軟土地層預(yù)防地表沉降技術(shù)措施總結(jié)

摘 要：杭州望江路過江隧道下穿錢塘江，由于現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜和富水地層及粉性土等多種地質(zhì)條件，采用大直徑盾構(gòu)施工過程極易對土層產(chǎn)生擾動。在原地層受到擠壓、扭曲的情形下，地表會產(chǎn)生變形和沉降，針對此，研究在軟土地層條件下預(yù)防地表沉降的具體措施。

關(guān)鍵詞：地表沉降；土倉壓力；盾構(gòu)參數(shù)；地表監(jiān)測

中圖分類號：U455.43" " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）08-0019-03

1 工程簡介

杭州望江路過江隧道工程位于錢江三橋（西興大橋）和四橋（復(fù)興大橋）之間，為新建城市主干道，隧道全長3 240 m，其中封閉段長約2 905 m（含盾構(gòu)段長度1 830 m）。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，隧道勘探深度內(nèi)地基土劃分為10個工程地質(zhì)層，共28個亞層和5個夾層。地下水類型按其含水介質(zhì)、水動力特征及其賦存條件，主要分為第四系松散巖類孔隙水、第四系松散巖類孔隙承壓水和基巖裂隙水3類。

本路段南北兩側(cè)以江南和江北工作井為界，主要位于錢塘江水域內(nèi)，上部粉性土因河道沖刷作用，沉積厚度較薄，根據(jù)地質(zhì)條件和氣候條件，采用盾構(gòu)開挖方法。由于處于軟土地層，為此盾構(gòu)施工過程中需采取措施嚴格控制地表沉降，減小對錢塘江環(huán)境的影響，保證施工安全。

2 施工過程中地表沉降存在的問題

盾構(gòu)掘進過程中，機器的掘進及速度上的影響，會對隧道周圍土體產(chǎn)生擾動。而施工中超挖會導(dǎo)致地層出現(xiàn)損失，嚴重則會引起地面塌陷[1]。對地鐵施工的各項參數(shù)與地表沉降之間的關(guān)系進行研究，對地鐵隧道施工安全具有重要的理論意義與工程實踐價值[2]。通過分析國內(nèi)外對盾構(gòu)法施工的總結(jié)，歸納出地表沉降的原因主要有開挖斷面土體應(yīng)力變化、盾體空隙、盾尾注漿引起的土體擠壓等。因此，在施工過程中，應(yīng)密切關(guān)注地層損失狀況和相關(guān)影響因素，保證推進過程中處于正常范圍，總結(jié)面臨的相關(guān)問題，并隨后對所采取的措施進行分析。

2.1 地表沉降的相關(guān)因素

2.1.1 事前地層損失的存在

由于錢塘江地下水豐富，覆土層厚度存在差異，使得在開挖面隧道軸向產(chǎn)生滑移，造成某斷面在掘進面未到達前便已出現(xiàn)沉降。因此，盾構(gòu)機在進入該斷面前，便需要做好姿態(tài)上的調(diào)整和參數(shù)上的合理配置。

2.1.2 掘進面的地層損失

在盾構(gòu)進入開挖斷面時，其對土體的擾動最大，壓縮的土體所產(chǎn)生的應(yīng)力使得土體不斷向盾尾后移動。由于存在超挖的情況，使得此時地表沉降的程度最大。當(dāng)盾構(gòu)穿過該斷面，沉降量逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

2.1.3 盾尾空隙

盾構(gòu)通過后，若盾尾存在空隙，則會立即發(fā)生沉降。受擾動的土體應(yīng)力釋放和土壓力的彈塑性變形影響，土體本來所具有的密實度下降。在盾構(gòu)推進后，若尾部存在空隙，就會立即被周圍土體填充，進而導(dǎo)致較大的地面沉降。施工中，可通過同步注漿和二次注漿，減小空隙，防止沉降出現(xiàn)。

