隧道盾構(gòu)施工中地表沉降變形及控制措施探討

陳 鶴

（中鐵十九局集團(tuán) 第二工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

1 隧道盾構(gòu)施工中地表沉降變形分析

1.1 地表沉降變形的原因

淺埋隧道、松軟地質(zhì)條件下，盾構(gòu)施工對(duì)土體的擾動(dòng)將到達(dá)地表，即施工地表沉降變形。盾構(gòu)施工引起的地表沉降變形因素眾多，如門(mén)挖面坍塌、過(guò)大的推力、地下水位降低、施工偏離中線、超挖、周?chē)馏w的擾動(dòng)、與周?chē)馏w的摩擦、盾尾空隙的產(chǎn)生、背后注漿壓力及注漿效果、管片的變形、管片漏水等。

地表沉降變形的原因中，以開(kāi)挖面的土體移動(dòng)和土體擠入盾尾間隙為主要原因。而在一定條件下，開(kāi)挖面土體移動(dòng)量與盾構(gòu)土倉(cāng)的壓力相關(guān)，土體擠入盾尾間隙量與盾尾同步及補(bǔ)充二次注漿效果相關(guān)。在影響地表沉降變形的各因素中，土體及襯砌材料的力學(xué)性質(zhì)可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，土倉(cāng)壓力在施工時(shí)可以人為控制，最難確定而又對(duì)地表位移有著重要影響的是盾尾空隙、土體向盾尾空隙的自然充填及注漿后漿體的分布情況和隧道壁面受擾動(dòng)的程度和范圍。

1.2 地表沉降變形的分類(lèi)

（1）先行沉降，盾構(gòu)到達(dá)之前早就產(chǎn)生的沉降；

（2）開(kāi)挖面前變形，盾構(gòu)開(kāi)挖面前不遠(yuǎn)地表產(chǎn)生的隆起、沉降變形；

（3）開(kāi)挖面處變形，盾構(gòu)施工通過(guò)處產(chǎn)生的變形；

（4）開(kāi)挖面后變形，盾構(gòu)通過(guò)后地表產(chǎn)生的變形；

（5）后期沉降變形，盾構(gòu)通過(guò)后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的地表沉降變形。

1.3 地表沉降變形的產(chǎn)生機(jī)理

（1）先行沉降：盾構(gòu)到達(dá)之前早就產(chǎn)生的沉降，一般來(lái)說(shuō)，主要是地鐵施工造成的地下水位下降，導(dǎo)致前方失水或部分失水沉降；

（2）開(kāi)挖面前變形：盾構(gòu)開(kāi)挖面前不遠(yuǎn)地表產(chǎn)生的隆起、沉降變形，主要是盾構(gòu)掘進(jìn)施工產(chǎn)生的，土倉(cāng)內(nèi)土壓過(guò)高或推力過(guò)大造成前方隆起，反之，出土過(guò)快，土倉(cāng)內(nèi)失水、失壓引起前方沉降；

（3）開(kāi)挖面處變形：盾構(gòu)施工通過(guò)處產(chǎn)生的地表沉降變形，也是由于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工產(chǎn)生的，掌子面失穩(wěn)、超挖、偏離中線等均可造成地表沉降變形；

（4）開(kāi)挖面后變形：盾構(gòu)通過(guò)后地表產(chǎn)生的變形，主要是跟盾尾空隙充填及時(shí)性和充填效果有關(guān)，大部分表現(xiàn)為地表下沉，個(gè)別注漿壓力過(guò)大、注漿量過(guò)大也會(huì)引起地表隆起；

（5）后期沉降變形：盾構(gòu)通過(guò)后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的地表沉降變形，主要是由盾構(gòu)施工引起土體的松動(dòng)、擾動(dòng)隨時(shí)間再次固結(jié)造成的地表沉降變形。

2 隧道盾構(gòu)施工中地表沉降變形的控制措施

主動(dòng)控制和被動(dòng)控制是兩種常規(guī)的變形控制方法。主動(dòng)控制是指在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，先對(duì)鄰近建(構(gòu))筑物采取實(shí)時(shí)保護(hù)措施，例如，在盾構(gòu)機(jī)不斷推進(jìn)時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)地表沉降數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。被動(dòng)控制通常是指在地層出現(xiàn)了大的沉降，或者是地面建(構(gòu))筑物發(fā)生較大的不均勻沉降時(shí)，對(duì)建(構(gòu))筑物進(jìn)行加固或糾偏等措施，使其恢復(fù)到正常的變形范圍內(nèi)。這種處理措施是沉降治理的方式之一，應(yīng)盡量避免在工程中使用。

2.1 設(shè)計(jì)選線的控制方面

當(dāng)用盾構(gòu)法對(duì)隧道區(qū)間進(jìn)行施工時(shí)，要充分考慮到含水軟弱地層和地面建筑的影響，盡可能的避開(kāi)建筑群，并且使隧道線路處于地表均勻沉降區(qū)內(nèi)。對(duì)于不同時(shí)施工的雙線隧道，在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮二次沉降的影響，并且正確估計(jì)地表沉降及其危害。在條件允許的情況下，盡量通過(guò)監(jiān)測(cè)和測(cè)量取得盾構(gòu)施工后的地表沉降及隆起值。

