土壓平衡盾構施工地表沉降分析及控制方法

高文

摘 要 對采用盾構法施工引起地表沉降的一般規律及類型進行了介紹，闡述了地面沉降產生的原因和機理，并對地面沉降量的具體控制方法作了說明，以期指導實踐。

關鍵詞 盾構法 地面沉降 規律 控制方法

隨著地鐵施工的發展，土壓平衡盾構機因其施工安全可靠、適應地層廣泛、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用。如何有效控制地表沉降、減小對地面建構筑物的擾動、降低隧道施工風險成了當今地鐵施工領域的重難點。因此，如何認真分析盾構施工中地面沉降產生的原因與發生機理，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法施工隧道成敗的關鍵。

1 施工概況

1.1 地面建筑物概況

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

1.2 水文地質概況

本工程隧道區間隧道覆土厚度15.8m～18.4m，穿越多種地層，主要穿越⑤8層卵石圓礫、⑥層粉質粘土，⑥1層粘土，⑥2層粉土，⑦4層中細砂，⑧層粉質粘土。拱頂地層主要為⑤8層卵石圓礫，⑥層粉質粘土，⑥1層粘土，⑥2層粉土。

在隧道施工范圍內主要揭露了4層地下水，第一層為上層滯水，含水層為房渣土①層、粉質粘土③層、粉土③2層、粉細砂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，主要含水層為粉細砂④4、粉土⑥2、卵石、圓礫⑤8。因粉質粘土⑥層、粘土⑥1層相對隔水形成，該層水不連續，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，主要含水層為粉細砂⑦4層和卵石⑧9層，主要因粉質粘土⑧層、粘土⑧1層相對隔水形成，該層水不連續；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 盾構機優化選型

結合本工程特點、工程地質、水文情況，本區間采用小松加泥式土壓平衡盾構機TM625PMM進行施工，并對盾構機進行相應改造，使其更有利于本區間施工。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機進行改進如下。

（1）刀盤面板增加1個渣土改良注入孔，土倉內增加2個渣土改良注入孔；

（2）增加渣土改良注入系統一套；

（3）螺旋機增加一套后閘門 ；

（4）同步注漿系統注入設備更換為施威英泵；

（5）增加兩路盾尾油脂注入系統；

（6）增加兩臺刀盤驅動電機。

3 地面沉降的一般規律及類型

采用盾構法施工，在隧道縱軸線上所產生的地表變形一般可劃分為五個階段，即刀盤到達前、刀盤到達時、盾體通過中、盾尾脫出時、后期沉降。以監測斷面A49-1沉降數據為例，五個階段的一般變化歷時曲線：

A49-1斷面監測曲線

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

地層受擾動而引起應力變化，是產生位移的主要原因。盾構法施工的隧道穿越的地層較復雜，變形相對較大，上述的五種沉降類型都有可能發生。

4 地面沉降的原因與產生機理

盾構掘進過程中，導致地面沉降的原因有多種，但其產生的機理不同，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，由于推進量與排土量不等，開挖面水、土壓力與壓力艙壓力產生不均衡，致使開挖面失去平衡狀態，從而發生地基變形（開挖面水、土壓力小于壓力艙壓力時產生地基隆起，大于壓力艙壓力時產生地基下沉）。產生機理：由開挖面的應力釋放、附加應力等引起的彈塑性變形。

（2）推進時土體的擾動

盾構推進時，由于盾構機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時進行的超挖，是產生土體松動的主要原因。產生機理：壓縮變形。

（3）盾尾空隙的發生和壁后注漿不充分

由于盾尾空隙的發生，使盾殼支承的土體朝著盾尾空隙變形而產生地基下沉，這是由應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及注入時間、位置、壓力、數量等影響，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。產生機理：彈塑性變形。

