地鐵隧道盾構(gòu)法施工引起的地表沉降分析

于天放

（中國水電建設(shè)集團(tuán)鐵路建設(shè)有限公司，北京 100048）

隨著社會的發(fā)展，盾構(gòu)法施工在城市地鐵建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，此法既起穩(wěn)定作用又可進(jìn)行不間斷掘進(jìn)作業(yè)。它適用于各類軟土地層和軟巖地層的隧道施工，尤其適用于城市地下鐵道施工。采用盾構(gòu)法進(jìn)行地下隧道施工時，由于盾構(gòu)法為地下作業(yè)且盾構(gòu)機(jī)體積較大，極易造成隧道地表出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，尤其松軟的含水層或其他不穩(wěn)定地層的沉降更明顯，因此，施工中要加強(qiáng)沉降的觀測保證工程的質(zhì)量。隨著工業(yè)化、城市化逐步加快，地鐵成為發(fā)達(dá)城市的重要交通要道，從一定程度上緩解了交通壓力，盾構(gòu)法在城市隧道建設(shè)中最大程度避免了因受施工環(huán)境給工程進(jìn)度帶來的影響。進(jìn)行盾構(gòu)施工時，確保地表的沉降控制在允許的范圍內(nèi)，加強(qiáng)對施工過程中可能發(fā)生的地表變形的預(yù)測是十分必要的。

1 地表沉降的原因分析

在城市地鐵隧道盾構(gòu)法施工時，地表沉降是施工中較為常見的一種現(xiàn)象，根據(jù)對許多工程的研究分析引起沉降的原因是多方面的，現(xiàn)將沉降的原因進(jìn)行分析。

1.1 降水引起的沉降

降水是施工中創(chuàng)造干燥作業(yè)面的重要措施，運(yùn)用盾構(gòu)法掘進(jìn)施工中難免出現(xiàn)堵水、排水的現(xiàn)象，降水后由于吸排水速度不同會形成曲面水位，進(jìn)而使降水處含水層中土的有效應(yīng)力增加，使其發(fā)生固結(jié)沉降。

1.2 地層應(yīng)力引起的沉降

運(yùn)用盾構(gòu)法進(jìn)行掘進(jìn)時，需穿過穩(wěn)定狀態(tài)的地層，同時將會造成土體松動、擠壓坍塌，使周圍土體發(fā)生擾動，導(dǎo)致地層原始應(yīng)力狀態(tài)的改變，還有就是對于盾構(gòu)施工時的彎道及對水平或垂直糾偏時，易造成掘進(jìn)時周圍土體因受擠壓而受到破壞，造成土體的極限平衡狀態(tài)發(fā)生破壞，引起地表下沉。

1.3 管片環(huán)變形引起沉降

當(dāng)隧道襯砌脫出盾尾以后，就會受到土壓力的影響，使盾構(gòu)機(jī)的管片之間的防水層和縫隙因壓力而被擠壓成緊密的狀態(tài)，最終致使管片環(huán)發(fā)生一定的變形，使地表發(fā)生沉降。

1.4 盾尾孔隙充填不足引起的沉降

在不穩(wěn)定的地層中施工時，盾尾建筑空隙必須根據(jù)施工需要及時進(jìn)行充填，并保證壓漿材料的性能及充填量滿足設(shè)計(jì)要求，否則將造成地表發(fā)生沉降。施工中受種種因素的影響，難免在彎道處發(fā)生超挖現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致盾尾的后部建筑空隙不規(guī)則擴(kuò)大，不能準(zhǔn)確掌握空隙所占的體積，如不采取措施及時對空隙進(jìn)行處理，很容易造成地表沉降。

2 掘進(jìn)控制技術(shù)

掘進(jìn)是盾構(gòu)法施工過程中重要的一環(huán)，掘進(jìn)時對機(jī)械控制不當(dāng)，使開挖面的水平支護(hù)力小于地層中的原始側(cè)應(yīng)力時，會出現(xiàn)土體向盾構(gòu)內(nèi)進(jìn)行偏移，造成地層損失導(dǎo)致盾構(gòu)上方的地表沉降。相反，當(dāng)原始側(cè)應(yīng)力小于正面的推應(yīng)力時，開挖面將會朝著前進(jìn)的方向移動，使負(fù)地層損失而導(dǎo)致盾構(gòu)前上方的土體凸起。

