從土壓平衡盾構(gòu)設(shè)計角度對地表沉降控制的一些思考

王杜娟

(中鐵隧道裝備制造有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

盾構(gòu)的地表沉降控制是一個綜合問題，其中施工控制占主導因素。從施工方面對地表沉降控制的研究文獻已有很多。楊書江等［1］介紹了盾構(gòu)通過重要建(構(gòu))筑物的施工技術(shù)。劉云龍［2］認為應參照地表監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整施工過程中的參數(shù)以達到地表沉降的控制。陳廣亮［3］系統(tǒng)分析了超前、同步、補注漿3種方式改善砂卵石地層的物理力學性質(zhì)的機制，并介紹了不同注漿方式的注漿方法和參數(shù)，認為通過各階段的注漿能夠有效地控制盾構(gòu)法施工引起的地表沉降。盧瑾［4］以廣州市軌道交通四號線南延段盾構(gòu)法施工為研究背景，用2種方法分析并預測了盾構(gòu)法施工引起的地表沉降，認為地表土體產(chǎn)生沉降最主要的原因是盾構(gòu)開挖過程中引起的地層損失。黃春來等［5］通過對上海地鐵軟土地層盾構(gòu)施工引起的地層變形原因和機制進行分析，結(jié)合派克公式對地層變形進行計算，引出地層損失率作為沉降控制標準，并提出了軟土地層盾構(gòu)施工地層損失控制技術(shù)要點。何國軍［6］分析泥水平衡盾構(gòu)施工引起地表沉降的機制，結(jié)合超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工實例，從切口壓力、泥水指標控制及同步注漿管理等方面探討超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工地表沉降的控制技術(shù)。鄭淑芬［7］對盾構(gòu)隧道施工地表沉降進行了較為深入的研究，首先，歸納總結(jié)前人研究所得理論，分析了產(chǎn)生地表沉降的機制和影響地表沉降的因素以及地表沉降的大致規(guī)律;接著，以廣州地鐵三號線北延段高增站—新機場南站區(qū)間盾構(gòu)隧道為實際工程背景，運用有限元軟件MIDAS/GTS模擬盾構(gòu)隧道開挖掘進過程，分析盾構(gòu)隧道掘進過程中產(chǎn)生的地表沉降，并將數(shù)值模擬分析結(jié)果與實測的地表監(jiān)測數(shù)據(jù)對比;然后，借助MIDAS/GTS軟件，研究上層覆土條件、盾尾注漿、掘進壓力和雙線隧道的不同開挖順序等因素對盾構(gòu)隧道地表沉降的影響規(guī)律;最后，針對如何將地表沉降控制在合理范圍內(nèi)提出了實用性的措施。只有考慮施工過程以及不同地區(qū)的土質(zhì)情況才可以較為準確地預測地表沉降，但如果和設(shè)計不匹配，會給施工帶來很大困難。大部分進行盾構(gòu)選型的人員是施工人員，對盾構(gòu)的設(shè)計不是非常了解，因此，選型從根本上不適應的現(xiàn)象時有發(fā)生。本文分別針對軟土和砂卵石等不同地層進行原因分析，并提出有效措施，主要從盾構(gòu)設(shè)計角度提出選型觀點。

1 地鐵盾構(gòu)法施工地表沉降案例及原因分析

1.1 目前地鐵盾構(gòu)法施工中地表沉降案例

地鐵施工由于主要在城市中進行，所以對地表沉降要求較高，雖然目前大部分地鐵采用盾構(gòu)法施工，較為安全，但其中也發(fā)生了一些事故，如圖1所示。

圖1 地鐵施工沉降導致事故示例Fig.1 Incidents induced by ground surface settlement during Metro work construction

1.2 地表沉降發(fā)生的原因分析

沉降發(fā)生的根本原因是盾構(gòu)施工對地層的擾動，對地層擾動的多少決定了地表沉降的大小。從原理上來說，泥水平衡盾構(gòu)理論上可以實現(xiàn)100%的沉降控制，主要原因是:泥水盾構(gòu)有泥膜，可完全隔絕地下水與土倉的聯(lián)系，同時，漿液具有液體傳遞壓力的特性，可準確達到壓力平衡，理論上刀盤前部土體幾乎可保持原狀，土層不受擾動;盾體段，泥漿可完全填充開挖空隙，原狀土不受擾動;管片段，如注漿做好，理論上可不產(chǎn)生沉降。