（4）襯砌的變形及變位

接頭螺栓緊固不足時，管片環易產生變形，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。產生機理：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生漏水時，地下水位下降而使地基下沉，這一現象是由于地基的有效應力增加而引起固結沉降造成的。產生機理：壓縮和壓密下沉。

5 盾構掘進地面沉降的控制方法

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

5.1 直線段推進的地面沉降控制

5.1.1 土壓力設定

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定，它是控制地面沉降的關鍵。土壓式盾構，以土壓和塑流化改良控制為主，輔以排土量、盾構參數控制。開挖面的土壓控制值，按"地下水壓（間隙水壓）+土壓+預備壓"設定。計算土壓控制值時，一般沿隧道軸線取適當間隔，按各斷面的土質條件，計算出上限值與下限值，并根據施工條件在其范圍內設定。土體穩定性好的場合取低值，地層變形要求小的場合取高值。實施這些開挖面穩定措施的同時，根據需要采取施工輔助措施以保證土體的穩定。

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定，同時對盾體周邊空隙進行填充。

盾構推進前，首先加入泡沫，轉動刀盤，待刀盤扭矩正常穩定后，再向前推進，同時加入泥漿。每環推進完成后，先停止加泥，轉動刀盤3min左右再停止加泡沫。本區間主要為圓礫-卵石、粉細砂層，使用濃度3%的泡沫原液，發泡體積膨脹率為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細顆粒含量不小于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每環設計加量和掘進速度確定：理論流量=每環設計加量×掘進速度/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設定應略高于理論值，并根據土壓力變化和螺旋機的出渣狀況及時調整。

渣土改良效果

5.1.3 嚴格控制盾構姿態，減少盾構機偏轉及橫向偏移等現象的發生

根據導向系統反映的盾構姿態信息及線路條件，結合隧道地層情況，通過選擇盾構機的推進油缸模式來控制掘進方向。同時在曲線段掘進時，按照曲線半徑計算鉸接角度，調節鉸接油缸伸長量輔助曲線施工。

鑒于盾構推進結束后，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。因此掘進姿態宜控制盾構在設計軸線稍靠下位置，并保持一個大致不變的俯仰角。

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

5.1.4 出渣量的控制

嚴格控制出渣量，指定專人對每斗出渣量進行測量，對每斗渣土傾倒情況進行檢查，并做好記錄，根據估算結果實時調整螺旋機轉速及出渣量，按虛方系數=1.2計算，每環出渣量控制在43～44m3。出渣過程中保持推進參數的穩定，以免造成開挖面水、土壓力不均衡。

出渣量嚴格控制

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）改進注漿材料的性能。施工過程中，要嚴格控制注漿材料的配合比，對其凝結時間、強度、收縮量等通過試驗不斷改進，提高注漿材料的抗滲性能，既利于隧道防水，又可減小地面沉降。

砂漿質量嚴格控制

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

（4）控制注漿壓力。為保證達到對環向空隙的有效充填，同時又能確保管片結構不因注漿產生變形和損壞，根據經驗，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，還應將注漿壓力作為衡量充填程度的標準，當壓力急驟升高時，說明已充填密實，此時應停止注漿。

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）。漿液配比及其相關參數指標如下：

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，漿液擴散半徑0.7m。漿液初凝時間1分30秒；3d抗壓強度7.8MPa，7d抗壓強度11.2MPa，28d抗壓強度13.3MPa。

二次注漿宜在盾構通過8～10環之后進行，同一環管片嚴格按'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。采用隔環開孔、每環開三個孔（12點、3點、9點位置）的方式進行二次注漿，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，打開水玻璃閥進行混合注入，終孔時應加大水玻璃的濃度。在一個孔注漿完結后應等待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。如監測數據反映沉降仍不穩定，可采取多次補強措施控制沉降。

