地鐵盾構隧道穿越現有建筑物地面變形控制措施

陶應新

（江蘇建科工程咨詢有限公司，江蘇南京 210019）

1 工程概況

合肥市軌道交通2號線區間隧道，本標段區間隧道全長單線3 866.298 m，施工采用盾構法?，F場建設環境復雜，周邊分布較多建筑物，以七層以下建筑物為主，部分區域建設有高層建筑物。銀路大酒店樁基礎與地鐵隧道距離較小，約為1.5 m，其他大部分建筑距離隧道約3.7 m。本區間屬二級階地地貌，無河流經過，主要穿越地層為硬塑性狀黏土、粉細砂、強風化砂巖，施工設備為盾構機，其運行路徑均側穿房屋建筑，容易影響建筑地面的穩定性。

2 地層沉降因素

本工程中，導致施工場地周圍出現地質沉降的主要因素是施工時出現了臨空面與空隙等現象，造成盾構隧道周邊土體發生了流失。土體含水量發生了改變，孔隙水壓力也出現了變化，造成地層固結沉降。

2.1 土體流失

計算土體流失體積時，一般都以盾構開挖施工實際開挖土體總體積與盾構隧道體積之間差值為標準（通常以其所占計算排土量百分比作為具體表示形式）。施工過程中因盾構開挖而產生土體流失時，其施工區域四周土體必然會補償已流失土體，但會引起土體結構與土體物理性質遭到破壞，導致地層出現變形或移動。

（1）實施盾構施工時，在盾構機作用下，兩側土體支持力往往小于周邊土體的原始土壓力，造成土體會受到力的作用而朝向盾構機出現移動或變形終致使盾構機上方產生地表沉降現象，形成沉降槽。

（2）一般情況下，盾構機均通過使用千斤頂實現對前方土體的推力。在使用時間變長前提下，千斤頂會出現回油現象，造成盾構機對前方土體推力越來越小。推力值減弱到比前方土壓力值更小時，就會導致前方土體出現塌落，造成土體流失。

（3）對于含水量并不具備穩定值的地層而言，如果盾構機在經過該地層后進行管片襯砌與同步注漿環節時，管片、周邊土體空隙、注漿量、注漿壓力的搭配比例不合理，會造成土體出現朝向盾構隧道方向移動流失的情況，造成地層沉降現象。

（4）在開挖隧道時，如果盾構機角度方位不按照設計要求而發生變化，會導致開挖隧道與理論所設計值出現偏差，造成土體流失。

2.2 受擾動土體的重新固結

盾構機穿過地層后，土體結構與土體含水量會相應產生變化。變化的數值會造成土體中孔隙水壓力、應力重分布出現改變時，進一步造成土體出現重新固結、漿液凝固收縮等一系列變化，導致地層發生沉降或變形。

由于盾構機在向前開挖時不可避免地擠壓前方土體，再加上同步注漿作用，會導致盾構隧道四周土體孔隙水壓力值出現急劇上升現象。盾構機通過完成施工后，孔隙水壓力會逐漸減小，使周圍地層發生固結排水現象并最終導致地層出現移動變形情況。這種因孔隙水壓力發生變化而引起地層移動或變形的現象為主固結沉降。

3 盾構機穿越建筑物的控制措施

由于受到盾構機施工過程中掌子面開挖的影響，巖土體會因受到擾動而再次固結，在地表形成沉降或隆起現象，對地表建筑物產生一定影響。保障對于盾構隧道施工會對地表沉降可能造成影響的準確性，可以更好地指導后續的各施工環節。單純預測地面沉降值并非最終目的，如何將該預測結果更好地用以指導施工并最終實現對沉降的控制，是控制的關鍵。

（1）主動控制。

對盾構施工過程各種施工參數進行對應調整，并依照地面沉降觀測結果及時調整施工各項參數，使控制地面沉降達到標準值。

（2）被動控制。

以監測所得數據為依據，若出現地層發生較大沉降或建筑物出現傾斜情況，必須使用工后壓密地層、建筑物糾偏等相關加固措施，更好地保障施工的順利進行。

3.1 施工參數的確定

盾構機運行時具有擾動作用，密切關注的是盾構通過建筑物前50 m范圍內的區域，明確該部分的掘進參數以及地面沉降狀況，生成完善的施工參數。預測盾構機在后續施工中可能出現的沉降值，確定有效的盾構掘進作業參數，以此為指導，順利推進盾構施工進程。

