地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降控制研究

陸近濤

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226007）

0 引言

地質(zhì)沉降從本質(zhì)上來看不可避免，但是在一定范圍內(nèi)可保持地下以及地面空間的安全，為確保安全要研究盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，并且找到地層沉降的原因，之后才可以制定相應(yīng)的沉降參數(shù)控制體系，從而讓該系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量獲得保障。

1 地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降特點(diǎn)和成因

1.1 地層沉降特點(diǎn)

盾構(gòu)機(jī)的施工過程中沉降可分為三個(gè)階段，第一階段是盾構(gòu)機(jī)對(duì)于土體的壓縮過程，會(huì)導(dǎo)致前方施工區(qū)域土層向上拱起，地表的平整度降低。第二階段是盾構(gòu)機(jī)的通過過程，該過程會(huì)在土層向上拱起之后逐漸下降，通常情況下，下降的量要高于拱起量。第三階段是盾構(gòu)機(jī)通過之后，由于土壁和管片外壁間出現(xiàn)空隙，會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)通過之后土層依舊處于沉降狀態(tài)，通常情況下，沉降時(shí)間能夠維持一到兩個(gè)月。

1.2 地層沉降成因

1.土層擾動(dòng)沉降

土層擾動(dòng)沉降是整個(gè)施工中最核心的沉降原因之一，上文的分析結(jié)果表明，盾構(gòu)機(jī)通過之前、通過過程和通過之后，土層參數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定程度上的變化，這一擾動(dòng)即所謂的土層擾動(dòng)沉降過程[1]。

2.建筑空隙填充問題沉降

盾構(gòu)的外徑通常比隧道的襯砌外徑大2%，原因是盾尾殼板有一定的厚度，這一參數(shù)由盾構(gòu)機(jī)的本身其余參數(shù)決定，同時(shí)外徑的大出部分方便管片在盾構(gòu)機(jī)殼內(nèi)的拼裝以及拆除過程，并且通過對(duì)設(shè)備的加入，讓盾構(gòu)機(jī)保持直線運(yùn)動(dòng)。在盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)過程，隧道襯砌外徑和盾構(gòu)機(jī)殼存在一定空隙。

空隙處理過程要填充這一區(qū)域，并且填充料要保持一定密度。在實(shí)際的掘進(jìn)過程，這類材料的密度在填充過程中，會(huì)在一定的時(shí)間內(nèi)無(wú)法滿足抵抗土層沉降的要求，這就導(dǎo)致土層在后續(xù)的施工過程中會(huì)出現(xiàn)一定程度上的沉降。

3.管片圓環(huán)變形問題沉降

在盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)之中，襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)在脫出盾尾后，出現(xiàn)受力情況的短時(shí)間大幅度變化情況，在土層壓力的作用下，盾構(gòu)的管片圓環(huán)從標(biāo)準(zhǔn)圓變成橢圓，這就會(huì)導(dǎo)致土層出現(xiàn)一定的沉降，這一情況下，土層的沉降參數(shù)維持在1到4mm之間。

2 地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降控制方法

2.1 土壓的合理設(shè)置

壓力核算過程需要考慮底層的土壓、地下區(qū)域的水壓以及預(yù)壓力三個(gè)部分，對(duì)于地層的土壓力，需要通過對(duì)于土層的各類參數(shù)以及不同土層的運(yùn)行情況完成相應(yīng)的核算工作。對(duì)于地下水壓，使用觀測(cè)井法可進(jìn)行測(cè)定。對(duì)于預(yù)壓力的計(jì)算過程，要考慮實(shí)際的工作誤差和各類設(shè)定參數(shù)的實(shí)際作用水平。

通常情況下，這一參數(shù)維持在20到30kPa之間，地層壓力的計(jì)算過程需要考慮地層的成拱能力，在地層具有成拱能力時(shí)，按照Terzsghi壓力公式進(jìn)行計(jì)算，而不具備這一能力，則按照垂直土柱載荷公式進(jìn)行計(jì)算。此外也要分析該區(qū)的土層是否為粘性土，是這一類型的土壤時(shí)，按豎直方向的擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的核算工作。而對(duì)于沙石土，由于沉降的增量以及垂直的擴(kuò)展速度在整個(gè)盾構(gòu)機(jī)上方處于最大狀態(tài)，所以要按照實(shí)際的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)完成研究工作。通常情況下，砂石土中隧道的深度處于1到1.5D狀態(tài)時(shí)，可確定該區(qū)域存在成拱能力；粘性土的深埋深度處于1.5到2D狀態(tài)時(shí)，可認(rèn)為該區(qū)域的覆蓋土層具有成拱能力。通過對(duì)這類參數(shù)的核算，防止在后續(xù)的具體參數(shù)設(shè)定過程中出現(xiàn)地表土層大范圍隆起和沉降現(xiàn)象。