2.2 監(jiān)測點布控

監(jiān)控點的布控和位置如何選擇都需要進行嚴格分析和測量，以保證監(jiān)測效果精準有效并反饋及時。

2.3 人為因素的影響

人為因素是施工過程中最重要的因素，人的主觀能動行為會直接影響現(xiàn)場全過程。因此，做好技術(shù)措施預(yù)防的前提，是將人為因素將會產(chǎn)生的影響降到最低。組織人員結(jié)構(gòu)對施工有著決定性的作用。

3 預(yù)防地表沉降技術(shù)措施

為預(yù)防地表沉降現(xiàn)象，項目部在施工過程中要不斷優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)，調(diào)整盾體姿態(tài)，降低空隙存在產(chǎn)生的不良影響，并通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷進行調(diào)整，以保證各項技術(shù)措施取得效果。

由于錢塘江地層的復(fù)雜性，為適應(yīng)盾構(gòu)在全新地層中的工作，“錢江號”盾構(gòu)正式掘進前，要先在150 m范圍內(nèi)進行試掘進。依據(jù)土質(zhì)情況、覆土層厚度、富水程度等相關(guān)環(huán)境因素，初擬定整套盾構(gòu)施工參數(shù)，通過與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，不斷優(yōu)化參數(shù)直至最佳，以保證相關(guān)技術(shù)措施更為合理和匹配。

3.1 優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)

3.1.1 土倉壓力動態(tài)調(diào)整

土倉壓力直接控制開挖面土體移動狀態(tài)，通過土倉壓力的調(diào)整降低開挖面坍塌、土體損失及變形發(fā)生的嚴重程度及概率。現(xiàn)場實際掘進過程中，當(dāng)土倉壓力低于合理范圍內(nèi)，盾構(gòu)刀盤前方的地表會產(chǎn)生沉降。而高于合理范圍，地表則會出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。因此，確定盾構(gòu)土倉壓力成為控制地表沉降的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

具體土壓力計算如圖1和圖2。

切口水壓上限值計算公式如式（1）（2）所示。

Pfu=P1+P2+P3+P4" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

Pfu=P1+P2+P3" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

=γw·h+K0[（γ-γw）·h+γ·（H-h）]+20+γ水·h水

式中：Pfu為切口水壓上限值，單位kPa；P1為地下水壓力，單位kPa；P2為靜止土壓力，單位kPa；P3為變動土壓力，單位kPa，一般取 20 kPa；P4為江水壓力，單位kPa，可根據(jù)不同的水深確定；γw為水的容重，單位kN/m3；h為地下水位以下的隧道埋深（算至隧道中心），單位m；K0為靜止土壓力系數(shù)；γ為土的容重，單位kN/m3；H為隧道埋深（算至隧道中心），單位m；γ水為江水的容重，單位kN/m3；h水為江水的深度，應(yīng)根據(jù)潮汐表確定盾構(gòu)切口上方實際水深，單位m。

切口水壓下限值計算公式如式（3）所示。

Pf1=P1+P2'+P3+P4" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

=γw×h+Ka[（γ-γw）×h+γ×（H-h）]-2×Cu×" " "+20+γ水h水

式中：Pf1為切口水壓下限值，單位是kPa；P2'為主動土壓力，單位是kPa；Ka為主動土壓力系數(shù)；Cu為土的凝聚力，單位是kPa。

實際取值介于理論計算值的上下限之間，然后根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行調(diào)整。不同地層土壓力計算結(jié)果如表1所示。

K0取值參考土層特殊實驗指標一覽表建議值，粘聚力和內(nèi)摩擦角參考物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計表，砂土采用剪切實驗q平均值，黏土采用cq實驗值。因為對于砂土兩種實驗結(jié)果相差不大，黏土根據(jù)工程實驗經(jīng)驗采用cq值比采用q實驗值更合理。根據(jù)各里程水深及水壓的計算，部分里程水土壓力如表2。

