上軟下硬地層盾構(gòu)施工地表的沉降控制技術(shù)

李尚輝，陳燦煌

（1.福州外語外貿(mào)學(xué)院理工學(xué)院，福建福州350202；2.中交一公局廈門工程有限公司，福建廈門361021）

城鎮(zhèn)化進程的加快對城區(qū)公共交通的供給與完善提出了更高的要求，近年來，我國部分大城市不斷加快城市軌道交通的建設(shè)，總里程已經(jīng)超過5 000公里，早已躍居世界第一. 盾構(gòu)法因施工安全、便捷、進度快、對外界環(huán)境影響小等特點，被廣泛應(yīng)用到地鐵建設(shè)中[1]. 但是盾構(gòu)法施工不可避免會對地層產(chǎn)生擾動，引起地層應(yīng)力釋放，造成地表沉降. 針對該問題，鞠鑫[2]認(rèn)為地表沉降的本質(zhì)是盾構(gòu)施工引起的土體損失造成的，并利用三維數(shù)值模擬的方式來確定同步注漿量、設(shè)定適宜的土倉壓力值、控制推進速度來加以控制. 楊三龍[3]等從地下水損失、土倉壓力、同步注漿、漿液性能和圍巖自穩(wěn)性五個方面提出地表沉降控制措施. 張治國[4]、糜瑞杰[5]通過螺旋機扭矩，姜德義等[6-8]通過管片拼裝等方式來控制地表沉降. 無疑，這些研究在一定程度上有效地緩解了地鐵盾構(gòu)施工導(dǎo)致的地表沉降問題，但是由于地質(zhì)環(huán)境及施工參數(shù)的差異，針對不同的地層條件，相應(yīng)的控制措施選取的施工參數(shù)均不盡相同. 本文依托廈門地鐵二號線二標(biāo)新陽大道站至長庚醫(yī)院右線區(qū)間隧道施工，針對該區(qū)間500 環(huán)處產(chǎn)生的地表沉降問題，根據(jù)工程施工實際及現(xiàn)場調(diào)查監(jiān)測資料，對盾構(gòu)施工地表沉降控制技術(shù)進行探討，以期為類似工程的沉降控制技術(shù)提供理論依據(jù)和案例參考.

1 工程概況

新陽大道站至長庚醫(yī)院站區(qū)間（以下簡稱新長區(qū)間）沿規(guī)劃縱二路行進，在新陽大道上側(cè)穿新景喬、下穿排洪渠. 區(qū)間線路起點位于新景路與馬鑾灣大道交叉口段，沿新景路至新陽北路前行，進入長庚醫(yī)院站. 該區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，從新陽大道站始發(fā)到達長庚醫(yī)院站接收. 區(qū)間縱斷面為V 型坡，最大縱坡25‰，最小縱坡2‰，隧道埋深9.07 m～16.85 m. 區(qū)間右線全長1 028.817 m，左線全長1 005.248 m，采用土壓平衡盾構(gòu)法施工. 隧道凈空尺寸為5 500 mm，采用通用楔形管片拼裝式單層襯砌，管片外徑6 200 mm，內(nèi)徑5 500 mm，厚350 mm，環(huán)寬1 200 mm. 管片采用強度等級C50、抗?jié)B等級P10 的高強防水鋼筋砼，并采用錯縫拼裝方式連接，連接螺栓為16 根M30 的縱向螺栓和12 根M30 的環(huán)向螺栓. 該區(qū)間段上主要覆雜填土、粉質(zhì)黏土、中砂、砂質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖，右線盾構(gòu)掘進到500環(huán)左右處地面出現(xiàn)較大沉降，一度達到沉降預(yù)警值.

2 盾構(gòu)施工地表沉降分析

2.1 掘進參數(shù)選擇不當(dāng)

土壓平衡式盾構(gòu)機主要有三種掘進模式：敞開式掘進、半敞開式掘進和土壓平衡式掘進. 若開挖地層自穩(wěn)性好，則選擇敞開式掘進，以較大的速度掘進，該模式下盾構(gòu)機切削下來的渣土進入土倉即刻被螺旋輸送機排出，土倉內(nèi)僅有少量的渣土；若開挖地層有一定的自穩(wěn)性，則采用半敞開式掘進，通過調(diào)節(jié)螺旋機速度，使土艙內(nèi)保持一定量的渣土；若開挖地層穩(wěn)定性較差或地下水豐富，則采用土壓平衡模式，該模式通過控制盾構(gòu)推進速度和螺旋輸送機的排土量來產(chǎn)生壓力，并通過測量土倉內(nèi)的土壓力來隨時調(diào)整，但最大壓力不能超過3 bar，否則可能損壞主軸承密封.

新馬區(qū)間在掘進過程中，因地質(zhì)勘探資料與實際情況存在偏差，掘進參數(shù)選擇不當(dāng)，造成實際開挖土方量與盾構(gòu)機行程不匹配，導(dǎo)致刀盤上方土地坍塌，引起地表沉降. 另一方面，在掘進過程中，盾構(gòu)機推進速度與螺旋機轉(zhuǎn)速不匹配，推進速度較慢，但是螺旋機轉(zhuǎn)速過快，出土方量增多，造成地表沉降.

