濕陷性黃土地層盾構(gòu)施工對地表沉降的控制技術(shù)

鞠志華

摘要：隨著地鐵施工在全國范圍內(nèi)的普及，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)在全國城市隧道工程項目施工過程中得到廣泛運(yùn)用，盾構(gòu)施工不可避免的對周圍土體產(chǎn)生擾動或破壞，導(dǎo)致地表、地下管線和周邊建筑物的沉降，本文通過西安地鐵4號線TJSG-12標(biāo)區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工中采用了全過程監(jiān)控，總結(jié)了盾構(gòu)機(jī)通過濕陷性黃土段地層時對地表變形、地下管線沉降、建筑物沉降等方面監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，并分析盾構(gòu)施工區(qū)段的沉降情況及規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上有針對性地改進(jìn)施工工藝和修改施工參數(shù)。研究成果可供其他類似工程參考。

關(guān)鍵詞：地鐵；盾構(gòu)；濕陷性黃土；地表沉降；注漿

一、工程概況

西安市地鐵四號線工程（航天東路站～北客站）土建施工項目D4TJSG-12標(biāo)段包含兩站三區(qū)間，即含元路站～大明宮站區(qū)間、大明宮站、大明宮站～玄武路站區(qū)間、玄武路站、玄武路站～曹家廟站區(qū)間。

二、工程地質(zhì)情況

（一）元路站～大明宮站區(qū)間。

區(qū)間跨越兩個地貌單元，南段為洪積II級臺地，地層為地表分布有厚薄不均的全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）；其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）新黃土及殘積（Q3el）古土壤；再下為上更新統(tǒng)洪積（Q3pl）粉質(zhì)黏土、砂層等。北段為湖積III級臺地，地層為地表分布有厚薄不均的全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）；其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）新黃土及殘積（Q3el）古土壤；中更新統(tǒng)風(fēng)積（Q2eol）新黃土及殘積（Q2el）古土壤；再下為中更新統(tǒng)湖積（Q2l）粉質(zhì)黏土、砂層等。

不良地質(zhì)現(xiàn)象及特殊巖土：根據(jù)本次勘察結(jié)果，擬建場地地下水位以上3-1-1層新黃土（水上）具濕陷性。區(qū)間洪積II級臺地區(qū)域濕陷性土層厚度小于5.1m，最大埋深為6.7m，自地面下1.5m起算場地地基濕陷等級為I級（輕微）；湖積III級臺地濕陷性土層厚度小于10.0m，最大埋深為11.5m，自地面下1.5m算起場地地基濕陷等級為II級（中等）～I(xiàn)II級（嚴(yán)重），建議按III級（嚴(yán)重）考慮。

（二）大明宮站～大明宮北站區(qū)間。

大明宮站～大明宮北站區(qū)間場地內(nèi)地層為：地表分布有厚薄不均的全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）；其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）新黃土及殘積（Q3el）古土壤；再下為上更新統(tǒng)沖積（Q3al）粉質(zhì)黏土、砂層等。

不良地質(zhì)現(xiàn)象及特殊巖土：根據(jù)勘察結(jié)果，擬建場地地下水位以上3-1-1層新黃土（水上）具濕陷性。本區(qū)間濕陷性土層厚度小于11.9m，最大埋深為15m，本區(qū)間自地面算起場地地基濕陷等級為II級（中等）～I(xiàn)II級（嚴(yán)重）。

（三）大明宮北站～余家寨站區(qū)間。

大明宮北站～余家寨站區(qū)間場地內(nèi)地層為：地表分布有厚薄不均的全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）；其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）新黃土及殘積（Q3el）古土壤；再下為上更新統(tǒng)沖積（Q3al）粉質(zhì)黏土、中砂等。

不良地質(zhì)現(xiàn)象及特殊巖土：根據(jù)本次勘察結(jié)果，擬建場地地下水位以上3-1-1層新黃土（水上）具濕陷性。本區(qū)間濕陷性土層厚度小于15.8m，最大埋深為17.0m，本區(qū)間自地面算起場地地基濕陷等級為II級（中等）～I(xiàn)II級（嚴(yán)重）。

三、現(xiàn)狀地表沉降情況調(diào)查

根據(jù)已完成施工區(qū)段（含元殿站-大明宮站盾構(gòu)區(qū)間）地表沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計調(diào)查，雖然地表沉降點的監(jiān)測數(shù)據(jù)最大沉降量為-26.3mm，沒有超過規(guī)范要求的沉降控制值-30mm，但是盾構(gòu)機(jī)通過的幾天沉降速率最大點-4.52mm/d已經(jīng)超出規(guī)范允許4mm/d要求，具體數(shù)據(jù)見圖1。

由上圖可以看出在盾尾部位通過時（1月9日-1月12日），地表沉降點位沉降速率變化明顯加大，12日時最大點位169D3（位于隧道中線上）已經(jīng)超過報警值，現(xiàn)場經(jīng)過專題會議研究后，采取及時進(jìn)行同步注漿及二次注漿，穩(wěn)定推進(jìn)速度，保證土倉壓力等措施后，在后續(xù)盾構(gòu)施工中地表沉降速率均控制在2mm/d，累計沉降控制在15mm以內(nèi)。

