濕陷性黃土地層盾構施工對地表沉降的控制技術

鞠志華

摘要：隨著地鐵施工在全國范圍內的普及，盾構機掘進在全國城市隧道工程項目施工過程中得到廣泛運用，盾構施工不可避免的對周圍土體產生擾動或破壞，導致地表、地下管線和周邊建筑物的沉降，本文通過西安地鐵4號線TJSG-12標區間隧道盾構法施工中采用了全過程監控，總結了盾構機通過濕陷性黃土段地層時對地表變形、地下管線沉降、建筑物沉降等方面監測結果進行統計，并分析盾構施工區段的沉降情況及規律，并在此基礎上有針對性地改進施工工藝和修改施工參數。研究成果可供其他類似工程參考。

關鍵詞：地鐵；盾構；濕陷性黃土；地表沉降；注漿

一、工程概況

西安市地鐵四號線工程（航天東路站～北客站）土建施工項目D4TJSG-12標段包含兩站三區間，即含元路站～大明宮站區間、大明宮站、大明宮站～玄武路站區間、玄武路站、玄武路站～曹家廟站區間。

二、工程地質情況

（一）元路站～大明宮站區間。

區間跨越兩個地貌單元，南段為洪積II級臺地，地層為地表分布有厚薄不均的全新統人工填土（Q4ml）；其下為上更新統風積（Q3eol）新黃土及殘積（Q3el）古土壤；再下為上更新統洪積（Q3pl）粉質黏土、砂層等。北段為湖積III級臺地，地層為地表分布有厚薄不均的全新統人工填土（Q4ml）；其下為上更新統風積（Q3eol）新黃土及殘積（Q3el）古土壤；中更新統風積（Q2eol）新黃土及殘積（Q2el）古土壤；再下為中更新統湖積（Q2l）粉質黏土、砂層等。

不良地質現象及特殊巖土：根據本次勘察結果，擬建場地地下水位以上3-1-1層新黃土（水上）具濕陷性。區間洪積II級臺地區域濕陷性土層厚度小于5.1m，最大埋深為6.7m，自地面下1.5m起算場地地基濕陷等級為I級（輕微）；湖積III級臺地濕陷性土層厚度小于10.0m，最大埋深為11.5m，自地面下1.5m算起場地地基濕陷等級為II級（中等）～III級（嚴重），建議按III級（嚴重）考慮。

（二）大明宮站～大明宮北站區間。

大明宮站～大明宮北站區間場地內地層為：地表分布有厚薄不均的全新統人工填土（Q4ml）；其下為上更新統風積（Q3eol）新黃土及殘積（Q3el）古土壤；再下為上更新統沖積（Q3al）粉質黏土、砂層等。

不良地質現象及特殊巖土：根據勘察結果，擬建場地地下水位以上3-1-1層新黃土（水上）具濕陷性。本區間濕陷性土層厚度小于11.9m，最大埋深為15m，本區間自地面算起場地地基濕陷等級為II級（中等）～III級（嚴重）。

（三）大明宮北站～余家寨站區間。

大明宮北站～余家寨站區間場地內地層為：地表分布有厚薄不均的全新統人工填土（Q4ml）；其下為上更新統風積（Q3eol）新黃土及殘積（Q3el）古土壤；再下為上更新統沖積（Q3al）粉質黏土、中砂等。

不良地質現象及特殊巖土：根據本次勘察結果，擬建場地地下水位以上3-1-1層新黃土（水上）具濕陷性。本區間濕陷性土層厚度小于15.8m，最大埋深為17.0m，本區間自地面算起場地地基濕陷等級為II級（中等）～III級（嚴重）。

三、現狀地表沉降情況調查

根據已完成施工區段（含元殿站-大明宮站盾構區間）地表沉降數據統計調查，雖然地表沉降點的監測數據最大沉降量為-26.3mm，沒有超過規范要求的沉降控制值-30mm，但是盾構機通過的幾天沉降速率最大點-4.52mm/d已經超出規范允許4mm/d要求，具體數據見圖1。

