上軟下硬地層盾構施工地表的沉降控制技術

李尚輝，陳燦煌

（1.福州外語外貿學院理工學院，福建福州350202；2.中交一公局廈門工程有限公司，福建廈門361021）

城鎮化進程的加快對城區公共交通的供給與完善提出了更高的要求，近年來，我國部分大城市不斷加快城市軌道交通的建設，總里程已經超過5 000公里，早已躍居世界第一. 盾構法因施工安全、便捷、進度快、對外界環境影響小等特點，被廣泛應用到地鐵建設中[1]. 但是盾構法施工不可避免會對地層產生擾動，引起地層應力釋放，造成地表沉降. 針對該問題，鞠鑫[2]認為地表沉降的本質是盾構施工引起的土體損失造成的，并利用三維數值模擬的方式來確定同步注漿量、設定適宜的土倉壓力值、控制推進速度來加以控制. 楊三龍[3]等從地下水損失、土倉壓力、同步注漿、漿液性能和圍巖自穩性五個方面提出地表沉降控制措施. 張治國[4]、糜瑞杰[5]通過螺旋機扭矩，姜德義等[6-8]通過管片拼裝等方式來控制地表沉降. 無疑，這些研究在一定程度上有效地緩解了地鐵盾構施工導致的地表沉降問題，但是由于地質環境及施工參數的差異，針對不同的地層條件，相應的控制措施選取的施工參數均不盡相同. 本文依托廈門地鐵二號線二標新陽大道站至長庚醫院右線區間隧道施工，針對該區間500 環處產生的地表沉降問題，根據工程施工實際及現場調查監測資料，對盾構施工地表沉降控制技術進行探討，以期為類似工程的沉降控制技術提供理論依據和案例參考.

1 工程概況

新陽大道站至長庚醫院站區間（以下簡稱新長區間）沿規劃縱二路行進，在新陽大道上側穿新景喬、下穿排洪渠. 區間線路起點位于新景路與馬鑾灣大道交叉口段，沿新景路至新陽北路前行，進入長庚醫院站. 該區間采用盾構法施工，從新陽大道站始發到達長庚醫院站接收. 區間縱斷面為V 型坡，最大縱坡25‰，最小縱坡2‰，隧道埋深9.07 m～16.85 m. 區間右線全長1 028.817 m，左線全長1 005.248 m，采用土壓平衡盾構法施工. 隧道凈空尺寸為5 500 mm，采用通用楔形管片拼裝式單層襯砌，管片外徑6 200 mm，內徑5 500 mm，厚350 mm，環寬1 200 mm. 管片采用強度等級C50、抗滲等級P10 的高強防水鋼筋砼，并采用錯縫拼裝方式連接，連接螺栓為16 根M30 的縱向螺栓和12 根M30 的環向螺栓. 該區間段上主要覆雜填土、粉質黏土、中砂、砂質黏土、全風化花崗巖，右線盾構掘進到500環左右處地面出現較大沉降，一度達到沉降預警值.

2 盾構施工地表沉降分析

2.1 掘進參數選擇不當

土壓平衡式盾構機主要有三種掘進模式：敞開式掘進、半敞開式掘進和土壓平衡式掘進. 若開挖地層自穩性好，則選擇敞開式掘進，以較大的速度掘進，該模式下盾構機切削下來的渣土進入土倉即刻被螺旋輸送機排出，土倉內僅有少量的渣土；若開挖地層有一定的自穩性，則采用半敞開式掘進，通過調節螺旋機速度，使土艙內保持一定量的渣土；若開挖地層穩定性較差或地下水豐富，則采用土壓平衡模式，該模式通過控制盾構推進速度和螺旋輸送機的排土量來產生壓力，并通過測量土倉內的土壓力來隨時調整，但最大壓力不能超過3 bar，否則可能損壞主軸承密封.

