造成較大的影響。所以，降低施工對(duì)周圍土體的干擾，分析隧道施工時(shí)地表的沉降規(guī)律至關(guān)重要。基于此，對(duì)盾構(gòu)隧道施工地表沉降規(guī)律以及控制措施進(jìn)行探討研究。

盾構(gòu)隧道施工;地表沉降規(guī)律;控制措施

0 引言

盾構(gòu)法指的是利用盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行隧道暗挖的一種施工方法，相較于傳統(tǒng)的施工方法，盾構(gòu)法具有作業(yè)面小、對(duì)環(huán)境影響小、勞動(dòng)強(qiáng)度低、自動(dòng)化程度高、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，在地鐵隧道工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于城市地區(qū)盾構(gòu)隧道是在巖石土體內(nèi)部進(jìn)行施工的，在進(jìn)行開挖施工時(shí)難免會(huì)對(duì)地下的巖土體造成擾動(dòng)，使原有的平衡狀態(tài)被破壞，出現(xiàn)地表變形和沉降的情況。為了降低地表沉降對(duì)周圍建筑的影響，需要認(rèn)真分析地表沉降規(guī)律，并找出具體的控制方法。

1 案例介紹

某地鐵隧道工程南站和北站之間設(shè)計(jì)的隧道軌頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為17.76～26 m，隧道結(jié)構(gòu)底標(biāo)高為16.74～24 m，隧道結(jié)構(gòu)頂?shù)臉?biāo)高為22.76～30 m，隧道的埋深為16～23.3 m，土的覆蓋厚度為10～17.5 m。結(jié)合隧道的縱斷面來看，隧道的最大豎曲半徑為5 000 m，最小豎曲半徑為3 000 m，區(qū)間線路縱坡為“V”字形。此區(qū)間盾構(gòu)構(gòu)成需要從圓礫層穿過，圓礫層普通粒徑為10～40 mm，最大粒徑為150 mm，卵石主要由中粗砂、砂巖、輝綠巖進(jìn)行充填。盾構(gòu)工程地質(zhì)縱斷面圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)工程地質(zhì)縱斷面圖

2 隧道工程地表沉降規(guī)律分析

在隧道工程施工過程中，由于其經(jīng)歷的區(qū)域較多，地質(zhì)情況相對(duì)來說也較為復(fù)雜。根據(jù)隧道工程段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，隧道監(jiān)測(cè)斷面一和監(jiān)測(cè)斷二的中線地表沉降時(shí)程曲線如圖2所示。

圖2 隧道監(jiān)測(cè)斷面-和監(jiān)測(cè)斷面二的中線地表沉降時(shí)程曲線

從圖2可以看出，底層的沉降、變形規(guī)律如下:在盾構(gòu)機(jī)未到達(dá)之前，在地表會(huì)有隆起的情況出現(xiàn)，隆起的影響范圍大約在10～15 m，并且軟弱程度不同的地層，所隆起的數(shù)值也是不相同的。一般情況向下，先行隆起數(shù)值在2 mm以內(nèi)，并且會(huì)對(duì)黏性土層造成比較大的干擾。一般情況下，先行隆起值會(huì)保持在1.5 mm。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)監(jiān)測(cè)斷面后，會(huì)在其上方產(chǎn)生沉降。其中粉質(zhì)黏土的沉降值一般會(huì)在-2 mm左右，而其它土層的沉降值會(huì)在-1 mm左右。盾構(gòu)通過時(shí)，地表產(chǎn)生的沉降值大約為總沉降值的36%～40%。隨著盾構(gòu)的持續(xù)推進(jìn)，當(dāng)盾尾從監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過后，所產(chǎn)生的沉降范圍為通過監(jiān)測(cè)斷面后0～30 m之間。盾構(gòu)后期產(chǎn)生的沉降主要是由于徐變和土體固結(jié)造成的。在粉細(xì)砂層會(huì)產(chǎn)生-1～-3 mm的沉降，在盾構(gòu)從監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過70 m左右后，地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