四、地表沉降的產(chǎn)生原因及其特點

（一）盾構(gòu)推進(jìn)引起的地表沉降。

盾構(gòu)推進(jìn)引起的地層損失和盾構(gòu)隧道受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié)，是地面沉降的基本原因。主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1.隧道的開挖破壞了地層原來的平衡狀態(tài)并使周圍土體受到擾動以及地下水位的變化導(dǎo)致地層原始應(yīng)力狀態(tài)的改變，這些都會造成土體變形和地表下沉。

2.當(dāng)向盾尾和襯砌之間的建筑空隙中注漿不及時或者注漿不足時，均會造成盾尾隧道周邊土體向盾尾環(huán)形空隙移動而引起地表沉降。

3.盾構(gòu)掘進(jìn)時，開挖面土體受到的水平支護(hù)應(yīng)小于原始側(cè)向應(yīng)力，則開挖面土體向盾構(gòu)內(nèi)移動，引起地層損失而導(dǎo)致盾構(gòu)上方地面沉降。

4.隧道襯砌結(jié)構(gòu)及接縫防水處理不當(dāng)或者施工質(zhì)量差而出現(xiàn)隧道滲漏點，導(dǎo)致水土流失，而出現(xiàn)嚴(yán)重不均勻沉降。

（二）濕陷性黃土地區(qū)地鐵隧道施工中的影響因素。

1.根據(jù)本工程的勘察設(shè)計文件，隧道上方濕陷性黃土層為地下水位以上3-1-1層新黃土，濕陷性等級Ⅰ級（輕微）、Ⅱ級（中等）、Ⅲ級（嚴(yán)重）在工程范圍內(nèi)均有分布。

2.黃土地質(zhì)中的施工影響因素。

在黃土土質(zhì)進(jìn)行盾構(gòu)法地鐵隧道施工，對施工存在的影響因素有：

（1）黃土自身濕陷性性質(zhì)。濕陷性黃土的工程特性：濕陷性黃土是一種特殊性質(zhì)的土，其土質(zhì)較均勻、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育。在未受水浸濕時，一般強(qiáng)度較高，壓縮性較小。當(dāng)在一定壓力下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)會迅速破壞，產(chǎn)生較大附加下沉，強(qiáng)度迅速降低。

黃土的濕陷性判斷：天然含水率較低的黃土，在遇水后，其自身穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因膠結(jié)作用破壞而急劇降低，可能在其自重作用下產(chǎn)生較大變形或坍塌。

（2）濕陷性黃土層與盾構(gòu)施工隧道開挖面在土層中的相對位置關(guān)系。盾構(gòu)施工開挖時，土層的整體性會因外力作用而發(fā)生節(jié)理斷裂破壞，軟弱土層與開挖面的相對位置對施工安全有較大影響，在頂部時容易發(fā)生坍塌事故，在側(cè)面是容易發(fā)生土體剝落。

（三）地表沉降的特點。

盾構(gòu)推進(jìn)施工引起的地表和土體沉降位移按地表沉降變化規(guī)律可分為開挖面沉降（或隆起）、尾部沉降、尾部空隙沉降和長期延續(xù)沉降等四個階段。

1.開挖面沉降：盾構(gòu)刀盤前端10m范圍內(nèi)所發(fā)生的沉降變化。一般發(fā)生沉降，但沉降量很小，主要是盾構(gòu)掘削面引起的地下水位降低而發(fā)生的，當(dāng)設(shè)定土壓值較小，推力較小，出土量大于l00%時，地表開始發(fā)生沉降。

2.尾部沉降：拼裝好的管片脫離盾尾后形成的管片與周圍土體間隙引起的地表沉降，盾體上方10m范圍內(nèi)所發(fā)生的沉降變化，在土體與管片之間有一道寬度為125～140mm的環(huán)型空隙，環(huán)形空隙導(dǎo)致周圍土體失穩(wěn)，并在進(jìn)行注漿填補(bǔ)空隙時漿液使周圍土體受水浸濕，土結(jié)構(gòu)會迅速破壞，產(chǎn)生較大附加下沉。

3.尾部空隙沉降：注漿完成后漿液凝結(jié)及土體固結(jié)時引起的地表沉降，盾體尾部10m范圍內(nèi)，因漿液的凝結(jié)及周圍土體的再次固結(jié)過程引起的地表沉降。

4.長期延續(xù)沉降：漿液凝固及土體穩(wěn)定后地表沉降漸趨于穩(wěn)定，盾體后端20m以后，因為注漿漿液凝固強(qiáng)度上升，周圍土體重新固結(jié)，地表沉降也趨于穩(wěn)定。地面沉降主要特點：—是在盾構(gòu)掘進(jìn)面的前方可能產(chǎn)生地表沉降；二是施工時，除土體損失引起的沉降外，還存在盾尾空隙導(dǎo)致的沉降。