新馬區間在掘進過程中，因地質勘探資料與實際情況存在偏差，掘進參數選擇不當，造成實際開挖土方量與盾構機行程不匹配，導致刀盤上方土地坍塌，引起地表沉降. 另一方面，在掘進過程中，盾構機推進速度與螺旋機轉速不匹配，推進速度較慢，但是螺旋機轉速過快，出土方量增多，造成地表沉降.

2.2 管片與地層之間的間隙

管片脫離盾尾時，由于盾構機刀盤外徑較管片外徑大，管片與土層之間產生空隙，倘若注漿不及時或注漿量、注漿壓力過小，均會造成土體失去平衡，從而引起地表沉降，部分地下水較高的區域沉降更為顯著. 此外，漿液在凝固過程中，因體積收縮會再次造成盾尾出現間隙，從而引起地表二次沉降. 新馬區間盾構機刀盤開挖直徑約為6 480 mm，而隧道使用的預制管片外徑為6 200 mm，當管片脫離盾尾后會在管片外圍與土層之間形成約140 mm 的建筑空隙，若未能進行同步注漿以及時填充、同步注漿量不足或漿液配比不當就會導致地表沉降.

2.3 管片變形和移位

盾構管片是盾構施工的主要構配件，是區間隧道的內層屏障，其質量好壞關系到隧道的整體質量和安全. 本區間隧道采用通用楔形管片拼裝式單層襯砌，先緊固環向鏈接螺栓，后緊固軸向鏈接螺栓，采用扭矩扳手緊固，由于管片螺栓緊固不足，在管片脫離盾尾后產生了一定的變形和移位，導致建筑空隙增大，從而造成地表下沉.

3 地表沉降施工控制

3.1 正確選擇掘進參數

在盾構施工過程中要嚴格按照指令進行掘進，每一環的指令必須針對實際的地質情況來制定. 新馬區間400-530 環地質為上軟下硬地層，上部為回填的中砂，下部為全風化花崗巖（密實狀），自穩性較差，選用土壓平衡模式掘進. 表1 為區間494 環至510 環掘進參數記錄表，數據顯示，500 環左右處的刀盤上部土壓、推力等參數普遍小于504 環以后處的參數，且該處地層自穩性差，可以合理解釋500 環處地表出現較大沉降的原因是掘進參數選擇不當.因此，可適當增加刀盤上部土壓，建議?。?.3～1.4）bar，推 力 ?。?3 500～14 400）kN，刀 盤 扭 矩 ?。? 200～1 900）kN·m. 同時，在掘進過程中，為了避免實際地質條件與地質勘測資料的偏差而造成掘進參數選擇不當，采用建立渣樣庫的方法，從每一環的渣土中取出一定量的渣土洗凈后存放于塑料碗中并貼上標簽，為確定合理的掘進參數提供依據.

表1 新馬區間490環至510環掘進參數記錄表

3.2 精確控制出土量

盾構機在掘進過程中，若實際開挖土方量與盾構機行程不匹配，導致刀盤上方土地坍塌，則會引起地表沉降，因此要精確控制出土量. 掘進過程中每一環的出土量是刀盤開挖產生的渣土量值. 如果推進過程中的出土量大于理論出土量，即產生超挖，則會造成地層損失從而產生地表沉降，每環實際出土方量計算方法如下：

式中：V1為每環實際出土方量（m3），M為每環渣土的出土質量（kg），ρ為地質容重（kg/m3）.

施工過程中，要求龍門吊司機記錄每次吊土時滿土箱與倒完渣土后空土箱的質量，則本環渣土的實際重量就等于滿土箱的質量之和減去本列電瓶車上一次倒土后空土箱的質量之和，根據公式：

可計算出每環渣土的出土質量，式中M1為每環滿土箱質量之和（kg），M2為本列電瓶車上一次倒土后空土箱的質量之和（kg）. 表2 即為497-503 環電瓶車各箱的出土重量值.

表2 區間497-503環出土重量（單位：t）記錄表

容重可根據試驗計算得出，即取一定量的渣土放在已知容積和重量的容器中，稱出容器和渣土的總重量，然后減去容器的重量得到渣土的質量，再除以容器的體積即可得到渣土的容重，代入公式（1），并根據已知計算的M可以計算出每一環的實際出土方量.