3 控制盾構(gòu)隧道施工地面沉降施工方法

3.1 盾構(gòu)機(jī)施工前的準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)工作前，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的地面建筑物、地下管線、地下障礙物、地下設(shè)施等要詳細(xì)調(diào)查，制定適當(dāng)?shù)念A(yù)防保護(hù)措施以保護(hù)重要的建筑物。為了實(shí)現(xiàn)定期及時(shí)的監(jiān)測(cè)，必須建立較嚴(yán)格的隧道沉降量測(cè)控制網(wǎng)，當(dāng)進(jìn)行隧道施工時(shí)，一定要考慮周圍的自然環(huán)境對(duì)工程的影響，深入分析盾構(gòu)前方監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，若把盾構(gòu)前方監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地面變形情況控制在-5～5 mm之間，那么盾構(gòu)在通過時(shí)地面變形情況可控制在-30～l00 mm之間，否則為了控制地面沉降的情況，需要調(diào)整出土量，如果相關(guān)的要求更嚴(yán)格，那么可以重新確定相應(yīng)的控制值[1]。

3.2 艙內(nèi)壓力要設(shè)定合理

土壓平衡式盾構(gòu)施工法的原理比較復(fù)雜，即進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，為了保持開挖面的土體的穩(wěn)定性，需要保持盾構(gòu)前方土體壓力和艙內(nèi)土體壓力的平衡。根據(jù)大量的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)得知，由于進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，推進(jìn)速度、排土量和千斤頂頂力等因素對(duì)土壓產(chǎn)生影響，因此土壓會(huì)發(fā)生波動(dòng)，所以需要保持土壓的平衡狀態(tài)，但是在實(shí)際工作中，很難保持這樣的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，所以為了保持開挖面的穩(wěn)定性，需要對(duì)排土量和艙內(nèi)外土體壓力差值的大小實(shí)現(xiàn)有效控制，前方土體的松動(dòng)或擠壓造成的土體擾動(dòng)的減小可以通過增強(qiáng)開挖面的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，為了盡可能使開挖面上體擾動(dòng)的減小，需要保持密封艙內(nèi)的壓力大于正面靜止水與土壓力之和。開挖的穩(wěn)定性可以通過監(jiān)測(cè)土艙壓力來判斷，為了保持開挖的穩(wěn)定性可以通過控制開挖面的土壓實(shí)現(xiàn)[2]?？刂崎_挖面的土壓，首先，目標(biāo)土壓的確定可以以地層的情況為依據(jù)確定;其次，對(duì)土壓的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè);最后，目標(biāo)土壓值的維持可以通過對(duì)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

3.3 將壓漿充填到盾尾建筑的空隙

盾構(gòu)施工的關(guān)鍵因素之一是管片施工質(zhì)量，為了保證盾構(gòu)的良好抗?jié)B性，及時(shí)進(jìn)行注漿工作，必須嚴(yán)格控制管片的強(qiáng)度、尺寸和預(yù)留孔道位置等，同時(shí)做好防水處理工作，避免因?yàn)橐r砌暴露的時(shí)間過長(zhǎng)而導(dǎo)致洞體出現(xiàn)坍塌的情況?？刂谱{數(shù)量與注漿壓力。為了防止注漿材料出現(xiàn)收縮的情況，必須保證注漿量大于理論上的建筑空隙的體積，通常情況下與理論值相比，要大于其約10%;若將膨脹劑摻加在注漿材料中，那么實(shí)際注漿量與理論注漿量將可能大致相同。實(shí)際的工程中，很難準(zhǔn)確確定建筑空隙的理論數(shù)據(jù)，所以確定其有沒有被完全填充可以利用控制注漿壓力來確定，當(dāng)注漿數(shù)量與原定的標(biāo)準(zhǔn)基本相同，注漿壓力出現(xiàn)快速升高的情況，這代表填充得比較密實(shí)，所以要停止壓注工作;若注入數(shù)量與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)一致，但是注漿的壓力顯示比較低，代表空隙比較大，此時(shí)需要將注入的數(shù)量增加，標(biāo)準(zhǔn)是壓力升高的規(guī)定值;若注入數(shù)量與建筑空隙的估計(jì)值相比較大，但是壓力偏低，代表漿液有流失的情況，此時(shí)需要以水文地質(zhì)資料為依據(jù)，做勘測(cè)工作， 處理水道封堵、重新壓漿等工作，使壓漿材料的性能得到改進(jìn)。拌漿站進(jìn)行施工工作時(shí)，要檢測(cè)漿體的強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間和收縮量等，確定適當(dāng)?shù)呐浜媳?，隧道的防水性能與注漿材料的抗?jié)B性息息相關(guān)。卸荷產(chǎn)生的擾動(dòng)與盾尾間隙都對(duì)土體產(chǎn)生影響，土體擾動(dòng)程度的減小可以通過注漿與二次注漿的同步進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行盾構(gòu)向前推進(jìn)工作時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)沉降的有效控制，要對(duì)注漿參數(shù)及時(shí)調(diào)整。為了防止出現(xiàn)因壓力過大引起的填充土體間隙被劈裂現(xiàn)象，在進(jìn)行同步注漿工作時(shí)， 注漿壓力要被嚴(yán)格控制，因?yàn)槿绻{的壓力過大，會(huì)導(dǎo)致土層被劈裂，進(jìn)而導(dǎo)致后期管片出現(xiàn)沉降的情況，注漿壓力過小，則會(huì)導(dǎo)致漿液的填充速度變慢， 因而不能完全填充間隙。根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，最合適的注漿壓力可以設(shè)定為1.1～1.2倍靜止土壓力。