2.1 壓力與沉降

盾構(gòu)機(jī)作業(yè)時刀盤的推力產(chǎn)生的極限會隨著刀盤作業(yè)產(chǎn)生推力的改變而變化，主動的土壓力是側(cè)向上壓力的極限的最小值，被動土壓力是側(cè)向上壓力極限的最大值，靜土壓力則位于極限最大和最小值之間。對于刀盤前方的土壓力比主動土壓力小時，可能出現(xiàn)土體沿著滑動面滑動而致使地層和地表發(fā)生沉降的現(xiàn)象。為更好的控制土壓力和便于控制，可先設(shè)定一個標(biāo)準(zhǔn)，然后采取PDCA循環(huán)進(jìn)行管理，產(chǎn)生的上限值即是被動土壓力、水壓力和預(yù)備壓力的和，下限則是主動土壓力和水壓力之和。

2.2 淺埋隧道掘進(jìn)技術(shù)

淺埋隧道掘進(jìn)施工時，確保掘進(jìn)工作面土體的穩(wěn)定性是控制掘進(jìn)質(zhì)量的重要保證。當(dāng)隧道埋深較淺或圍巖基礎(chǔ)不穩(wěn)定時，施工人員須先掌握地質(zhì)情況，根據(jù)具體參數(shù)制定施工技術(shù)方法，采用朗金理論計(jì)算主、被動土壓力。朗金理論計(jì)算是在開挖面較為穩(wěn)定的條件下進(jìn)行主動土壓力計(jì)算的，在施工時變形是難免的，因此，對于穩(wěn)定性較差的地層、松軟或變形較大、失水嚴(yán)重的地層，運(yùn)用朗金理論計(jì)算出來主動壓力是偏小的。在盾構(gòu)施工時，當(dāng)主動土壓力比推進(jìn)土壓力大時，會出現(xiàn)土體下滑現(xiàn)象，導(dǎo)致地表發(fā)生沉陷現(xiàn)象。

掘進(jìn)施工通過地下水較為豐富的地層時，為避免發(fā)生沉降可采取盾構(gòu)機(jī)快速通過的同將渣土倉中進(jìn)行泥漿灌注，使泥水室的壓力提高，目前，在盾構(gòu)中以水泥—水玻璃雙液漿最常用，其能迅速進(jìn)行地下水封堵作業(yè)。對精度要求較高的隧道施工一定要采取措施確保靜土壓力小于盾構(gòu)的推進(jìn)力，以致使土體向開挖方向變形而形成滑移，減少地表沉陷的目的。

3 管片的拼裝技術(shù)

管片是盾構(gòu)法施工中的重要的組成部分，其拼裝技術(shù)對掘進(jìn)質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。管片主要在盾殼內(nèi)進(jìn)行拼裝作業(yè)。根據(jù)目前國內(nèi)外盾構(gòu)機(jī)管片的類型主要有球墨鑄鐵管片、鋼管片、復(fù)合管片和鋼筋混凝土管片，并且每環(huán)由很多的零碎管片組成。

根據(jù)工程的情況不同可采取不同的拼裝方法，例如采取環(huán)管片縱縫對齊的拼裝，不但很容易進(jìn)行管片定位，使縱向螺栓容易穿過，而且施工效率較高，但是這種方法對環(huán)面的平整度較差，隨著誤差的積累，將導(dǎo)致環(huán)向螺栓難穿，環(huán)縫壓密量不夠。

4 管片襯砌背后注漿技術(shù)

管片襯砌背后注漿技術(shù)對盾構(gòu)法的施工質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響。對于能自穩(wěn)的地層，對注漿的方式要求不十分嚴(yán)格，但必須使用同步注漿，并在正常的注漿壓力下進(jìn)行注漿作業(yè)，以使建筑間隙能很好的得到填充，最大程度上防止了地層的移動，使地層的損失減小，地表沉降變形較小。

4.1 同步注漿

同步注漿是襯砌背后注漿的主要方式，對于能自穩(wěn)的地層，在進(jìn)行注漿時對填充率的影響是有限的，但對于不能自穩(wěn)的地層采用逐步注漿時，必須在正常的注漿壓力下，才能保證注漿質(zhì)量，使建筑間隙得到有效填充，阻止地層向隧道方向移動以減小地層損失。同步注漿主要使用同步注漿系統(tǒng)及盾尾的注漿管，使盾構(gòu)推進(jìn)和盾尾空隙同時進(jìn)行注漿，使注漿效率得到有效利用，保證周圍巖體質(zhì)量，防止巖體坍塌現(xiàn)象。