2.2 管片與地層之間的間隙

管片脫離盾尾時，由于盾構(gòu)機刀盤外徑較管片外徑大，管片與土層之間產(chǎn)生空隙，倘若注漿不及時或注漿量、注漿壓力過小，均會造成土體失去平衡，從而引起地表沉降，部分地下水較高的區(qū)域沉降更為顯著. 此外，漿液在凝固過程中，因體積收縮會再次造成盾尾出現(xiàn)間隙，從而引起地表二次沉降. 新馬區(qū)間盾構(gòu)機刀盤開挖直徑約為6 480 mm，而隧道使用的預(yù)制管片外徑為6 200 mm，當(dāng)管片脫離盾尾后會在管片外圍與土層之間形成約140 mm 的建筑空隙，若未能進行同步注漿以及時填充、同步注漿量不足或漿液配比不當(dāng)就會導(dǎo)致地表沉降.

2.3 管片變形和移位

盾構(gòu)管片是盾構(gòu)施工的主要構(gòu)配件，是區(qū)間隧道的內(nèi)層屏障，其質(zhì)量好壞關(guān)系到隧道的整體質(zhì)量和安全. 本區(qū)間隧道采用通用楔形管片拼裝式單層襯砌，先緊固環(huán)向鏈接螺栓，后緊固軸向鏈接螺栓，采用扭矩扳手緊固，由于管片螺栓緊固不足，在管片脫離盾尾后產(chǎn)生了一定的變形和移位，導(dǎo)致建筑空隙增大，從而造成地表下沉.

3 地表沉降施工控制

3.1 正確選擇掘進參數(shù)

在盾構(gòu)施工過程中要嚴(yán)格按照指令進行掘進，每一環(huán)的指令必須針對實際的地質(zhì)情況來制定. 新馬區(qū)間400-530 環(huán)地質(zhì)為上軟下硬地層，上部為回填的中砂，下部為全風(fēng)化花崗巖（密實狀），自穩(wěn)性較差，選用土壓平衡模式掘進. 表1 為區(qū)間494 環(huán)至510 環(huán)掘進參數(shù)記錄表，數(shù)據(jù)顯示，500 環(huán)左右處的刀盤上部土壓、推力等參數(shù)普遍小于504 環(huán)以后處的參數(shù)，且該處地層自穩(wěn)性差，可以合理解釋500 環(huán)處地表出現(xiàn)較大沉降的原因是掘進參數(shù)選擇不當(dāng).因此，可適當(dāng)增加刀盤上部土壓，建議?。?.3～1.4）bar，推 力 ?。?3 500～14 400）kN，刀 盤 扭 矩 取（1 200～1 900）kN·m. 同時，在掘進過程中，為了避免實際地質(zhì)條件與地質(zhì)勘測資料的偏差而造成掘進參數(shù)選擇不當(dāng)，采用建立渣樣庫的方法，從每一環(huán)的渣土中取出一定量的渣土洗凈后存放于塑料碗中并貼上標(biāo)簽，為確定合理的掘進參數(shù)提供依據(jù).

表1 新馬區(qū)間490環(huán)至510環(huán)掘進參數(shù)記錄表

3.2 精確控制出土量

盾構(gòu)機在掘進過程中，若實際開挖土方量與盾構(gòu)機行程不匹配，導(dǎo)致刀盤上方土地坍塌，則會引起地表沉降，因此要精確控制出土量. 掘進過程中每一環(huán)的出土量是刀盤開挖產(chǎn)生的渣土量值. 如果推進過程中的出土量大于理論出土量，即產(chǎn)生超挖，則會造成地層損失從而產(chǎn)生地表沉降，每環(huán)實際出土方量計算方法如下：

式中：V1為每環(huán)實際出土方量（m3），M為每環(huán)渣土的出土質(zhì)量（kg），ρ為地質(zhì)容重（kg/m3）.

施工過程中，要求龍門吊司機記錄每次吊土?xí)r滿土箱與倒完渣土后空土箱的質(zhì)量，則本環(huán)渣土的實際重量就等于滿土箱的質(zhì)量之和減去本列電瓶車上一次倒土后空土箱的質(zhì)量之和，根據(jù)公式：

可計算出每環(huán)渣土的出土質(zhì)量，式中M1為每環(huán)滿土箱質(zhì)量之和（kg），M2為本列電瓶車上一次倒土后空土箱的質(zhì)量之和（kg）. 表2 即為497-503 環(huán)電瓶車各箱的出土重量值.

表2 區(qū)間497-503環(huán)出土重量（單位：t）記錄表

容重可根據(jù)試驗計算得出，即取一定量的渣土放在已知容積和重量的容器中，稱出容器和渣土的總重量，然后減去容器的重量得到渣土的質(zhì)量，再除以容器的體積即可得到渣土的容重，代入公式（1），并根據(jù)已知計算的M可以計算出每一環(huán)的實際出土方量.

