地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降控制研究

唐超 羅榮

（中交一公局廈門工程有限公司,福建 廈門 361000）

引言

城市軌道交通線路不可避免地在空間上與其他既有結(jié)構(gòu)發(fā)生交叉，其中，盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路路基為典型工況，相關(guān)工程實(shí)例越來越多。盾構(gòu)隧道在施工過程中將引起地層擾動，造成地表沉降，進(jìn)而使既有鐵路結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降變形。鐵路結(jié)構(gòu)微小的沉降變形可能對列車運(yùn)營安全造成非常大的影響，故列車運(yùn)行對鐵路結(jié)構(gòu)沉降變形的要求非常嚴(yán)格。我們了解到，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。基于此，本文首先分析了地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降成因，接下來對地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降控制方法做具體論述。詳情如下：

一、盾構(gòu)機(jī)選型

盾構(gòu)機(jī)的選型主要是考慮地層滲透系數(shù)。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)小于10-7cm/s時(shí)，可以選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B水系數(shù)在10-7cm/s和10-4cm/s之間時(shí)，既可以選用土壓平衡盾構(gòu)也可以選用泥水式盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)大于10-4cm/s時(shí)，宜選用泥水盾構(gòu)。泥水平衡盾構(gòu)在主要為高水壓飽和粉細(xì)砂地層中對控制開挖工作面穩(wěn)定性、地表沉降方面及保證施工進(jìn)度方面明顯優(yōu)于土壓平衡盾構(gòu)，更能保證施工安全。從施工場地方面來講，土壓平衡盾構(gòu)不需泥漿處理場，施工占地少，對環(huán)境的影響相對較小，每米綜合價(jià)格相對較低。而泥水平衡盾構(gòu)需泥漿處理場，需要較大施工場地，對周邊環(huán)境影響較大，且泥漿處理費(fèi)用昂貴，故每米綜合價(jià)格相對較高。

二、地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降成因

地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降成因主要涉及以下兩個方面：首先是土層擾動沉降。土層擾動沉降是整個施工中最核心的沉降原因之一，盾構(gòu)機(jī)通過之前、通過過程和通過之后，土層參數(shù)會產(chǎn)生一定程度上的變化，這一擾動即所謂的土層擾動沉降過程。其次是管片圓環(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。然后是管片脫出盾尾后與地層存在間隙，引起地表發(fā)生沉降。

三、地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降控制方法

（一）出渣工作的控制

地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降控制方法之一是出渣工作的控制。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)量測量和體積測量兩種方法完成任務(wù)，其中質(zhì)量測量是同時(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。體積測量方法則需要測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)的渣土改良劑，尤其是對于沙石土層來說，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)。

（二）地表沉降變形控制

地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降控制方法之二是地表沉降變形控制。盾構(gòu)隧道通常使用單層鋼筋混凝土管片作為襯砌結(jié)構(gòu)。由于環(huán)境問題和人口密度的增加，為了保護(hù)盾構(gòu)隧道施工的安全，可以在混凝土管片襯砌內(nèi)再作一層整體式現(xiàn)澆鋼筋混凝土內(nèi)襯，形成雙層襯砌結(jié)構(gòu)，以共同承受外力減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形。根據(jù)有限元模擬得出的結(jié)果，采用雙層襯砌，結(jié)構(gòu)的安全性會大大提高，但考慮到理論與實(shí)際之間存在差異，仍然需要采取一定的地表沉降控制措施。可根據(jù)實(shí)際施工條件及施工環(huán)境，采取嚴(yán)格控制土倉壓力、保持開挖面內(nèi)外土壓力平衡、調(diào)整刀盤扭矩及掘進(jìn)速度、渣土改良以及二次注漿等措施控制地表變形。

（三）土壓的合理設(shè)置

地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降控制方法之三是土壓的合理設(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)壓力三個部分，對于地層的土壓力，需要通過對于土層的各類參數(shù)以及不同土層的運(yùn)行情況完成相應(yīng)的核算工作。對于地下水壓，使用觀測井法可進(jìn)行測定。對于預(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)動進(jìn)行相應(yīng)的核算工作。而對于沙石土，由于沉降的增量以及垂直的擴(kuò)展速度在整個盾構(gòu)機(jī)上方處于最大狀態(tài)，所以要按照實(shí)際的測量經(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。

（四）沉降觀測

地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降控制方法之四是沉降觀測。盾構(gòu)隧道施工過程中必定會對附近地表和周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，因此，為確保施工安全和周圍環(huán)境的穩(wěn)定，施工中建立全面、嚴(yán)密的監(jiān)測體系是非常必要的，通過全面、及時(shí)的監(jiān)測信息反饋指導(dǎo)施工，不僅可保證主體結(jié)構(gòu)自身的安全穩(wěn)定，還可對周邊環(huán)境影響進(jìn)行有效控制，減少施工對周邊建(構(gòu))筑物、路面及管線等周圍環(huán)境的影響，從而有效地將施工控制在安全范圍之內(nèi)。