2.2 艙內(nèi)壓力的控制方面

對(duì)于土壓平衡式盾構(gòu)施工方法，其原理是在盾構(gòu)推進(jìn)的過(guò)程中，依靠盾構(gòu)前方土體壓力和艙內(nèi)土體壓力相平衡來(lái)保持開(kāi)挖面的土體穩(wěn)定。通過(guò)大量工程實(shí)踐得知，由于在盾構(gòu)推進(jìn)的過(guò)程中，土壓受到推進(jìn)速度、排土量和千斤頂頂力等的影響會(huì)發(fā)生波動(dòng)，因此土壓平衡是一種動(dòng)態(tài)的平衡，可以通過(guò)控制排土量和艙內(nèi)外土體壓力差值的大小要實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖面的穩(wěn)定。

開(kāi)挖面的穩(wěn)定，可以減小前方土體的松動(dòng)或擠壓造成的土體擾動(dòng)。在盾構(gòu)推進(jìn)的過(guò)程中，應(yīng)該一直保持正面靜止水、土壓力之和略小于密封艙內(nèi)的壓力，這樣才能盡可能的減小開(kāi)挖面土體的擾動(dòng)。

2.3 盾尾建筑空隙的控制方面

管片施工質(zhì)量的好壞是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵因素之一。管片的強(qiáng)度、尺寸和預(yù)留孔道位置等都需要嚴(yán)格控制。防水處理也必須做好，這樣才能保證盾構(gòu)具有良好的抗?jié)B性。

確保注漿數(shù)量，控制注漿壓力。由于注漿材料會(huì)發(fā)生收縮，因此注漿量必須大于理論建筑空隙的體積，一般應(yīng)該超過(guò)理論值的l0%左右；如果在注漿材料中摻加膨脹劑，則實(shí)際注漿量可以等于理論注漿量。

改進(jìn)壓漿材料性能。拌漿站在施工時(shí)，要對(duì)漿體進(jìn)行強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間和收縮量等進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，選擇合適的配合比。注漿材料抗?jié)B性的好壞影響到隧道的防水能否成功，因此需要嚴(yán)格把握。

土體受到卸荷而發(fā)生擾動(dòng)的程度與是否存在盾尾間隙有關(guān)。通過(guò)同步注漿和二次注漿能夠減小土體擾動(dòng)程度。在盾構(gòu)向前推進(jìn)時(shí)，需要及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)，從而達(dá)到控制沉降的目的。進(jìn)行同步注漿時(shí)，需要嚴(yán)格注漿壓力，從而確保注漿是填充土體間隙而不是由于過(guò)大的壓力而是土體被劈裂。根據(jù)已有的施工經(jīng)驗(yàn)，注漿壓力一般取為1.1-1.2倍靜止土壓力比較合適。

2.4 開(kāi)挖面地層擾動(dòng)的控制方面

施工之前就要調(diào)查施工區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)概況，尤其是要清楚地下水的來(lái)源、流量和流向，為施工做好準(zhǔn)備，及早制定控制地表沉降變形的預(yù)防措施和防水、堵水的具體方案以及坍塌應(yīng)急處理方案，在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)能夠有效應(yīng)對(duì)。

加快施工速度，并保證連續(xù)性。盾構(gòu)機(jī)停止向前推進(jìn)時(shí)，正面土壓力導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)發(fā)生后退，盡管后退量可以采取支撐或者加固來(lái)減少，但還是不可避免的。所以，做好施工組織，避免盾構(gòu)機(jī)停止運(yùn)作，提高開(kāi)挖工程的施工速度，對(duì)減少地表沉降變形有積極地作用。如果盾構(gòu)機(jī)在施工過(guò)程中需要檢修或者其他原因不得不暫停作業(yè)時(shí)，必須要采取防止后退的措施，正面和盾尾要封閉，盡可能地減少暫停作業(yè)期間的地表沉降。

盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)時(shí)，要控制好開(kāi)挖面的出土量，避免超量。嚴(yán)格控制了出土量，地表沉降的控制還是可能的。依照在軟粘土中盾構(gòu)施工中的工程經(jīng)驗(yàn)，采用擠壓式盾構(gòu)，要是地表不發(fā)生隆起，出土量要控制在理論土方量的80-90%。

施工過(guò)程中用合理的正面支撐控制土體的坍塌，保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。條件允許時(shí)，要盡量使用先進(jìn)的不會(huì)改變地下水位的土壓平衡式盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)行開(kāi)挖，這樣可以減少土體由于地下水位發(fā)生變化而引起擾動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

隧道盾構(gòu)施工技術(shù)經(jīng)過(guò)發(fā)展，已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，由于盾構(gòu)施工引起的周?chē)ㄖ锏膿p壞也在減輕，但是盾構(gòu)施工還是會(huì)不可避免地引起地層的擾動(dòng)，引起地層變形以及地面的沉降。地層擾動(dòng)導(dǎo)致的土體強(qiáng)度和壓縮模量的降低將會(huì)引起長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的固結(jié)和次固結(jié)沉降。當(dāng)?shù)貙幼冃纬^(guò)一定范圍時(shí)，就會(huì)危及到鄰近建筑物和地下管網(wǎng)的安全，進(jìn)而引起一系列的巖土環(huán)境問(wèn)題。由此可見(jiàn)，研究盾構(gòu)施工產(chǎn)生地表沉降的機(jī)理及控制措施具有重大的意義。

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