軟土地層盾構(gòu)施工中地表沉降分析及控制措施

丁超

摘要：本文從鄭州五號(hào)線地鐵隧道工程出發(fā)，分析了該工程中土體沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，根據(jù)結(jié)果，判斷土體沉降變化規(guī)律，最后有針對(duì)性的提出了幾點(diǎn)控制措施，以期為廣大從業(yè)者提供有價(jià)值的參考借鑒。

Abstract： This paper starts from the Zhengzhou Line 5 subway tunnel project， analyzes the monitoring results of soil settlement in the project， judges the law of soil settlement change based on the results， and finally proposes several control measures in order to provide valuable reference.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工;隧道施工;地表沉降

Key words： shield construction;tunnel construction;surface settlement

中圖分類號(hào)：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）05-0169-02

0? 引言

盾構(gòu)施工技術(shù)務(wù)必要考慮地表沉降問(wèn)題，為解決該問(wèn)題，近十?dāng)?shù)年內(nèi)，國(guó)內(nèi)外開展了大量研究，當(dāng)前有著諸多技術(shù)成果。如，在盾構(gòu)施工過(guò)程中，若土艙壓力為超平衡狀態(tài)，那么地表沉降值會(huì)因此減小，地表隆起值會(huì)適當(dāng)增加;注漿壓力對(duì)于地表沉降有直接影響，尤其是注漿壓力在0.25MPa左右時(shí)，地表沉降情況可得到行之有效的控制干預(yù)。大部分研究都認(rèn)為，盾構(gòu)施工對(duì)于地表沉降造成的影響，需要根據(jù)擬建地土質(zhì)條件進(jìn)行具體分析，根據(jù)地表沉降規(guī)律再合理選擇相關(guān)技術(shù)方法。尤其是針對(duì)雙圓盾構(gòu)施工，地表沉降的控制難以預(yù)測(cè)也難以實(shí)現(xiàn)，所以當(dāng)前對(duì)該種盾構(gòu)施工方法進(jìn)行探究有著至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1? 工程概況

鄭州地鐵五號(hào)線隧道工程，隧道單圓報(bào)警為6300mm，隧道襯砌寬度為1200mm，隧道單元拼裝采用海鷗塊管片，隧道上部覆土厚度約為6.6-10.8m，根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告顯示，施工區(qū)域掘進(jìn)主要遭遇土質(zhì)從上至下分別為雜填土、粉質(zhì)粘土、灰色淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、砂土、粉質(zhì)粘土。施工采用條幅式土壓平衡雙圓盾構(gòu)設(shè)備，設(shè)備雙圓圓心距離為4600mm，設(shè)備單圓為6520mm，經(jīng)過(guò)初步計(jì)算，設(shè)備的切削面積約為58m2，條幅式土壓平衡雙圓盾構(gòu)設(shè)備由盾尾、支撐環(huán)、切口環(huán)三個(gè)部分構(gòu)成，設(shè)備長(zhǎng)度為7150mm，轉(zhuǎn)彎施工半徑為300mm。工程擬建地為典型軟土環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)對(duì)軟土的有效控制，在施工現(xiàn)場(chǎng)布置多個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)多平行于盾構(gòu)施工中心線或者和盾構(gòu)施工中心線保持垂直，平行檢測(cè)點(diǎn)布置分為三條平行線[1]。另外，基于垂直于盾構(gòu)施工中心線測(cè)點(diǎn)，額外在左右方向布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)。因本工程上部為鋼筋混凝土市政道路，所以市政道路路基以上處均不能夠反映盾構(gòu)施工對(duì)地表造成的真實(shí)影響，所以測(cè)點(diǎn)均在道路以下，以“二等水準(zhǔn)”為參考標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)。

2? 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 橫向沉降槽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

基于國(guó)內(nèi)外當(dāng)前針對(duì)盾構(gòu)施工的研究，通過(guò)對(duì)本工程盾構(gòu)施工橫向斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，探究盾構(gòu)施工對(duì)軟土地層地表沉降的影響規(guī)律：