理論出土量V2根據(jù)刀盤開挖直徑以及每一環(huán)推進行程計算，每一環(huán)推進的理論出土方量計算公

式如下：

式中：V2為每環(huán)理論出土量（m3），D為刀盤開挖直徑（D=6.48 m），L為該環(huán)盾構(gòu)機油缸行程（m），K為土的松散系數(shù)（該地層取1.3）.

通過記錄497-503 環(huán)各環(huán)油缸推進行程，代入公式（3）可計算出理論出土量，據(jù)此可得出497-503環(huán)理論出土量和實際出土量，具體結(jié)果表3所示.由表3 可知，除了502 環(huán)，其它任何一環(huán)都有V1＞V2，即產(chǎn)生超挖. 為此，記錄超挖環(huán)刀盤里程，當(dāng)盾構(gòu)同步注漿里程達到該里程時，采取加大同步注漿量以控制沉降的方法，并在該里程環(huán)脫出盾構(gòu)后及時進行二次補漿.

表3 497-503環(huán)理論出土量與實際出土量計算表

3.3 合理確定注漿量和注漿壓力

盾構(gòu)施工同步注漿就是在盾構(gòu)掘進的同時通過設(shè)備上的注漿泵將具有一定早期及最終強度的漿液經(jīng)盾尾注入管片與土層之間的空隙，盾構(gòu)注漿不僅可以有效地填充管片與土體之間的空隙，控制地表沉降，還可以確保管片襯砌的早期穩(wěn)定. 但是注漿量過多或過少，將會造成地表隆沉現(xiàn)象，因此，適宜的注漿量是確保盾構(gòu)正常掘進的重要舉措. 注漿量應(yīng)根據(jù)理論公式并結(jié)合盾構(gòu)機參數(shù)予以確定，計算公式如下：

式中：Q為理論注漿量（m3），λ 為土質(zhì)系數(shù)（一般取1.3～1.8），V為盾尾建筑空隙（m3），并按下式計算：

式中：D為盾構(gòu)刀盤最大開挖直徑（m），d為預(yù)制管片外徑（m），L為預(yù)制管片長度（m）.

據(jù)此公式計算得出新馬區(qū)間每環(huán)管片的盾尾建筑空隙為：

土質(zhì)系數(shù)按1.3～1.8取值，則每環(huán)注漿量為：

同步注漿壓力主要取決于地層阻力，也與地質(zhì)情況、掘進參數(shù)設(shè)置、漿液稠度等因素有關(guān). 理論上盾尾刷能承受的最大壓力為3 bar，因此注漿壓力不能過大，一般?。?～3）bar，長期過大的注漿壓力會導(dǎo)致盾尾刷被擊穿造成盾尾漏漿，一旦出現(xiàn)盾尾漏漿就會影響注漿質(zhì)量，且漿液匯聚在盾尾部位難于清理. 本區(qū)間在中砂層段施工時注漿壓力取值（2～3）bar，在殘積砂質(zhì)黏性土地段施工時注漿壓力通常?。?～2）bar.實際注漿壓力必須根據(jù)施工情況隨時調(diào)整，以達到最佳的注漿效果.

3.4 加強管片拼裝質(zhì)量控制

管片變形引起管片錯位，從而造成地表沉降.其變形主要有兩方面的原因：一是管片拼裝質(zhì)量不合格，在推進過程中千斤頂推力過大而產(chǎn)生；二是管片螺栓緊固程度不夠，管片在受力或者脫出盾尾時產(chǎn)生變形. 因此施工過程需嚴(yán)格控制拼裝質(zhì)量，管片的環(huán)向錯臺須控制在5 mm 以內(nèi)，縱向錯臺控制在6 mm 以內(nèi)，橢圓度為5‰，此外，管片螺栓必須要用風(fēng)動扳手?jǐn)Q緊，在下一環(huán)推進的過程中還需進行二次復(fù)緊.

4 結(jié)語

（1）單條區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工所選取的掘進參數(shù)并非一成不變，須根據(jù)地層條件和實際施工條件適時調(diào)整，建議每一環(huán)取渣樣建立渣樣庫，為精確確定掘進參數(shù)提供依據(jù).

（2）盾構(gòu)掘進過程中須嚴(yán)格控制出土量，出土量的控制要從質(zhì)量和體積上進行雙控，其量值應(yīng)通過公式精確計算，一旦出現(xiàn)超挖要加大注漿量，及時二次注漿. 掘進過程要確保每一環(huán)同步注漿量充足，若注漿量不足須及時進行二次注漿補注.

（3）嚴(yán)格控制管片拼裝質(zhì)量以及推進姿態(tài)，減少管片變形、偏移或破損. 若發(fā)生偏移或破損現(xiàn)象，要及時糾偏或修補，并二次注入雙液漿進行止漏.