土壓平衡盾構(gòu)即使在理論上也做不到100%地表沉降。原因是:在刀盤前部，開挖面無泥膜，即使土倉有壓力，也制止不了地下水向土倉滲透，渣土改良理論上可止水，但也只能減緩不能杜絕地下水流失，由于地下水的流失，會引起原狀土性狀改變，就算是輻條式刀盤，刀盤在掌子面的剛性支撐在開挖過程會產(chǎn)生或大或小的空洞，形成局部坍塌;盾體段存在開挖空隙，回填渣土松散，地層的沉降是不可避免的，開挖空隙越小，沉降越少;盾尾段與泥水盾構(gòu)相同，只要注漿合理，理論上此種沉降在設(shè)計時可不考慮。

由以上分析引發(fā)了土壓平衡盾構(gòu)在設(shè)計時應考慮的共性問題:

1)刀盤在條件允許時盡可能采用輻條式，開口率盡可能大。

2)開挖空隙在條件允許時盡可能小。

2 沉降分析及設(shè)計應對措施

地表沉降理論上主要分4種，每種沉降產(chǎn)生的原因和大小不同，且可控程度不同，如圖2及表1所示。

圖2 地表沉降理論分析示意圖Fig.2 Sketch of theoretical analysis on ground surface settlement

目前國內(nèi)土壓平衡施工典型地質(zhì)主要分為軟土(含淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉細砂等)、砂及砂卵石層(含細砂、中粗砂、砂礫、砂卵石、卵石層等)及巖石(各類巖石及不同風化程度的巖層)。

地表沉降在土壓平衡盾構(gòu)施工中是一個非常重要的控制因素，但具體到不同的地質(zhì)，地表沉降的表現(xiàn)又不同。以上3類地層中以巖石，尤其是穩(wěn)定圍巖的地表沉降最小，基本可以忽略不計;而以砂卵石層地表沉降最難控制;在軟土中，淤泥質(zhì)土地表沉降也較難控制;而粉細砂層則是最容易出大事故的地層，目前地鐵幾次較大事故均發(fā)生在軟土層施工中。以下分2種地質(zhì)分別探討設(shè)計中的一些考慮因素。

2.1 軟土層地表沉降分析及應對措施

就地層來說，在軟土層中土壓平衡更容易建立，地表沉降應該容易控制，但由于地層不能自然成拱，理論上來說，盾構(gòu)的開挖會對整個開挖面及以上地層產(chǎn)生擾動，因此地表沉降較難控制。軟土盾構(gòu)的設(shè)計，在轉(zhuǎn)彎半徑允許的范圍內(nèi)，應盡量減少盾尾間隙進而減少開挖直徑與管片外徑間的空隙，減少地層擾動，防止地表沉降。主要措施有:

1)減少盾尾間隙，注漿管外置，進而減少開挖直徑，如圖3所示。

2)刀盤加大開口，使土壓真實反應。

3)配置較大的理論注漿量，可到2～2.5倍。

4)配置雙液注漿系統(tǒng)。

表1 地表沉降理論分析表Table 1 Theoretical analysis on ground surface settlement

2.2 砂卵石層地表沉降分析及應對措施

在砂卵石層，雖然很多致密地層無水時可基本自穩(wěn)，但由于地層細顆粒含量少，渣土改良不易，則對地層的擾動大;另外，由于砂卵石層攪拌扭矩大與建立土壓的矛盾，施工中常常欠壓掘進，這是砂卵石層地表沉降的主要原因。另外，砂卵石層為強透水層，如地層富水，由于圓礫及礫砂層細顆粒成分含量少，不易自然形成能夠止水的流塑狀渣土，在渣土改良不到位時極易發(fā)生噴涌，導致土倉失壓引起地層沉降，嚴重時會發(fā)生“塌坑”現(xiàn)象。砂卵石地層沉降地理分析如圖4所示。

砂卵石層地表沉降控制主要考慮能夠?qū)崿F(xiàn)土壓平衡掘進模式，而要實現(xiàn)土壓平衡，從盾構(gòu)設(shè)計上需考慮以下4個方面。

1)設(shè)備需具備足夠的驅(qū)動扭矩。

2)刀盤需有合理的開口率保證渣土順暢流動。

3)螺旋機需有一定的卵石通過粒徑。

4)具備足夠的渣土改良能力。

圖3 軟土刀盤及盾尾設(shè)計Fig.3 Design of cutter head and tail of shield machine used in soft ground

3 典型沉降控制案例

北京地鐵施工是國內(nèi)幾個施工較困難的案例之一，主要原因是地層卵石含量高、粒徑大，如圖5所示。土壓平衡較難實現(xiàn)，地表沉降非常難控制，但中鐵裝備公司在研究了北京地質(zhì)及已有施工設(shè)備后，以“以排為主，排破結(jié)合”的設(shè)計理念，設(shè)計了2臺復合式土壓平衡盾構(gòu)(如圖6)，輔以適當?shù)脑粮牧即胧┕さ乇沓两悼煽刂圃? mm以內(nèi)。