①本工程地表沉降量較大的部分在盾構(gòu)施工中心線左右兩處15m左右，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在15.3測(cè)點(diǎn)處，最大沉降量為10mm。考慮到盾構(gòu)施工影響范圍符合基本的土體滑裂規(guī)律，且場(chǎng)地地層均勻分布無(wú)其他外部影響因素，對(duì)覆土厚度在10m左右的地層進(jìn)行分析，根據(jù)公式，在公式中ai為監(jiān)測(cè)i層沉降影響面和基準(zhǔn)水平面的夾角;hi為第i層上部覆土的實(shí)際厚度;R為盾構(gòu)施工設(shè)備單圓施工外徑;L為園心距;S為盾構(gòu)施工橫向影響距離，經(jīng)過(guò)測(cè)算，本工程黏土層，該夾角為45°+？準(zhǔn)/2，富水砂土土層中，該夾角為？準(zhǔn)/3，S=54m。實(shí)際測(cè)試的沉降影響橫向距離在45m左右，公式計(jì)算出的數(shù)值比實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值更大，從我國(guó)現(xiàn)行的隧道施工規(guī)范而言，該施工方法對(duì)環(huán)境并無(wú)惡性影響，且施工安全性明顯。

②本工程所用條幅式土壓平衡雙圓盾構(gòu)設(shè)備，施工產(chǎn)生的沉降槽大約可分為V型沉降槽、U型沉降槽兩種類型，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，U型沉降槽范圍內(nèi)的沉降量明顯大于V型沉降槽內(nèi)的沉降量，且U型沉降槽底部相對(duì)平坦，V型沉降槽的沉降變化相對(duì)均勻，和常規(guī)隧道工程所采用的單圓盾構(gòu)施工方法產(chǎn)生的沉降槽狀態(tài)類似，尤其是在“反彎點(diǎn)”方面，U型槽、V型槽表現(xiàn)一致。根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，U型沉降槽的狀態(tài)，是因海鷗塊管片產(chǎn)生的背土效應(yīng)對(duì)上層的軟弱土壤擾動(dòng)作用加大所導(dǎo)致，分析類似既往研究，判斷相似的材料以及相似現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，多數(shù)隧道工程在厚沖積層的條件下，沉降槽表現(xiàn)出較為明顯的區(qū)縣狀態(tài)，U型沉降槽處的沉降量變化相對(duì)突出，在本工程中，上部覆土層塑性最大的土質(zhì)為淤泥質(zhì)粘土，該類土壤的物理性狀極差，海鷗塊管片產(chǎn)生的背土效應(yīng)對(duì)其影響極為突出，以至于盾構(gòu)施工上部空間出現(xiàn)突出的裂縫以及彎曲，最終導(dǎo)致地表的沉降加大。另外，在開挖的過(guò)程中，盾構(gòu)施工同時(shí)受到土壤彎曲作用、土壤下沉自重作用產(chǎn)生的泊松效應(yīng)所影響，受盾構(gòu)施工的影響也相對(duì)較小，所以沉降量比較小，產(chǎn)生的曲線表現(xiàn)出極為平緩的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，在上部覆土層影響下以及在土壤性狀較差的條件下，會(huì)產(chǎn)生V型沉降槽。

③監(jiān)測(cè)共獲得三十余個(gè)橫向沉降斷面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示，盾構(gòu)施工負(fù)地層損失率的范圍大約在0.21%左右，地表的隆起值一般在5mm以下，滿足我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中地表隆起值小于10mm的標(biāo)準(zhǔn)。本工程地層損失值的計(jì)算主要參考盾構(gòu)切削面積和橫向沉降槽的比值，綜合所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，去除最大值、最小值，減去盾構(gòu)進(jìn)出處，取相應(yīng)數(shù)量的樣本量。根據(jù)計(jì)算以及統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算，應(yīng)用條幅式土壓平衡雙圓盾構(gòu)設(shè)備施工，有95%左右?guī)茁蕦⒌乇沓两盗靠刂圃?0mm以下，若是想要進(jìn)一步對(duì)地表沉降進(jìn)行控制，則還需要對(duì)施工方法進(jìn)行優(yōu)化，并采用注漿等輔助施工方法。