試掘進過程中，通過土倉壓力的試驗和計算，將參數(shù)設(shè)定在各計算范圍內(nèi)。隨著不斷深入江底，地面附加荷載不斷產(chǎn)生變化，施工過程中在監(jiān)測到沉降或隆起現(xiàn)象即將出現(xiàn)時，須立即多次、微調(diào)參數(shù)，通過土倉壓力的合理設(shè)定，預(yù)防沉降現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.1.2 同步注漿配比合理設(shè)定

盾構(gòu)推進過程中，通過對土體表層注漿加固可以達到減小沉降、降低土體擾動的目的[3]。同步注漿漿液自盾尾注入，能夠及時填充盾構(gòu)機身等其他襯砌外圍土體空隙，降低周圍土體的影響，有效控制地表沉降。盾構(gòu)漿液必須選擇和易性號、滲水性小的漿液，并通過均勻壓注，防止對土體產(chǎn)生的壓力過大或過小。隧道注漿壓力隨著管片推進不斷變化，根據(jù)漿液配比和漿液質(zhì)量產(chǎn)生的監(jiān)測效果進行調(diào)整注漿壓力和注漿量。在壓力未處于合理范圍內(nèi)時要暫時停止推進，防止地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整

調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)是為了防止盾構(gòu)機偏離軸線距離較大。施工過程中，要防止出現(xiàn)曲線或蛇形運動，以減小盾體與周邊土體的空隙，降低對周圍土層的擾動和影響。同時，保證盾尾油脂壓注連續(xù)、足量，避免淤土從盾尾向隧道內(nèi)滲漏而造成土體流失。通過盾體姿態(tài)與盾尾空隙的管控，從而預(yù)防周圍土體隨著盾體向盾殼移動而出現(xiàn)的更大地表變形狀況。

3.3 合理嚴格管控地表監(jiān)測點

對監(jiān)測點的合理選取與監(jiān)測數(shù)據(jù)及時分析是事前和過程中預(yù)防地表沉降的保證。

3.3.1 監(jiān)控點布控動態(tài)跟進

在確保掘進參數(shù)合理的前提下，通過監(jiān)測點的多次選取與對比，得到在該地層掘進時的沉降控制參數(shù)。

在隧道中軸線上方每隔10 m設(shè)立沉降監(jiān)測點，并隨著不斷推進每50 m設(shè)立監(jiān)測斷面。根據(jù)監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)的監(jiān)測，能夠及時分析出在盾構(gòu)未達到時是否已出現(xiàn)地層損失，從而在做好各項參數(shù)合理配置的前提下進入該斷面，降低對地層的擾動，保證安全順利進出該位置。

3.3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)及時分析與糾偏

在盾構(gòu)掘進過程中，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，確認沉降程度，并與各項施工參數(shù)之間的對照分析。結(jié)合具體工程情況及時修正與糾偏，保證盾構(gòu)參數(shù)合理匹配，從而防止土體受到較大擾動、預(yù)防地表沉降。

3.4 提高過程管理與控制

施工過程中，要以合理的施工組織結(jié)構(gòu)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的隨時關(guān)注，及時調(diào)整各項相關(guān)參數(shù)，以便快速進行糾偏，以高效的過程管理預(yù)防地表沉降現(xiàn)場。為防止因操作失誤或信息不匹配等人為因素出現(xiàn)，項目部特制定相關(guān)責(zé)任人制度，確保過程管控分工更加明確，不斷優(yōu)化匹配任務(wù)，從而做到及時分析與調(diào)整，預(yù)防地表沉降。

4 結(jié)束語

施工過程中通過對施工中存在的問題進行分析與總結(jié)，不斷對土倉壓力和相關(guān)盾構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整。在不同地質(zhì)條件下密切關(guān)注監(jiān)測數(shù)據(jù)，確保“錢江號”盾構(gòu)機在推進過程中對周圍土體擾動控制在標準范圍內(nèi)，最大程度減少過程中產(chǎn)生的土體損失，從而預(yù)防地表沉降。

參考文獻

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