圖4 砂卵石地層沉降地理分析示意圖Fig.4 Analysis on settlement of sandy cobble strata

在現(xiàn)場進行了多種不同組合和配比的渣土改良試驗，如圖7所示。在北京卵石地層同時添加泡沫及膨潤土，掘進參數(shù)為:總推力13 000～19 000 kN、刀盤扭矩4 000～5 200 kN·M、速度20～48 mm/min、上部土壓60～90 kPa、同步注漿量4～6 m3、泡沫用量35～60 L、膨潤土用量2～3 m3、出渣量42～48 m3(1.2 m管片)。

圖7 北京地鐵盾構(gòu)渣土改良試驗照片及改良效果照片F(xiàn)ig.7 Ground conditioning of shield machine used in Beijing Metro

目前2臺設(shè)備已分別完成了192 m和2 196 m的掘進，貫通2個區(qū)間，最高單班進度為10環(huán)，最高日進度為20環(huán)，最高月進度330環(huán)。地表沉降情況最大點為7 mm，累計平均沉降為3 mm。

刀盤開口率為40%，在土倉上部保壓80 kPa壓力情況下掘進，中鐵盾構(gòu)能夠持續(xù)掘進，地表沉降情況控制較好。

對地表沉降要求嚴格的地區(qū)，中鐵盾構(gòu)表現(xiàn)出了較強的適應性，得到了業(yè)主和北京市政府的一致好評。

4 結(jié)論與建議

本文對地表沉降原因進行了分析，并從盾構(gòu)設(shè)計選型角度給出了一些有效措施，但由于地下施工不確定性因素很多，本文并不能從根本上完全解決此問題，這方面的研究將不斷發(fā)展進步，希望本文的觀點可以對施工單位在盾構(gòu)選型方面有一些參考。本文僅從盾構(gòu)設(shè)計角度談此問題，所有理論是建立在理想施工控制基礎(chǔ)上。同時，由于地表沉降主要還要靠施工控制，如果施工控制不好，再好的設(shè)備也不能避免地表沉降產(chǎn)生，建議施工單位加強施工管理，多方面避免地表沉降的產(chǎn)生，最大限度地保證地鐵施工安全。

［1］ 楊書江，孫謀，洪開榮.富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］ 劉云龍.盾構(gòu)在淺層軟土中穿越城市快速路及地下管線的地表沉降控制［J］.鐵道建筑技術(shù)，2010(2):23－26.(LIU Yunlong.Control on surface subsidence of shield crossing urban freeway and underground pipeline in shallow soft soil［J］.Railway Construction Technology，2010(2):23－26.(in Chinese))

［3］ 陳廣亮.注漿技術(shù)在盾構(gòu)穿越砂卵石地層施工中的應用［J］.山西建筑，2010(31):311 －313.(CHEN Guangliang.Application of grouting technology in shield crossing sandy cobble bed construction［J］.Shanxi Architecture，2010(31):311 －313.(in Chinese))

［4］ 盧瑾.軟土地層中盾構(gòu)法開挖引起的地表沉降研究［D］.南京:河海大學土木與交通學院，2007.(LU Jin.Analysis of Ground Settlement Due to Tunnel Construction with Shield in Soft Soil［D］.Nanjing:College of Civil and Transportation Engineering，HoHai University，2007.(in Chinese))

［5］ 黃春來，張映根.軟土地層盾構(gòu)施工地表沉降分析及措施［J］.山西建筑，2010(10):223 －225.(HUANG Chunlai，ZHANG Yinggen.Ground subsidence analysis and controlling measures in soft soil shielding［J］.Shanxi Architecture，2010(10):223 －225.(in Chinese))

［6］ 何國軍.超大直徑泥水平衡盾構(gòu)地表沉降控制關(guān)鍵技術(shù)［J］.上海交通大學學報，2011(S1):124 －127.(HE Guojun.Key techniques of controlling earth subsidence by superdiameter slurry-pressure balanced tunnel boring machine［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2011(S1):124 －127.(in Chinese))

［7］ 鄭淑芬.盾構(gòu)隧道施工地表沉降規(guī)律及控制措施研究［D］.長沙:中南大學土木工程學院，2010.(ZHENG Shufen.Study on laws and control measures of ground settlements caused by shield tunneling［D］.Changsha:College of Civil Engineering，Central South University，2010.(in Chinese))