④現(xiàn)場(chǎng)勘察和監(jiān)測(cè)結(jié)果表示，盾構(gòu)中心線、沉降槽中心線并沒(méi)有保持吻合，存在極為突出的偏心現(xiàn)象，最大的沉降量多處于上行線和中軸線之間，一方面，工程擬建地土層存在一定的背斜、不均勻情況;另一方面，盾構(gòu)設(shè)備本身所帶切削用刀盤運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)土壤起到牽拉作用，以至于出現(xiàn)不符合一般運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的沉降[2-4]。

2.2 縱向沉降槽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，盾構(gòu)施工前方24m范圍內(nèi)的土體并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變形，在24m外地表存在隆起等問(wèn)題，伴隨著設(shè)備的逐步前進(jìn)，地表沉降開始發(fā)展，且發(fā)展速度較快，沉降速率相對(duì)較大，在施工設(shè)備穿過(guò)監(jiān)測(cè)位置后并離開監(jiān)測(cè)位置23m左右時(shí)，沉降量開始逐步減小，沉降速率也開始減小[5]。另外，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，土艙壓力和工程地表沉降有直接關(guān)系，地表沉降量減小，同時(shí)土艙壓力往往也在逐步增加，土艙壓力在0.3MPa左右時(shí)，地表的沉降量大幅度減小，且出現(xiàn)一定的隆起情況，全施工段最大的隆起量約為4.10m。

3? 盾構(gòu)施工軟土地層地表沉降控制措施

根據(jù)上文分析我們可了解到，影響該工程地表沉降的主要因素為施工速度、土艙壓力、注漿壓力等，同時(shí)設(shè)備運(yùn)作、設(shè)備姿態(tài)、海鷗塊管片等也會(huì)對(duì)地表沉降造成影響，本工程以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、分析結(jié)果為基礎(chǔ)判斷沉降變化，經(jīng)過(guò)多方商議，決定通過(guò)調(diào)整土艙壓力、盾構(gòu)姿態(tài)以及注漿來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降的有效控制。

3.1 調(diào)整土艙壓力

調(diào)整土艙壓力能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隆起、沉降情況的有效控制，但土艙壓力的調(diào)整需要涉及到出土量以及推進(jìn)速度的調(diào)整，若能夠有效協(xié)調(diào)三個(gè)因素的相互關(guān)系，就能夠避免發(fā)生無(wú)效的旋轉(zhuǎn)，以降低盾構(gòu)施工對(duì)原地層的影響。本工程所用條幅式土壓平衡雙圓盾構(gòu)設(shè)備，設(shè)備的開口率、轉(zhuǎn)速并沒(méi)有直接關(guān)系，且設(shè)備隔離倉(cāng)上的土壓力計(jì)會(huì)直接反饋設(shè)備迎面的土壓力值，通過(guò)調(diào)整左右螺旋機(jī)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土艙壓力的有效控制，并達(dá)到穩(wěn)定開挖面土壓力的效果[6]。經(jīng)過(guò)初步分析判斷，發(fā)現(xiàn)設(shè)備推進(jìn)速度若不大于50mm/min，不小于10mm/min，沉降、隆起較為穩(wěn)定，最后決定將推進(jìn)速度調(diào)整至30mm/min，土艙壓力調(diào)整至2.5MPa。

3.2 調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)