理論出土量V2根據刀盤開挖直徑以及每一環推進行程計算，每一環推進的理論出土方量計算公

式如下：

式中：V2為每環理論出土量（m3），D為刀盤開挖直徑（D=6.48 m），L為該環盾構機油缸行程（m），K為土的松散系數（該地層取1.3）.

通過記錄497-503 環各環油缸推進行程，代入公式（3）可計算出理論出土量，據此可得出497-503環理論出土量和實際出土量，具體結果表3所示.由表3 可知，除了502 環，其它任何一環都有V1＞V2，即產生超挖. 為此，記錄超挖環刀盤里程，當盾構同步注漿里程達到該里程時，采取加大同步注漿量以控制沉降的方法，并在該里程環脫出盾構后及時進行二次補漿.

表3 497-503環理論出土量與實際出土量計算表

3.3 合理確定注漿量和注漿壓力

盾構施工同步注漿就是在盾構掘進的同時通過設備上的注漿泵將具有一定早期及最終強度的漿液經盾尾注入管片與土層之間的空隙，盾構注漿不僅可以有效地填充管片與土體之間的空隙，控制地表沉降，還可以確保管片襯砌的早期穩定. 但是注漿量過多或過少，將會造成地表隆沉現象，因此，適宜的注漿量是確保盾構正常掘進的重要舉措. 注漿量應根據理論公式并結合盾構機參數予以確定，計算公式如下：

式中：Q為理論注漿量（m3），λ 為土質系數（一般取1.3～1.8），V為盾尾建筑空隙（m3），并按下式計算：

式中：D為盾構刀盤最大開挖直徑（m），d為預制管片外徑（m），L為預制管片長度（m）.

據此公式計算得出新馬區間每環管片的盾尾建筑空隙為：

土質系數按1.3～1.8取值，則每環注漿量為：

同步注漿壓力主要取決于地層阻力，也與地質情況、掘進參數設置、漿液稠度等因素有關. 理論上盾尾刷能承受的最大壓力為3 bar，因此注漿壓力不能過大，一般取（1～3）bar，長期過大的注漿壓力會導致盾尾刷被擊穿造成盾尾漏漿，一旦出現盾尾漏漿就會影響注漿質量，且漿液匯聚在盾尾部位難于清理. 本區間在中砂層段施工時注漿壓力取值（2～3）bar，在殘積砂質黏性土地段施工時注漿壓力通常取（1～2）bar.實際注漿壓力必須根據施工情況隨時調整，以達到最佳的注漿效果.

3.4 加強管片拼裝質量控制

管片變形引起管片錯位，從而造成地表沉降.其變形主要有兩方面的原因：一是管片拼裝質量不合格，在推進過程中千斤頂推力過大而產生；二是管片螺栓緊固程度不夠，管片在受力或者脫出盾尾時產生變形. 因此施工過程需嚴格控制拼裝質量，管片的環向錯臺須控制在5 mm 以內，縱向錯臺控制在6 mm 以內，橢圓度為5‰，此外，管片螺栓必須要用風動扳手擰緊，在下一環推進的過程中還需進行二次復緊.

4 結語

（1）單條區間隧道盾構法施工所選取的掘進參數并非一成不變，須根據地層條件和實際施工條件適時調整，建議每一環取渣樣建立渣樣庫，為精確確定掘進參數提供依據.

（2）盾構掘進過程中須嚴格控制出土量，出土量的控制要從質量和體積上進行雙控，其量值應通過公式精確計算，一旦出現超挖要加大注漿量，及時二次注漿. 掘進過程要確保每一環同步注漿量充足，若注漿量不足須及時進行二次注漿補注.

（3）嚴格控制管片拼裝質量以及推進姿態，減少管片變形、偏移或破損. 若發生偏移或破損現象，要及時糾偏或修補，并二次注入雙液漿進行止漏.