地鐵隧道盾構(gòu)法施工中地層沉降問題分析及控制措施研究

王贏

摘 ?要：盾構(gòu)法施工由于其自動(dòng)化程度高，人工作業(yè)成本較低，掘進(jìn)速度也較其他幾種方法快，不受季節(jié)和天氣的影響，施工過程噪音低，對(duì)地面建筑物影響程度小等優(yōu)點(diǎn)，從而成為地鐵隧道建設(shè)中使用頻率最高的一種施工方法。地鐵隧道施工過程中，地表沉降直接影響地鐵隧道和周圍建筑物的安全，因而對(duì)地鐵隧道沉降監(jiān)測(cè)值進(jìn)行分析是至關(guān)重要的。本文主要就地鐵隧道盾構(gòu)法施工中地層沉降問題分析及控制措施進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：地鐵;隧道;盾構(gòu)法施工;地層沉降

引言

對(duì)于城市地下工程的修建而言，通常有盾構(gòu)法、礦山法、新奧法和明挖法，不同施工方法的適用條件和優(yōu)劣勢(shì)也會(huì)有所不同。盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)更為完備、成熟，正朝著工程的大型斷面、特殊斷面、超大深度、超長(zhǎng)距離方向快速發(fā)展，也向著操作智能化、自動(dòng)化，掘進(jìn)過程高效化的方向發(fā)展。因城市地鐵主要是為了方便人們出行，因此地鐵建設(shè)多數(shù)位于交通要道和人員密集區(qū)域，周圍環(huán)境復(fù)雜，容易影響到地下管線和地表建筑物。隧道施工時(shí)， 除了要保證施工人員人身安全，還要盡可能地保證地下管線及地上建筑物不受影響，減少對(duì)人們?nèi)粘Ｉ畹母蓴_。盾構(gòu)施工工藝復(fù)雜，控制因素多，常出現(xiàn)土體擾動(dòng)，形成地表的塌陷或隆起、地層的不規(guī)則移動(dòng)等現(xiàn)象。一旦盾構(gòu)施工中產(chǎn)生的地層沉降超出一定閾值，將會(huì)導(dǎo)致地面上的房子等建筑傾斜，橋面、路面等斷裂，危及周邊群眾的生命安全。

1地鐵盾構(gòu)施工引起地表沉降原因及影響因素分析

1.1地層沉降原因

1.1.1地層損失

地層損失可分為三類：其一是正常損失，正常損失無(wú)法避免，前提是技術(shù)或施工人員的操作流程符合操作規(guī)范，排除人為影響，而受地層環(huán)境復(fù)雜和施工方式的單一化的影響產(chǎn)生的地層損失，該損失具有隨機(jī)性因素，因此造成的沉降較為均勻;其二是不正常損失，因施工環(huán)境的復(fù)雜多變，技術(shù)或施工人員出現(xiàn)操作上或技術(shù)上的錯(cuò)誤造成的地層損失;其三是破壞性損失，由于不良土質(zhì)導(dǎo)致盾構(gòu)開挖面不穩(wěn)定而發(fā)生土體大量流動(dòng)或大面積的崩坍，所引起破壞性的地表沉降。

1.1.2受擾動(dòng)土體的重新固結(jié)

受擾動(dòng)土體固結(jié)沉降的主要受孔隙水壓、土體攪動(dòng)、管片滲漏水等影響產(chǎn)生的，產(chǎn)生兩種沉降形式，一種為主固結(jié)沉降，另一種為次固結(jié)沉降，主要因?yàn)閮烧叱两翟虿煌罢咧饕煽椎拈g隙水壓力不同而產(chǎn)生的;后者主要由土體蠕變過程中因壓縮變形而產(chǎn)生的。

1.2地表沉降的影響因素分析

1.2.1開挖面土體移動(dòng)

在開挖面土體盾構(gòu)掘進(jìn)過程中造成的地表沉降，主要由土體水平支護(hù)應(yīng)力小于重力或是盾構(gòu)無(wú)法承受掌子面前方土體的側(cè)向力而導(dǎo)致盾構(gòu)前上方隆起而產(chǎn)生沉降。

1.2.2 盾構(gòu)超挖

在施工期間，盾構(gòu)超挖使得盾構(gòu)殼周圍產(chǎn)生空隙，而千斤頂自鎖性能差導(dǎo)致盾構(gòu)后退，空隙處土體移動(dòng)而產(chǎn)生土壓平衡失效，造成地層沉降。

1.2.3土體擠入盾尾空隙

在含水量變動(dòng)的地層中，土體擠入盾尾空隙的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。由于千斤頂在推動(dòng)盾構(gòu)向前的同時(shí)會(huì)在盾尾處產(chǎn)生的縫隙，而該縫隙一旦注漿不及時(shí)或參數(shù)不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)土體平穩(wěn)性失常，從而引發(fā)地層損失。