盾構(gòu)法施工或多或少都會擾動地層而引起地表沉降，即使采用目前先進(jìn)的盾構(gòu)技術(shù)，要完全消除地面沉降也是不太可能的。地面沉降量達(dá)到某種程度就會危及周圍的地下管線和建筑物。因此要了解：

1.盾構(gòu)施工過程中地表隆陷情況及其規(guī)律性；

2.盾構(gòu)掘進(jìn)過程因地表隆陷而引起的建筑物、地下管線下沉及傾斜情況，確保建筑物、地下管線的安全；

3.施工過程中地層不同深度的垂直變形與水平變形情況；

4.圍巖與結(jié)構(gòu)物的相互作用力以及管片襯砌的變形情況，實(shí)現(xiàn)信息化施工。

盾構(gòu)施工監(jiān)測貫穿工程施工全過程，各監(jiān)測項(xiàng)目在施工開始前取得初始值，施工開始后按要求的頻率進(jìn)行監(jiān)測。影響范圍內(nèi)建（構(gòu)）筑物沉降、傾斜監(jiān)測項(xiàng)目監(jiān)測范圍取區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)邊緣兩側(cè)各1.0～2.0H（H為隧道埋深）范圍內(nèi)；

影響范圍內(nèi)的地下管線對給水、污水、雨水等管線按實(shí)際監(jiān)測；監(jiān)測范圍取區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)邊緣兩側(cè)各2.0H（H=Hi+D，Hi為區(qū)間盾構(gòu)隧道埋深，D為洞徑）范圍；影響范圍內(nèi)地表沉降測點(diǎn)布置范圍為區(qū)間盾構(gòu)軸線外側(cè)3m、6m、6m布置，其中最后一個測點(diǎn)位置根據(jù)隧道埋深調(diào)整。當(dāng)工程施工結(jié)束后2個月，施工影響安全的因素消除，本工程隧道本體工程完工且周邊環(huán)境沉降（變形）穩(wěn)定后（即地表沉降速率1mm/30d，建筑物速率為4mm/100d），并滿足設(shè)計(jì)圖紙、相關(guān)規(guī)范要求，由施工監(jiān)測單位提交監(jiān)測工作停測申請單，附監(jiān)測項(xiàng)目成果報(bào)表至第三方監(jiān)測單位復(fù)核，附第三方監(jiān)測項(xiàng)目成果復(fù)核報(bào)表，審核完成后報(bào)監(jiān)理單位審核對兩方數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，比對無誤后，由監(jiān)理單位召集相關(guān)參建單位商定，形成停止監(jiān)測會議紀(jì)要。相應(yīng)的監(jiān)測工作即結(jié)束。

（五）在地鐵盾構(gòu)施工中應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

地鐵盾構(gòu)施工時(shí)的地層沉降控制方法之五是在地鐵盾構(gòu)施工中應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)。在實(shí)際盾構(gòu)施工過程中，由于地下與地面信息不暢，若只通過電話通訊無法將地下施工情況實(shí)時(shí)的反饋給地面管理人員及其他相關(guān)單位，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)被用來有效反饋地下施工狀況及掘進(jìn)參數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)異常，比如施工過程中出現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)失衡、涌水涌沙等情況，地面管理人員及相關(guān)單位可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)及時(shí)了解情況采取措施糾正。同時(shí)，施工監(jiān)測及第三方監(jiān)測實(shí)施將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控平臺，可以讓參建各方及時(shí)了解地面沉降情況，并根據(jù)地表沉降情況設(shè)置合理的掘進(jìn)參數(shù)，以便有效地控制地表沉降，提高地鐵隧道施工的安全。

結(jié)語：

綜上，隨著城市的發(fā)展，地鐵在城市公共交通系統(tǒng)中的地位愈發(fā)重要。隨著地鐵里程的不斷增大，地鐵覆蓋范圍越來越廣，地鐵已不單單是城市中心區(qū)域獨(dú)有的交通方式。在向城市周邊及郊區(qū)擴(kuò)展的過程中，地鐵線路下穿鐵路路基的情況時(shí)有發(fā)生盾構(gòu)法是修建地鐵的常用方法，其優(yōu)點(diǎn)是施工速度快，自動化程度高，對地面交通不造成影響等.研究發(fā)現(xiàn)，在下穿鐵路路基施工過程中，各盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對路基沉降變形的影響程度由大至小依次為注漿層厚度、注漿壓力、盾構(gòu)推力、注漿層彈性模量。在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，應(yīng)及時(shí)填充盾尾間隙，并保證相對充足的注漿量。同時(shí)，通過沉降觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來確定合理的掘進(jìn)參數(shù)，控制合理的出土量，對渣土進(jìn)行改良來降低地層損失率，以保障施工過程中地表沉降在可控范圍之內(nèi)，提高地鐵盾構(gòu)施工的安全技術(shù)水平。希望本文研究所得的對之后的項(xiàng)目設(shè)計(jì)以及開展提供有意義的價(jià)值。