五、地表沉降的控制技術(shù)

盾構(gòu)施工中會造成地層的地層損失、地層原始應(yīng)力狀態(tài)變化、土體固結(jié)、土體的蠕變，還可能發(fā)生支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形等情況，所以，進(jìn)行地層沉降控制，其出發(fā)點是保持或者加強(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)。

（一）監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理與反饋。

盾構(gòu)施工監(jiān)測的項目有地表沉降、地下管線沉降、建筑物沉降、裂縫、隧道襯砌沉降、盾構(gòu)開挖面土壓、推力、出土量、注漿量、盾構(gòu)姿態(tài)等。盾構(gòu)施工監(jiān)測項目以及方法見表1。

（二）提高注漿技術(shù)。

因為注漿材料本身的體積收縮，使填充孔隙的材料在一段時間后會出現(xiàn)萎縮。因此，注意注漿時候的每一道工序及注漿壓力，注漿點位，漿液配合比。可以通過注漿最大程度減小地面沉降。

注漿的目的是為了盡快填充環(huán)形間隙，使管片盡早支撐地層，防止地面變形過大而危及周圍環(huán)境安全，同時加強(qiáng)管片外防水并使隧道整體受力。

1.選漿。

同步漿液：純砂漿漿液凝固時間應(yīng)盡量縮短，減小漿液在管片壁后形成匯流，并盡快產(chǎn)生強(qiáng)度，根據(jù)本標(biāo)段地表沉降情況，漿液凝固時間控制在7h。

二次漿液：純水泥漿和速凝劑（水玻璃）配合，通過調(diào)節(jié)配合比及漿液稠度，控制漿液初凝時間及漿液強(qiáng)度。

2.注漿壓力控制。

注漿壓力略大于該地層位置的靜止水土壓力，同時避免漿液進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)的土倉中。最初的注漿壓力是根據(jù)理論的靜止水土壓力確定的，在實際掘進(jìn)中將不斷優(yōu)化。如果注漿壓力過大，會導(dǎo)致地面隆起和管片變形，還易漏漿。如果注漿壓力過小，則漿液填充速度趕不上空隙形成速度，又會引起地面沉陷。注漿壓力取1.1～1.4倍的靜止水土壓力，最大不超過3.0bar。

同步注漿壓力控制為：峰值為2.0bar以內(nèi)，穩(wěn)定注漿壓力為1.2～1.4bar，四個點位均勻分布注漿。

二次注漿。注漿壓力控制在1.4bar～1.6bar。漿液膠凝時間控制在40s～60s，凝固時間控制在5min以內(nèi)。通過漿液注射壓力，控制地表沉降。

3.注漿點位的選擇。

同步注漿：本標(biāo)段使用盾構(gòu)機(jī)為中國鐵建重工生產(chǎn)ZTE-6280土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，注漿點位分布在2點、4點、8點、10點位置，共有4個同步注漿點位。根據(jù)不同情況可選擇點位進(jìn)行注漿，我標(biāo)段出現(xiàn)地面沉降時，選擇點位為4個注漿孔同時進(jìn)行。

二次注漿：每環(huán)管片共有六個二次注漿孔，根據(jù)管片拼裝封頂塊點位選擇不同，注漿點位略有變化，基本分布為1點、3點、5點、7點、9點、11點位，共六個二次注漿孔。根據(jù)地面沉降情況，我標(biāo)段選擇在1點、11點位進(jìn)行。

4.注漿時間及注漿量控制。

注漿時間和速度在不同的地層中根據(jù)不同凝結(jié)時間的漿液及掘進(jìn)速度來具體控制注漿時間的長短。做到掘進(jìn)、注漿始終同步，不注漿、不掘進(jìn)，通過控制同步注漿壓力和注漿量雙重標(biāo)準(zhǔn)來確定注漿時間。

注漿量建筑空隙填充體積理論上控制在140%～180%之間，即每環(huán)管片注漿量約在5.5～6.9m3之間，還需根據(jù)實際注漿情況積累數(shù)據(jù)，隨時對注漿量加以調(diào)整。

六、總結(jié)

根據(jù)規(guī)范要求，城市地鐵施工地表沉降量必須控制在+10～-30mm。盡管城市地鐵施工對地面沉降的控制要求十分嚴(yán)格，但由于工程施工環(huán)境的復(fù)雜性，盾構(gòu)施工中地表沉降還是不可避免地會發(fā)生。因此，采取合適的盾構(gòu)施工技術(shù)、地層沉降控制措施也是十分必要的。盾構(gòu)施工選用全過程信息化管理的方法，將盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)、設(shè)備工作參數(shù)與地層、地面監(jiān)測參數(shù)實行同步管理，通過預(yù)測、監(jiān)測對施工設(shè)備參數(shù)及時調(diào)整，有效的控制地表沉降。

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