1.2.4盾構(gòu)殼與周圍土體之間的摩擦

由于部分地質(zhì)具有粘結(jié)性，被千斤頂推動(dòng)著的盾構(gòu)殼在向前掘進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種方式的摩擦力。第一種產(chǎn)生于盾構(gòu)機(jī)與周圍土體之間產(chǎn)生的前向摩擦力，會(huì)致使周圍土體發(fā)生水平位移。第二種產(chǎn)生于盾構(gòu)機(jī)與前方的土體的壓力，使前面土體運(yùn)動(dòng)方向向前或周圍移動(dòng)。兩種方式的綜合影響，最直觀的現(xiàn)象就是地表土體隆起。與此同時(shí)，部分土體具有收縮性質(zhì)，也會(huì)導(dǎo)致地面沉降。

1.2.5水土壓力或地質(zhì)條件突變

水壓力導(dǎo)致混凝土管片變形而產(chǎn)生的底層移動(dòng)或是地質(zhì)條件突變時(shí)，導(dǎo)致開挖面的形變產(chǎn)生地層損失而產(chǎn)生沉降。

2地鐵盾構(gòu)施工中地層沉降控制措施

2.1選擇適宜的掘進(jìn)模式

施工條件的差異化導(dǎo)致掘進(jìn)模式選擇的多樣化，不恰當(dāng)?shù)木蜻M(jìn)模式易造成不同程度的沉降。盾構(gòu)機(jī)可以在土壓平衡、半敞開和敞開式三種模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，模式的選擇主要根據(jù)不同的地質(zhì)條件所對(duì)應(yīng)的施工參數(shù)。

2.2控制掘進(jìn)速度

掘進(jìn)速度需要考慮到地質(zhì)條件且盡量使土體切削，一般推進(jìn)速度處于20～30mm/min 之間。

2.3優(yōu)化施工參數(shù)

2.3.1 合理設(shè)置土壓力值

隧道覆土厚度不同產(chǎn)生的土艙壓力也會(huì)有差異，在盾構(gòu)刀盤面施加的土壓力勢(shì)均力敵的條件下，土體不會(huì)受太大攪動(dòng)，地層位移和沉降問題也基本不會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)原靜止土壓力無(wú)法承受盾構(gòu)刀盤面施加的壓力，則土體易在壓力差下會(huì)產(chǎn)生形變和位移，從而導(dǎo)致地面的隆起。開挖面的穩(wěn)定和倉(cāng)內(nèi)外土體的壓力差值、出土量有著相互關(guān)聯(lián)。通常控制兩者來穩(wěn)定開挖面。開挖面前方土體受干擾的范圍與開挖面的穩(wěn)定性有關(guān)，因此，控制土艙內(nèi)壓力，保持比土體壓力要高，以減少開挖面對(duì)土體的攪動(dòng)。施工中，需要對(duì)特定地層的目標(biāo)土壓實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)控與測(cè)量，控制開挖面的土壓在合理的范圍內(nèi)變化。一旦目標(biāo)壓力值波動(dòng)出現(xiàn)偏差，通過開挖面周圍土壓和出土量及時(shí)修正。

2.4注漿施工技術(shù)

注漿施工技術(shù)就是在盾構(gòu)法施工工程中，使用注漿泵將漿液注入襯砌片之間的空隙之中以此用漿液達(dá)到填充的作用，幫助固定襯砌管片，維持地表的位置，防止地表的上下位移。由于漿液在干了以后能夠起到粘貼的作用，因此在工程后也能保證管片襯砌的穩(wěn)定性。可以說注漿施工技術(shù)是一種輔助性手段，在傳統(tǒng)的隧道施工過程中，彌補(bǔ)盾構(gòu)法的不足，達(dá)到維持地表以及附近的建筑及環(huán)境的穩(wěn)定與安全。從這個(gè)意義上來說，注漿施工技術(shù)是盾構(gòu)法在隧道施工中必不可少的一項(xiàng)技術(shù)，是防止地表沉降的有利方式。

2.4.1一次注漿技術(shù)