條幅式土壓平衡雙圓盾構(gòu)設(shè)備運(yùn)作，若發(fā)生左右偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致沉降速率大幅度增加，國(guó)內(nèi)針對(duì)條幅式土壓平衡雙圓盾構(gòu)設(shè)備的使用有著諸多避免偏斜的方法，比如利用千斤頂實(shí)現(xiàn)物理調(diào)整或者利用仿形刀來(lái)避免超挖等，為了減少對(duì)于地表沉降的負(fù)面影響，本工程考慮采用調(diào)整出土量以及利用千斤頂施加單側(cè)壓重的方式來(lái)避免條幅式土壓平衡雙圓盾構(gòu)設(shè)備發(fā)生偏移[7-8]。考慮到海鷗塊管片產(chǎn)生的背土效應(yīng)會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生不合理擾動(dòng)，所以對(duì)管片的拼裝進(jìn)行調(diào)整，采取拼裝工藝為“錯(cuò)縫拼裝”，確保隧道結(jié)構(gòu)的橫向剛度、縱向剛度符合要求，避免發(fā)生縱向不均勻沉降。

3.3 采取注漿控制

海鷗塊管片在盾構(gòu)施工過(guò)程中，若脫出盾尾，那么在設(shè)備、土體、海鷗塊管片之間就會(huì)產(chǎn)生一定的空隙，若是該空隙得不到及時(shí)填補(bǔ)，那么土體就會(huì)在重力作用下出現(xiàn)沉降、塌陷等情況，本工程出現(xiàn)的該類沉降最大沉降量為12mm。因此，采用同步注漿技術(shù)在海鷗塊管片脫出盾尾時(shí)，及時(shí)填充土體。本工程所采用漿液為膨潤(rùn)土、水泥、穩(wěn)定劑構(gòu)成，初步測(cè)試，該漿液的初步抗壓強(qiáng)度最大值為1MPa，能夠滿足避免土體沉降的要求。值得注意的是，漿液的壓力要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，若漿液的壓力過(guò)高，會(huì)對(duì)地表產(chǎn)生不必要擾動(dòng)，一般工程控制在0.25MPa左右，本工程經(jīng)過(guò)計(jì)算，將注漿壓力控制為0.2MPa。

4? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，盾構(gòu)施工對(duì)于軟土地層地表沉降的影響是多方面的，和單圓盾構(gòu)施工相比，雙圓盾構(gòu)施工的沉降控制更為復(fù)雜，設(shè)備、施工參數(shù)等均會(huì)對(duì)土體沉降造成影響， 廣大從業(yè)者應(yīng)該對(duì)盾構(gòu)施工所導(dǎo)致沉降的機(jī)理、變化規(guī)律有足夠的認(rèn)識(shí)，在實(shí)踐中根據(jù)工程實(shí)際情況，合理調(diào)整施工參數(shù)，并合理利用注漿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降、隆起情況的有效控制，以確保施工安全、施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘俊輝，尹培林，劉俊.福州軟土地區(qū)土壓平衡盾構(gòu)隧道地表沉降特性分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（5）：180-186.

[2]鄧崴，潘建平，曾雅鈺瓊.砂黏復(fù)合地層盾構(gòu)隧道施工地表橫向沉降分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（18）：271-275.

[3]潘俊，孫銀娟，胥穩(wěn)，等.常州地區(qū)盾構(gòu)施工引起的地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析[J].低溫建筑技術(shù)，2018，40（12）：95-99，113.

[4]賈夫子，王立峰，葉俊能，等.地層特性對(duì)盾構(gòu)法隧道施工地表沉降的影響研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（2）：85-91.

[5]徐冬林.軟土地層中地鐵盾構(gòu)施工引起地表沉降的研究[J].綠色科技，2018（12）：229-230.

[6]王小軍，蔣勇，王文笛，等.寧波濱海軟土地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降效應(yīng)與數(shù)值模擬研究[J].路基工程，2018（4）：61-68，74.

[7]丁智，王凡勇，魏新江.軟土雙線盾構(gòu)施工地表變形實(shí)測(cè)分析與預(yù)測(cè)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2019，53（1）：61-68.

[8]寧波，王旭東，李科興.軟土地層盾構(gòu)隧道施工橫斷面地表沉降的擬合研究[J].粉煤灰綜合利用，2017（6）：57-61.