上軟下硬復合地層盾構施工地表沉降控制研究

盧嘉偉

（廣東遠順建筑設計有限公司，廣東 佛山 528000）

在一些隧道施工中，常應用到明挖法和暗挖法，其中暗挖法中便包含盾構法施工。盾構法具有安全、經濟、快速等優(yōu)點，在近些年成為了隧道工程施工的首選。但是在盾構機推進的過程中會造成地層擾動，導致地表沉降，也會對其他地下管線造成一定的影響，從而降低工程施工的穩(wěn)定性。針對這一情況，工程在施工前，需要在現(xiàn)場合理布設監(jiān)測點，測量地層地質的實際情況，掌握地表橫向、縱向沉降變形規(guī)律，制定有效的控制措施，充分發(fā)揮盾構法優(yōu)勢，提高施工穩(wěn)定性。

1 上軟下硬復合地層盾構施工地表沉降機理分析

1.1 超前沉降階段

根據工程要求合理地布設監(jiān)測點，并利用專業(yè)的儀器收集各項數(shù)據信息，以了解盾構施工的沉降影響。超前沉降指的是盾構到達監(jiān)測點之前，盾構的開挖施工操作已經對周圍的巖土體產生了一定的擾動，這種擾動作用會向前方一定范圍內進行擴散，導致盾構前方的巖土體發(fā)生一定的變形。超前沉降階段所引發(fā)的沉降量較小，主要是由于在施工之前地下水位有所降低，由于盾構作用的影響，導致地層產生了固結沉降。

1.2 盾構到達沉降階段

當?shù)竭_監(jiān)測點的正下方時，由于開挖面的水平壓力控制不均，水平支護力難以支撐水土壓力，導致開挖面出現(xiàn)了沉降位移。而當水平支護力大于水土壓力時，盾構機前方的巖土體便會向前位移，開挖面向上隆起。由于在施工過程中開挖面的水土壓力不斷變化，因此該階段的沉降也會發(fā)生較大的變化。

1.3 盾構通過沉降階段

當通過監(jiān)測點正下方時，盾構機和土體之間存在一定的摩擦力，會對周圍的巖土體產生一定的作用，這一剪切應力會導致巖土體的應力發(fā)生變化，出現(xiàn)變形。此時，盾構姿態(tài)發(fā)生偏移，不在平行于隧道的中心軸線，從而出現(xiàn)了一定的間隙，導致地底層損失。這一沉降主要是由摩擦力導致的，巖土體剪切變形只出現(xiàn)在軟弱層，下部的硬巖層具有較強的硬度，剪切應力作用不大。而且在施工中，盾構機掘進的方向上，硬巖起伏不定，很難控制硬度盾構姿態(tài)。當盾構機從軟弱層進入到硬巖層時，阻力突然增大，盾構機的推力依舊處于軟弱層的設置狀態(tài)下，突然的改變很有可能導致盾構機頭部出現(xiàn)磕頭現(xiàn)象。

1.4 盾尾脫出沉降階段

當完全通過監(jiān)控點下方后，下部的硬巖強度大，盾尾地層所引起的變形較小，但是由于軟巖空間占比與力學性質的一定影響，盾尾損失會造成巖土體變形和地表沉降。為了很好地控制這一情況，需要利用盾尾注漿進行填充，但是注漿壓力的控制不當，也會導致上部軟弱層受到較大的擾動。而且如果漿液的凝結時間較長，在初凝之前，周圍的巖土體已經開始位移，發(fā)展變化，導致隧道周圍的巖土體變形，引發(fā)地表沉降。

1.5 受擾土體固結階段

當隧道周圍土體進行開挖時，巖層被切削擠壓會產生超孔隙水區(qū)。盾構機通過后，孔隙水的壓力逐漸消散、排出，土體便會發(fā)生固結沉降的現(xiàn)象。而地下水補給導致周圍水位上升，導致抬升地表，會抵消一部分固結沉降，因此受擾土體固結的作用影響不大。

通過分析以上5個階段的不均勻沉降和巖土體變形可以發(fā)現(xiàn)，上軟下硬復合地層盾構施工中出現(xiàn)地表沉降的主要影響因素包括軟弱層的力學性質、軟弱層的含水率、軟弱層組合的空間形態(tài)、開挖面的支護力、盾構推力、注漿操作等。

2 上軟下硬復合地層盾構施工地表沉降的監(jiān)測點布設方案

不同的工程會應根據實際情況選擇監(jiān)測方法，合理地布設監(jiān)測點。以某地鐵隧道工程開挖為例，分析地表沉降監(jiān)測點的布設，掌握橫縱斷面的沉降規(guī)律，制定有效的控制措施，保障了盾構施工的穩(wěn)定性。