一次注漿技術(shù)指的是將漿液填充進(jìn)土體與管片之間的縫隙中，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)都有較高的穩(wěn)定性。注漿方式有兩種：一是使用注漿管將漿液注入目的區(qū)域，二是用漿液填充管片的空隙。有的施工路線所處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，地質(zhì)中包含的土質(zhì)種類比較多，包括淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、風(fēng)化花崗巖等。對(duì)于這種土質(zhì)結(jié)構(gòu)建議使用第一種方法。施工過程中要按照規(guī)定要求安置注漿管道，保證管道表面潔凈。注漿管的位置一般處于盾構(gòu)外圍。工作人員需要實(shí)時(shí)觀察管內(nèi)情況，了解其干燥潔凈度。防止?jié){液堵塞管道，確保同步注漿技術(shù)的穩(wěn)定性。應(yīng)用第二種方法時(shí)要保證管片完全脫出。先考慮多環(huán)掘進(jìn)，確保施工的連續(xù)性。必要時(shí)及時(shí)補(bǔ)充漿液，讓漿液不間斷地填充空隙。第二種方法適用于比較穩(wěn)定的軟巖地質(zhì)，其效率和安全性更高。采用一次注漿技術(shù)時(shí)，要充分考量實(shí)際地質(zhì)條件，設(shè)置合適的機(jī)械設(shè)備參數(shù)。分析數(shù)據(jù)計(jì)算盾構(gòu)直徑，保證注入方式發(fā)揮最大效用。

2.4.2二次注漿

需要二次注漿的有以下幾種情況：①第一次填充未充分;②第一次注漿量出現(xiàn)縮減情況;③提高結(jié)構(gòu)抗?jié)B透能力。（1）漿液通常選用水泥漿和水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比取l∶l，水玻璃加量60%～100%。需要通過實(shí)驗(yàn)確定水玻璃的用量，大多以漿液初凝時(shí)間為準(zhǔn)，為預(yù)防出現(xiàn)不良情況，需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。規(guī)定1h 后的單軸抗壓強(qiáng)度為0.1MPa 左右。（2）注漿壓力只有在注入壓力的推動(dòng)下，漿液才能順利注入，但要控制注漿壓力不超過0.4MPa。

2.4.3同步注漿管理

為在地鐵隧道施工過程中科學(xué)規(guī)范地使用注漿技術(shù)，工作人員需要對(duì)漿體的質(zhì)量嚴(yán)格把控。盾構(gòu)過程中，空隙最易產(chǎn)生的地方是管片和土體之間，縫隙進(jìn)一步導(dǎo)致地表沉降。同步注漿技術(shù)可緩解地表沉降帶來的影響。同步注漿管理是盾構(gòu)施工過程的重要一環(huán)。首先，工作人員應(yīng)確保漿液有優(yōu)質(zhì)的防水性與和易性，還要確保漿液達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。最后采用科學(xué)合理的方法注入和壓入漿液，確保將漿液填充縫隙時(shí)，壓力符合和地面變形閾值。工作人員根據(jù)參數(shù)調(diào)節(jié)壓力，實(shí)現(xiàn)同步作業(yè)。選擇同步注漿材料時(shí)，要確保材料的質(zhì)量和性能都符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，保證施工的順利進(jìn)行。材料需要具有流動(dòng)性好、凝固時(shí)間靈活、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。還要保證材料不會(huì)產(chǎn)生毒害氣體，不會(huì)破壞周圍環(huán)境。一段時(shí)間后觀察材料的體積收縮情況，若無(wú)收縮，表明該材料的強(qiáng)度符合要求。同步注漿是指在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)置的注漿管內(nèi)提前放置好漿液，以便在盾構(gòu)掘進(jìn)中產(chǎn)生盾構(gòu)空隙時(shí)，通過盾構(gòu)機(jī)內(nèi)置的漿液直接從盾構(gòu)機(jī)尾部向壁后注漿，目的是加固地層形成支撐力，減少盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行過程中隧道周圍土地?cái)_動(dòng)，降低地層損失，避免隧道塌陷。注漿壓力與漿液物化性質(zhì)、土倉(cāng)內(nèi)壓、管片物理性質(zhì)和設(shè)備性能有關(guān)，最關(guān)鍵是受地層阻力影響。

注漿壓力通常設(shè)置在0.1～0.3MPa 之間，具體數(shù)值要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況具體設(shè)置。不同的地層情況，注漿壓力也會(huì)有所不同。一般全風(fēng)化地層注漿壓力設(shè)置在1.5～3.0bar 之間;中風(fēng)化地層設(shè)置在1.0～1.5bar 之間。受管片的抗剪切特性影響，一般注漿壓力設(shè)置需不大于1MPa。管片注漿一方面可以控制隧道變形，另一方面可以提升防滲能力。注漿漿液應(yīng)具備以下幾點(diǎn)性能：①漿液填充性強(qiáng);②漿液和易性強(qiáng);③漿液初凝時(shí)間短且初凝早期強(qiáng)度較高;④漿液粘稠度適中。

結(jié)束語(yǔ)

本文通過分析地層沉降的原因及影響因素，提出相應(yīng)的控制措施，能有效控制地表沉降對(duì)周圍建筑物的影響，為同類型項(xiàng)目提供參考和借鑒。

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