4.2 二次注漿

為保證壁后注漿層具有較好的防水性和密實(shí)性，在同步注漿技術(shù)后可根據(jù)情況采取二次注漿措施。管片背后注漿不能滿足要求時，須根據(jù)情況制定相應(yīng)的技術(shù)措施，確保注漿的質(zhì)量、安全，防止漏水現(xiàn)象發(fā)生。漏水不但對隧道質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，還會因地下水流動使土體內(nèi)有效應(yīng)力發(fā)生改變，進(jìn)而出現(xiàn)固結(jié)現(xiàn)象，易使地表發(fā)生沉降。通過注漿孔鉆孔鉆入土體達(dá)到2m時，就應(yīng)對土體進(jìn)行加固處理，采取止水措施，防止地表發(fā)生沉陷。

4.3 漿液性能

注漿漿液的流動性對注漿的質(zhì)量有密切的關(guān)系。流動性好的注漿液，對保證注漿的質(zhì)量起重要作用。當(dāng)一環(huán)注漿完成后，施工人員必須在注漿液達(dá)到一定的條件后才能進(jìn)行后續(xù)工序的作業(yè)，否則易造成后期收縮變形，滿足要求后即可進(jìn)行二次注漿作業(yè)，但必須嚴(yán)格漿液的流動性，即有利于彌補(bǔ)同步注漿的缺陷，又能對同步注漿起重要的填充和補(bǔ)充作用。

對地下水較豐富的地段，施工前要做好相應(yīng)的專項(xiàng)施工技術(shù)方案。注漿漿液粘度對注漿的質(zhì)量也產(chǎn)生重要的影響，為保證注漿后的充填效果，需將漿液的凝膠時間控制在1～4min，并用漿液進(jìn)行空隙充填，同時將地下水疏干，一次注漿完成后需進(jìn)行二次注漿時，可使用水泥—水玻璃漿液材料。

4.4 注漿施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

注漿壓力和注漿量是影響注漿作業(yè)的重要因素，在注漿作業(yè)時，對二次注漿要求不高時，注漿量可依據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際地質(zhì)情況、作業(yè)人員的記錄情況，對注漿效果進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)問題及時進(jìn)行糾正，以使注漿效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

（1）注漿壓力

注漿壓力過大過小都將對注漿效果產(chǎn)生不良的影響，為保證注漿質(zhì)量，在同步注漿作業(yè)時應(yīng)采取措施，避免注漿填補(bǔ)后出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象。當(dāng)注漿壓力過大時，易導(dǎo)致管片周圍的土層因受到注漿液的擾動影響后期的地層沉降及隧道發(fā)生沉降，進(jìn)而出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，尤其剛拼裝完的管片影響更大；當(dāng)注漿壓力過小時，因注漿液的充填速度慢而不能滿足施工要求，使地表發(fā)生較大的變形。

（2）注漿量

同步注漿主要是對空隙進(jìn)行充填，但對充填有相當(dāng)嚴(yán)格的要求，不能粗心大意，造成充填不足，造成沉降現(xiàn)象發(fā)生，同時要加強(qiáng)對掘進(jìn)過程中對開挖工作面的糾偏、漿液滲透影響、注漿材料固結(jié)收縮的控制。在實(shí)際施工中，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，其注漿量為理論注漿量的1.5～2.5倍，并加強(qiáng)對地表沉降的觀測。

（3）注漿速度及時間

注漿速度及時間也是影響注漿質(zhì)量的重要因素，為了使盾構(gòu)機(jī)到最佳工作狀態(tài)，在盾構(gòu)機(jī)作業(yè)時，現(xiàn)場人員必須嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度及注漿時的注漿量，使推進(jìn)速度達(dá)到適中及注漿量均勻，當(dāng)不能再推進(jìn)時要停止注漿，也就是說，使注漿速度及時間達(dá)到最佳的配合狀態(tài)。當(dāng)注漿速度較快時很容易造成管道堵塞，否則過慢就會導(dǎo)致地表發(fā)生坍塌，發(fā)生偏差。

結(jié)語

綜上所述，地鐵隧道盾構(gòu)法引起地表沉降的因素是多方面的，為了保證掘進(jìn)施工進(jìn)度、質(zhì)量，必須根據(jù)掘進(jìn)處的地質(zhì)情況確定合適的掘進(jìn)模式、掘進(jìn)土壓力、注漿方式和時機(jī)、注漿量和壓力等，在施工時必須加強(qiáng)對造成沉降因素的監(jiān)測，使沉降得到有效的控制，達(dá)到小于規(guī)范的允許值。

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