由上圖可以看出在盾尾部位通過時（1月9日-1月12日），地表沉降點位沉降速率變化明顯加大，12日時最大點位169D3（位于隧道中線上）已經超過報警值，現場經過專題會議研究后，采取及時進行同步注漿及二次注漿，穩定推進速度，保證土倉壓力等措施后，在后續盾構施工中地表沉降速率均控制在2mm/d，累計沉降控制在15mm以內。

四、地表沉降的產生原因及其特點

（一）盾構推進引起的地表沉降。

盾構推進引起的地層損失和盾構隧道受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結，是地面沉降的基本原因。主要表現在以下幾方面：

1.隧道的開挖破壞了地層原來的平衡狀態并使周圍土體受到擾動以及地下水位的變化導致地層原始應力狀態的改變，這些都會造成土體變形和地表下沉。

2.當向盾尾和襯砌之間的建筑空隙中注漿不及時或者注漿不足時，均會造成盾尾隧道周邊土體向盾尾環形空隙移動而引起地表沉降。

3.盾構掘進時，開挖面土體受到的水平支護應小于原始側向應力，則開挖面土體向盾構內移動，引起地層損失而導致盾構上方地面沉降。

4.隧道襯砌結構及接縫防水處理不當或者施工質量差而出現隧道滲漏點，導致水土流失，而出現嚴重不均勻沉降。

（二）濕陷性黃土地區地鐵隧道施工中的影響因素。

1.根據本工程的勘察設計文件，隧道上方濕陷性黃土層為地下水位以上3-1-1層新黃土，濕陷性等級Ⅰ級（輕微）、Ⅱ級（中等）、Ⅲ級（嚴重）在工程范圍內均有分布。

2.黃土地質中的施工影響因素。

在黃土土質進行盾構法地鐵隧道施工，對施工存在的影響因素有：

（1）黃土自身濕陷性性質。濕陷性黃土的工程特性：濕陷性黃土是一種特殊性質的土，其土質較均勻、結構疏松、孔隙發育。在未受水浸濕時，一般強度較高，壓縮性較小。當在一定壓力下受水浸濕，土結構會迅速破壞，產生較大附加下沉，強度迅速降低。

黃土的濕陷性判斷：天然含水率較低的黃土，在遇水后，其自身穩定性和結構強度因膠結作用破壞而急劇降低，可能在其自重作用下產生較大變形或坍塌。

（2）濕陷性黃土層與盾構施工隧道開挖面在土層中的相對位置關系。盾構施工開挖時，土層的整體性會因外力作用而發生節理斷裂破壞，軟弱土層與開挖面的相對位置對施工安全有較大影響，在頂部時容易發生坍塌事故，在側面是容易發生土體剝落。

（三）地表沉降的特點。

盾構推進施工引起的地表和土體沉降位移按地表沉降變化規律可分為開挖面沉降（或隆起）、尾部沉降、尾部空隙沉降和長期延續沉降等四個階段。

1.開挖面沉降：盾構刀盤前端10m范圍內所發生的沉降變化。一般發生沉降，但沉降量很小，主要是盾構掘削面引起的地下水位降低而發生的，當設定土壓值較小，推力較小，出土量大于l00%時，地表開始發生沉降。

2.尾部沉降：拼裝好的管片脫離盾尾后形成的管片與周圍土體間隙引起的地表沉降，盾體上方10m范圍內所發生的沉降變化，在土體與管片之間有一道寬度為125～140mm的環型空隙，環形空隙導致周圍土體失穩，并在進行注漿填補空隙時漿液使周圍土體受水浸濕，土結構會迅速破壞，產生較大附加下沉。

3.尾部空隙沉降：注漿完成后漿液凝結及土體固結時引起的地表沉降，盾體尾部10m范圍內，因漿液的凝結及周圍土體的再次固結過程引起的地表沉降。

4.長期延續沉降：漿液凝固及土體穩定后地表沉降漸趨于穩定，盾體后端20m以后，因為注漿漿液凝固強度上升，周圍土體重新固結，地表沉降也趨于穩定。地面沉降主要特點：—是在盾構掘進面的前方可能產生地表沉降；二是施工時，除土體損失引起的沉降外，還存在盾尾空隙導致的沉降。