2.1 工程概況

本工程為某市區(qū)的地鐵隧道施工項目，線路全長36.2km，全站為地下站。項目結構頂板和底板穿越的地層包括中風化灰?guī)r層、粘土層、全風化頁巖層和強風化頁巖層，地質條件十分復雜。在沉降監(jiān)測中主要利用半圓頭鋼筋制作而成，將沉降觀測點設置在孔內做好保護工作，然后用混凝土進行固定處理。在隧道內每隔8m設置了一個沉降觀測點，監(jiān)測的數(shù)據實時傳輸?shù)娇偪刂浦行摹?/p>

2.2 監(jiān)測頻率和控制標準

當6D＜L＜9D時，監(jiān)測的頻率為3～5天一次，當5D＜L＜7D時監(jiān)測的頻率為2天一次，當L＜4D時監(jiān)測的頻率為1天一次。當監(jiān)測的數(shù)據趨于穩(wěn)定后，半個月或者一個月一次。L是監(jiān)測點到開挖面的水平距離，D是盾構法隧道的開挖直徑。施工的沉降量控制標準為±20mm，沉降速率為±7mm/d。

2.3 監(jiān)測方法

本工程地表沉降監(jiān)測采用了電子水準儀和相配套的條碼水準尺。電子水準儀的精度存在一定的偏差，按照國家的二等水準測量技術標準進行作業(yè)。

2.4 監(jiān)測數(shù)據分析

經過一段時間的監(jiān)測后，監(jiān)測人員掌握了大量的數(shù)據信息，將其進行整理，均勻分布在研究段上，根據數(shù)據的變化特點，判斷地表沉降的具體情況，總結縱斷面的沉降規(guī)律。當盾構施工遇到軟硬結合面時，如果沒有及時調整參數(shù)，便會造成一定的土層擾動，導致沉降問題的發(fā)生。

3 上軟下硬復合地層盾構施工地表沉降的控制措施

3.1 施工技術的控制

在上軟下硬復合地層盾構施工中，為了防止地表沉降，需要做好施工技術的控制工作。首先，控制土倉壓力和出土量，主要是由于在施工中，地層施工會對上部的軟弱層產生一定的地層擾動，控制好土倉壓力，為開挖面提供一定的支護力，根據隧道工程的具體情況合理設計埋深，并控制好施工的速度，確保水土壓力平衡，才能有效控制地表沉降。其次，需要做好盾構推力的控制工作。當盾構機接觸到硬巖地層時，下部的阻力會增大，盾構機面臨較大的壓力，會出現(xiàn)磕頭問題。針對這一情況在利用盾構機接觸硬巖地層時，需要加大千斤頂推力，確保盾構機的穩(wěn)定推進。最后，還需要控制好注漿因素。盾構機施工時，如果施加較大的注漿壓力，便會對上層的軟弱層產生一定的影響，出現(xiàn)變形等情況威脅到整個工程的施工安全性，但是，如果壓力較小，漿液難以進入到巖體間隙層。因此，在施工時，需要施工人員嚴格地控制好注漿的壓力，合理調配漿液的含水量、粘稠度和顆粒度，確保注漿施工符合工程要求。

3.2 地層改良控制

3.2.1 硬巖層改良措施

在上軟下硬地層的結構中，硬巖層的存在很容易造成盾構姿態(tài)的改變。在盾構施工中，硬巖層使刀盤開挖面上下部的巖土體切削程度不同，會導致開挖面和隧道周圍的土體發(fā)生較大的地層損失。針對這一情況，在實際操作中，會選擇沖孔樁基、豎井開挖、地面鉆孔等各種形式來破除局部硬巖，達到良好的清理效果，或者在隧道開挖的過程中，利用人工操作爆破硬巖，但是這一方式成本高、風險大，還會影響到盾構施工的進度。

3.2.2 軟弱層改良措施

軟弱層改良主要是對軟弱層進行加固措施。在盾構機通過上軟下硬段之前，需要做好軟弱層的勘查工作，了解軟弱層的具體系數(shù)，合理地調配漿液的粘稠度、含水量等等，確定軟弱層施工標準，進行注漿加固。除此之外，也包括旋噴樁、錨桿加固等多種措施。在盾構隧道內，對兩側軟弱層和開發(fā)面積的軟弱層都采用了加固處理，但是由于受到地表條件的影響，在隧道內主要采用注漿的方式進行加固，不僅節(jié)省了經濟成本，還具有較高的穩(wěn)定性，施工操作簡單，為盾構施工奠定良好的基礎。

4 結語

上軟下硬復合地層進行施工時，需要綜合分析地層受到的各種影響因素，做好前期的勘查和準備工作，合理設計方案。做好工程監(jiān)測工作，收集各項數(shù)據，通過分析處理，了解沉降的情況和主要影響因素，制定有效的控制措施，尤其是盾構施工技術的控制，控制好盾構推力，合理調整參數(shù)。在改良軟弱層和硬巖層的同時，保障施工穩(wěn)定性，全面控制沉降問題。