5.1.7 管片拼裝質量控制

本工程所用管片分為標準環、左轉環及右轉環3種，以適應盾構掘進線型，施工時需根據需要選擇合適的管片。管片類型和C塊位置根據設計要求和現場情況確定。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量，管片拼裝允許偏差為：高程和平面±50mm，每環相鄰管片平整度4mm，縱向相鄰環間平整度5mm，襯砌環直徑橢圓度5‰。整環拼裝相鄰環環面間隙0.6～0.8mm，整環拼裝縱縫相鄰塊間隙1.5～2.5mm。

盾構掘進時，在上一個循環管片脫出盾尾后，及時用風動扳手對所有管片環縱向螺栓進行復緊，確保所有螺栓絕對緊固，保證管片拼裝質量。

嚴格控制管片拼裝質量

5.1.8 加強地面變形的預測與監測

為了減少地面變形，推進前根據以往類似工程的經驗和有限單元法進行預測，以預測結果為依據來初步設定掘進參數；在推進過程中，對隧道中心線上及其兩側一定范圍內設定的觀測點進行水準測量，將這一結果應用到后續區段的施工管理中。實踐證明，采用"勤測試、勤調整施工參數"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。

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。在掘進過程中需加強控制，防止超限事故發生。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，隧道向圓弧外側偏移；盾構推進時，糾偏量較大，對土體擾動的增加易發生較大沉降量。采取的措施如下：

5.2.1 選用帶有鉸接裝置的盾構，預先推出弧線態勢

用于本標段的盾構鉸接裝置采用主動式鉸接，在盾構將進入緩和曲線段處，調節交接角度，在其后的緩和曲線段掘進行程中將水平張角逐漸調節到設計鉸接角度，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側位置進行超挖，有利于糾偏

在盾構刀盤上設計安裝超挖刀，本段區間將采用超挖刀在曲線內側位置進行超挖，以有利于糾偏。

5.2.3 盾構沿弧線內側（割線方向）掘進，使得軸線留有預偏量

由于受水平分力影響，"大曲率小半徑"隧道易向弧線外側平移，因此盾構掘進時，將盾構沿弧線內側（割線方向）掘進，使得軸線留有預偏量。

5.2.4 進行二次注漿，提高土體強度，抵抗水平分力

為減小盾構掘進時對已成隧道受到水平分力的影響，在R=350m圓曲線范圍內利用管片注漿孔對弧線外側土體進行注漿，提高土體強度，抵抗水平分力。

5.2.5 勤測勤糾，精確控制盾構方向

提高監測頻率，每環分小段（30～40cm）進行測量，對比左右側千斤頂的行程差是否達設計要求，以便及時調整左右側的壓力差，用最新的施工參數指導下一段施工。

5.2.6 正確的管片選型

準確測量盾尾間隙，正確選用管片拼裝環（標準環、左彎環或右彎環），減小管片環在盾尾中轉彎的阻力，而且保證推進油缸的推力支撐環面與隧道軸線基本垂直，有利于使用推進油缸調向和減小曲線段上調向推力并保持管片在曲線段上的穩定。

5.2.7 信息化施工。

信息化施工主要是通過設置儀器進行定時監測，并將其結果與施工管理標準值和容許值做比較，進而反饋到下一步施工中的保護措施。它的主要內容有：

（1）建立完善的變位監測系統，在隧道的兩側埋設沉降觀測點進行系統、全面的跟蹤監測。注意對盾構前方監測點監測數據的分析，盾構前方監測點地面變形控制在-5 mm～5 mm之間；

（2）根據地面建筑物的結構形式以及與隧道的間距等關系，制定最大沉降和沉降差的警界值；

（3）通過對盾構初始掘進時地面變形情況的分析，不斷調整、優化掘進參數，以驗證所選施工參數的合理性，保持盾構開挖面的穩定，實現信息化反饋施工。

6 施工工序優化控制

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，通過設備正常保養、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，縮減盾構掘進對土體的擾動時間。

7 結語

（1）對盾構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掘進土壓控制，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，闡明了這些因素引起地表沉降產生的機理。

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

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

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