五、地表沉降的控制技術

盾構施工中會造成地層的地層損失、地層原始應力狀態變化、土體固結、土體的蠕變，還可能發生支護結構的變形等情況，所以，進行地層沉降控制，其出發點是保持或者加強原有地層的穩定性維持其穩定的應力平衡狀態。

（一）監測數據的整理與反饋。

盾構施工監測的項目有地表沉降、地下管線沉降、建筑物沉降、裂縫、隧道襯砌沉降、盾構開挖面土壓、推力、出土量、注漿量、盾構姿態等。盾構施工監測項目以及方法見表1。

（二）提高注漿技術。

因為注漿材料本身的體積收縮，使填充孔隙的材料在一段時間后會出現萎縮。因此，注意注漿時候的每一道工序及注漿壓力，注漿點位，漿液配合比。可以通過注漿最大程度減小地面沉降。

注漿的目的是為了盡快填充環形間隙，使管片盡早支撐地層，防止地面變形過大而危及周圍環境安全，同時加強管片外防水并使隧道整體受力。

1.選漿。

同步漿液：純砂漿漿液凝固時間應盡量縮短，減小漿液在管片壁后形成匯流，并盡快產生強度，根據本標段地表沉降情況，漿液凝固時間控制在7h。

二次漿液：純水泥漿和速凝劑（水玻璃）配合，通過調節配合比及漿液稠度，控制漿液初凝時間及漿液強度。

2.注漿壓力控制。

注漿壓力略大于該地層位置的靜止水土壓力，同時避免漿液進入盾構機的土倉中。最初的注漿壓力是根據理論的靜止水土壓力確定的，在實際掘進中將不斷優化。如果注漿壓力過大，會導致地面隆起和管片變形，還易漏漿。如果注漿壓力過小，則漿液填充速度趕不上空隙形成速度，又會引起地面沉陷。注漿壓力取1.1～1.4倍的靜止水土壓力，最大不超過3.0bar。

同步注漿壓力控制為：峰值為2.0bar以內，穩定注漿壓力為1.2～1.4bar，四個點位均勻分布注漿。

二次注漿。注漿壓力控制在1.4bar～1.6bar。漿液膠凝時間控制在40s～60s，凝固時間控制在5min以內。通過漿液注射壓力，控制地表沉降。

3.注漿點位的選擇。

同步注漿：本標段使用盾構機為中國鐵建重工生產ZTE-6280土壓平衡盾構機，注漿點位分布在2點、4點、8點、10點位置，共有4個同步注漿點位。根據不同情況可選擇點位進行注漿，我標段出現地面沉降時，選擇點位為4個注漿孔同時進行。

二次注漿：每環管片共有六個二次注漿孔，根據管片拼裝封頂塊點位選擇不同，注漿點位略有變化，基本分布為1點、3點、5點、7點、9點、11點位，共六個二次注漿孔。根據地面沉降情況，我標段選擇在1點、11點位進行。

4.注漿時間及注漿量控制。

注漿時間和速度在不同的地層中根據不同凝結時間的漿液及掘進速度來具體控制注漿時間的長短。做到掘進、注漿始終同步，不注漿、不掘進，通過控制同步注漿壓力和注漿量雙重標準來確定注漿時間。

注漿量建筑空隙填充體積理論上控制在140%～180%之間，即每環管片注漿量約在5.5～6.9m3之間，還需根據實際注漿情況積累數據，隨時對注漿量加以調整。

六、總結

根據規范要求，城市地鐵施工地表沉降量必須控制在+10～-30mm。盡管城市地鐵施工對地面沉降的控制要求十分嚴格，但由于工程施工環境的復雜性，盾構施工中地表沉降還是不可避免地會發生。因此，采取合適的盾構施工技術、地層沉降控制措施也是十分必要的。盾構施工選用全過程信息化管理的方法，將盾構機掘進參數、設備工作參數與地層、地面監測參數實行同步管理，通過預測、監測對施工設備參數及時調整，有效的控制地表沉降。

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