2.2 注漿參數(shù)的分析

目前的注漿工作有三種方式，第一種是同步注漿工作，在盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)過程中，通過對(duì)于注漿管的使用向整個(gè)區(qū)域內(nèi)部注入漿體；第二種是即時(shí)注漿，在盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)數(shù)環(huán)之內(nèi)，由于盾尾已經(jīng)形成了一定程度上的空隙空間，整個(gè)過程使用建成的注漿管向其中注漿；第三種是二次注漿，通常情況下，當(dāng)一次注漿的參數(shù)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不符，則需要二次注漿，尤其是發(fā)現(xiàn)偏移以及沉降問題時(shí)，要及時(shí)履行這一工作。

在注漿參數(shù)的核算過程中，要合理確定實(shí)際的注漿量，計(jì)算公式為：

其中D1是理論上的掘削外徑，實(shí)際計(jì)算過程中可取值是刀盤的外徑；D2是管片環(huán)的外徑；m代表的意義是盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)長(zhǎng)度，a代表的是泥漿的注入率，要根據(jù)實(shí)際的路段進(jìn)行合理的參數(shù)配置。

2.3 出渣工作的控制

出渣速度必須與盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度和掘進(jìn)進(jìn)程進(jìn)行匹配，才能夠防止出渣的速度高于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，螺旋輸送機(jī)的掘進(jìn)速度決定了整個(gè)工作系統(tǒng)中的出渣速度，而盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度決定因素是千斤頂油缸的頂進(jìn)速度。

在出渣速度限定中，通常采用質(zhì)量測(cè)量和體積測(cè)量?jī)煞N方法完成任務(wù)，其中質(zhì)量測(cè)量是同時(shí)稱取出渣車和渣土的總體質(zhì)量，分析一段時(shí)間內(nèi)的實(shí)際出渣量，在此基礎(chǔ)上核算速度[2]。體積測(cè)量方法則需要測(cè)量該過程中渣土的總體體積，以分析出渣的速度，之后通過與實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，研究當(dāng)前出渣速度和掘進(jìn)速度之間是否匹配。需要注意的是，該過程也要按照實(shí)際的土層參數(shù)向其中加入相關(guān)的材料，尤其是對(duì)于沙石土層來說，需要通過發(fā)泡劑、膨脹劑的使用提高土層的實(shí)際承力水平，這類材料也要配置在相應(yīng)的出渣控制工作體系內(nèi)。

2.4 緊急預(yù)案的建設(shè)

緊急預(yù)案要能夠在發(fā)現(xiàn)隧道出現(xiàn)沉降或地面沉降的第一時(shí)間，完成相應(yīng)的調(diào)整工作，以防止后續(xù)出現(xiàn)嚴(yán)格嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。比如在南京地鐵的施工過程，發(fā)現(xiàn)某區(qū)段的土層為沙石土，其設(shè)計(jì)的參數(shù)是土倉(cāng)內(nèi)頂層壓力為0.2MPa，中間土層是0.23MPa、注漿壓力是0.27MPa、注漿量是3.7m3/環(huán)，出渣量為35m3/環(huán)、掘進(jìn)速度為40mm/min。之后發(fā)現(xiàn)在該階段中某密封圈失效，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)流沙注入問題，三小時(shí)的涌入流沙量接近3m3，在停機(jī)檢查和緊急充氣密封圈使用后，第一時(shí)間通過對(duì)于各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，并和地面的沉降測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)同步更新，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的地面沉降量高出了標(biāo)準(zhǔn)值。則之后落實(shí)的項(xiàng)目是對(duì)該區(qū)域的居民緊急疏散，同時(shí)對(duì)出現(xiàn)沉降的區(qū)域進(jìn)行注漿工作，最終防止了該區(qū)域出現(xiàn)大面積垮塌問題。

3 結(jié)論

綜上所述，地鐵施工中沉降特點(diǎn)包括盾構(gòu)進(jìn)入前的拱起、進(jìn)入過程中的沉降以及進(jìn)入后的沉降，原因包括地層擾動(dòng)、空隙未能填堵等，導(dǎo)致實(shí)際的工作質(zhì)量出現(xiàn)了大幅度的下滑。解決方法包括土層應(yīng)力分析、注漿參數(shù)設(shè)置、出渣過程控制以及緊急預(yù)案的建設(shè)，防止出現(xiàn)嚴(yán)重的沉降問題。