3.2 土壓力的控制

考慮深埋隧道和淺埋隧道兩種條件（根據隧道埋深H與盾構外徑D的關系判斷，H<2D時屬淺埋隧道，H>2D時屬深埋隧道），分別按特定的方法計算，得到土壓力P1。

（1）淺埋隧道。

上覆水的壓力完全作用在開挖面，此時土壓力：

式中：K0——平衡拱對水平穩定的安全系數；φ——圍巖內摩擦角（°）；γ——巖層的容重（m2）；h——刀盤中心至土體面的高度（m）。

（2）深埋隧道。

土體在隧道上方形成拱效應，源于上部土體的土壓力在分布狀態方面存在差異，雖然會作用于開挖面，但并非完全作用，此時砂土層地質條件與黏土層地質條件中始發段土倉壓力的計算方法：

式中：γZ——巖層的容重（m2）；K2——平衡拱對水平穩定的安全系數。

3.3 出土量的確定

根據數據展開計算，確定每環理論出渣量：

式中：D——刀盤開挖直徑（m）；L——管片長度（m）。

3.4 推進速度的控制

盾構機穿越建筑物時存在擾動作用，為保證建筑物的穩定性，適當降低推進速度，全面控制盾構總推力、刀盤扭矩等參數，將各自均穩定在合理范圍內。

經分析，確定主要參數，推進速度30～40 mm/min，總推力在15 000 kN以內，扭矩在1 800 kN·m以內。以此為基本參照，結合工程實際環境對參數靈活調整，保證其具有可行性。

3.5 掘進方向的控制

受施工現場地質條件、隧道曲線和坡度、操作規范性等多項因素的共同影響，盾構機的實際推進軸線易產生不同偏差，若未及時采取控制措施，容易影響盾構施工效果。在盾構施工過程中，應采取有效的控制措施，從源頭上保證掘進方向的合理性，檢測并糾正掘進偏差。

（1）應用隧道自動導向系統。

系統包含導向裝置、顯示器、掘進程序軟件等，通過硬件與軟件的聯合應用，及時監測盾構機的實際位置，并對比分析其與隧道設計軸線的關系（偏差）。得到監測結果后，有利于操作人員控制盾構機的掘進方向，主動糾偏，確保盾構施工全過程中偏差均被控制在許可范圍內，最終取得良好的盾構掘進施工效果[1]。

盾構推進施工期間，導向系統后視基準點適時前移，此時安排人員測量，根據結果采取控制措施。每班組交接班時均安排管片姿態檢查工作，以便采取控制措施，有效消除偏差，避免偏差處理不及時而逐步累積的情況。

（2）分區操作盾構機推進油缸。

分區操作推進油缸，有效協調，實現對掘進方向的精準控制，使盾構機沿著既定的路線向前掘進。

①直線平坡段掘進過程中，有效穩定油缸的推力和速度，使兩項參數盡可能保持一致；上坡段掘進，加大下部油缸的推力和速度；下坡段掘進，加大上部油缸推力和速度；左轉彎路段，加大右側油缸的推力和速度；右轉彎路段，加大左側油缸的推力和速度。

②盾構掘進施工范圍內存在均勻的地質條件時，各油缸的推力和速度均相同；若地質條件存在差異（軟硬不均），以地層的實際特性為準，靈活采取調控方法。軟地層一側油缸的推力和速度減小，硬地層一側的兩項數值適當加大，使盾構機有效適應錯綜復雜的地質條件[2]。

③盾構掘進方向的控制采取蛇形修正的方法，且以循序漸進的方式完成。直線推進時，確定盾構點位與位于設計線遠方的一點，將兩者形成一條直線，再以此為基準進行線性管理，有效提高線性控制精度，保證線形的合理性。

④合理選擇管片點位，由專員操作，切實保證拼裝質量，著重考慮管片斷面，需要與掘進方向呈垂直位置關系。

3.6 盾構姿態糾偏

加強對盾構姿態的檢測，根據實際情況對盾構機的姿態進行合理調整，盡可能減小偏差。

（1）以分區的方式操作推進油缸，利用此方法靈活組合油缸，對盾構機的姿態進行靈活調整，確保盾構機的方向具有合理性。

（2）滾動超限時，盾構機及時感應并發出報警，根據實際情況正反轉刀盤，采用此方法糾正滾動偏差，有效消除滾動超限問題。

4 結語

綜上所述，在城市地鐵工程施工中，盾構下穿為重要內容，該處的施工質量將直接對工程的整體品質產生影響。盾構下穿環境復雜，現場地質、水文等自然條件會對盾構施工造成影響，不利于盾構施工進程的順利推進，此時上方建筑物也容易失穩，采取控制措施至關重要。本文對變形控制措施進行分析，提出一些工作要點，希望可以為類似工程提供參考，以便在盾構下穿施工時有效保證建筑物的穩定性。