3.4 開挖面地層擾動(dòng)的減少

施工之前需要將準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備充足，如施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)概況的調(diào)查，特別是地下水的來源、流量以及流向，控制地表變形與防水的預(yù)防措施要提前制定好。為了應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，必須制定具體的堵水方案及坍塌應(yīng)急處理方案。保持施工的速度與連續(xù)性，如果盾構(gòu)機(jī)的向前推進(jìn)工作停止， 盾構(gòu)機(jī)會(huì)因?yàn)檎嫱翂毫Τ霈F(xiàn)后退的情況，雖然可以用支撐或者加固的方法盡量減少其后退量，但是并不能杜絕此現(xiàn)象的發(fā)生[3]。因此，為了防止盾構(gòu)機(jī)停止運(yùn)作，提高開挖工程的施工速度，必須要做好組織工作。若在施工過程中，需要對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行檢修，或其出現(xiàn)暫停作業(yè)的情況，必須采取措施防止其后退， 封閉其正面和盾尾，盡最大努力使暫停作業(yè)期間地表的沉降被減少。

為了防止超量，盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)時(shí)，開挖面的出土量必須要控制好。出土量被嚴(yán)格控制，嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)時(shí)的糾偏量以及施工測(cè)量。為了避免出現(xiàn)偏斜情況，必須保證盾構(gòu)不能與隧道的設(shè)計(jì)斷面發(fā)生偏離，因此地層中盾構(gòu)機(jī)不會(huì)擺動(dòng)，也不會(huì)擾動(dòng)土層。為了保證開挖面的穩(wěn)定性，施工過程中應(yīng)使用合理的正面支撐控制土體的坍塌。如果條件允許，采用土壓平衡式盾構(gòu)技術(shù)可以使地下水位不會(huì)被改變，應(yīng)盡量避免發(fā)生土體擾動(dòng)。

4 結(jié)語

本文通過實(shí)際案例分析了盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表沉降造成的影響，并提出了具體的控制措施。工程施工過程中，有效控制了地表沉降，最大限度地降低了盾構(gòu)隧道施工對(duì)周圍建筑的影響，為類似工程施工提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

[l]李曙光.EPB盾構(gòu)法隧道施工引起的地表沉降分析與數(shù)值模擬[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2006.

[2] 李小剛.小半徑大坡度盾構(gòu)隧道施工力學(xué)特性研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2007.

[3] 李海峰.淺埋暗挖隧道施工地表沉降的規(guī)律及其對(duì)既有構(gòu)筑物的影響分析[D].北京:北京交通大學(xué)，2008.

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2105-06-18

陳世平(1985-)，男，福建三明人，助理工程師，從事道路橋梁施工管理工作。