復(fù)合地層條件下盾構(gòu)穿越房屋群及河流沉降控制技術(shù)

摘要：當(dāng)前，隧道盾構(gòu)掘進(jìn)工程項(xiàng)目在我國各地均有開展。在復(fù)合地層條件下，盾構(gòu)穿越房屋群及河流時(shí)，容易使地表沉降超過允許的值。對(duì)此，筆者結(jié)合自身工作經(jīng)歷，以某市地鐵貢獻(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)為背景，簡要探討了這種條件下的沉降控制技術(shù)，希望能促進(jìn)我國盾構(gòu)穿越施工技術(shù)水平的提升。

關(guān)鍵詞：復(fù)合地層;盾構(gòu);沉降;控制

在我國社會(huì)改革開放進(jìn)程不斷深化的今天，城市成為越來越多人向往的地方，我國的城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口數(shù)量急劇增長，這使得我國的許多城市，尤其是那些特大城市、省會(huì)城市出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的城市病，其中交通擁堵就是十分影響人們正常生活的問題。為了有效的解決這類問題，我國的許多城市，借鑒國內(nèi)外相關(guān)城市的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，積極發(fā)展地下鐵道交通（簡稱地鐵）。目前，我國的北京、上海、廣州、深圳、杭州、鄭州、武漢、成都等各地城市已經(jīng)建成了大批的地鐵線路并投入運(yùn)行，而且還在大舉進(jìn)行建設(shè)新線路。很明顯，城市地鐵線路的運(yùn)行，促進(jìn)了這些城市的發(fā)展，一定程度上緩解了交通擁堵問題。

隨著時(shí)代的發(fā)展，城市地鐵的施工進(jìn)度必將持續(xù)加快，在這樣的背景下，有一些線路需要穿越復(fù)合地層條件，在地鐵隧道盾構(gòu)穿越這些復(fù)合地層條件的地區(qū)時(shí)，必然會(huì)對(duì)地面上的房屋群和河流產(chǎn)生一定的影響，最主要的就是沉降問題。為此，迫切需要對(duì)這些沉降發(fā)生機(jī)理進(jìn)行分析，并采取一定的有效措施，對(duì)這些沉降進(jìn)行控制，使這些沉降不會(huì)對(duì)建筑物的安全、河流的平穩(wěn)運(yùn)行造成影響。在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，控制地層的塌陷和地表沉降目前已成為隧道盾構(gòu)施工質(zhì)量的主要控制目標(biāo)，也是隧道盾構(gòu)施工過程中，相關(guān)設(shè)計(jì)方案、施工技術(shù)合理性、先進(jìn)性的重要體現(xiàn)。

一、工程概述

為了更好的闡述復(fù)合地層條件下，盾構(gòu)穿越房屋群及河流的沉降控制技術(shù)，本文結(jié)合筆者自身工作經(jīng)歷，以某市地鐵線路的一段區(qū)間的盾構(gòu)工程施工為例，論述其中采取的沉降控制技術(shù)。

某市地鐵線路的一段盾構(gòu)區(qū)間全長1.7千米，沿線需要穿越一條河流、一座鐵路橋和20多棟層高均在15層以上的建筑物;盾構(gòu)區(qū)間的地質(zhì)經(jīng)過前期勘察，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)變化起伏程度較大，屬于復(fù)合地層，地層的呈現(xiàn)軟硬不均、地層空洞的特征;經(jīng)過的河流河床寬42.7米，河床底距左線隧道頂最近的位置只有7.2米，而且其中還存在3.8米厚的中砂層，這段砂層是軟硬不均地質(zhì)。

如下為穿越的此段區(qū)間的地質(zhì)斷面圖。

圖一""隧道穿越區(qū)間左右洞地質(zhì)斷面圖

圖二""隧道穿越區(qū)間某河流地質(zhì)斷面圖

二、盾構(gòu)穿越法論述

在本次討論的地鐵線路建設(shè)的過程中，采取的隧道施工方法就是盾構(gòu)法。因?yàn)椴扇《軜?gòu)法進(jìn)行施工，不僅能夠使城市的交通、商業(yè)、粉塵、噪聲等環(huán)境影響大量減少，而且還能減少對(duì)城市地面、地下建筑物的影響。但是，盾構(gòu)掘進(jìn)法在施工過程中，會(huì)改變地底的受力情況，不可避免的導(dǎo)致一定的變形災(zāi)害發(fā)生，這類災(zāi)害主要是地層變形、地表沉降和建筑物變形，最直觀的表現(xiàn)為建筑物及河流等的沉降。

在地鐵隧道盾構(gòu)過程中，周圍結(jié)構(gòu)物的地表沉降，從本質(zhì)上講，是由于地層變形而導(dǎo)致的。因此，只有有效控制地層的變形和沉降，才能對(duì)周圍建筑物的結(jié)構(gòu)安全提供一定的保證。目前，在盾構(gòu)機(jī)械穿行于地下時(shí)，除了由于地底周圍土體在盾構(gòu)擾動(dòng)作用下會(huì)發(fā)生一定的沉降之外，還存在由于盾構(gòu)機(jī)械在維修或者遇到障礙物無法前進(jìn)，需要進(jìn)行長時(shí)間的停機(jī)，在機(jī)械周圍也會(huì)發(fā)生一定的地表沉降現(xiàn)象。總之，由于土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得地表發(fā)生沉降，會(huì)危及地表建筑物、河流以及地下的管線，嚴(yán)重可能出現(xiàn)生命財(cái)產(chǎn)安全問題，因此，在復(fù)合地層的盾構(gòu)施工中，需要控制好沉降標(biāo)準(zhǔn)，采取正確的沉降控制措施，提升盾構(gòu)掘進(jìn)施工的安全水平。

三、本工程確定的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)過前期的地質(zhì)勘測(cè)的調(diào)查分析，綜合工程實(shí)際情況，確定在施工過程中，允許的地表的最大沉降值為1厘米，隆起高度小于1厘米;對(duì)于石頭、混凝土磚結(jié)構(gòu)、建筑物的條形基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)傾斜方向兩端點(diǎn)的沉降差與兩點(diǎn)之間距離的比值要低于0.002;對(duì)于建筑物的框架結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)，其沉降差與相鄰樁基之間中心距離的比值也需要低于0.002.

四、盾構(gòu)施工過程中，防止地表沉降的控制技術(shù)分析

當(dāng)隧道在經(jīng)過復(fù)雜地層上方具有建筑物或者河流時(shí)，由于上部的建筑物或者河流對(duì)地層壓力會(huì)增加，盾構(gòu)機(jī)械在施工時(shí)，需要保證推進(jìn)過程中開挖面的土倉壓力處在最小開挖面推力和最大推力之間，以保證整個(gè)開挖面的穩(wěn)定，這樣能夠確保盾構(gòu)機(jī)械挖土后，在隧道上的覆地層不會(huì)出現(xiàn)較大的垂直位移。由于本次隧道工程經(jīng)過的地區(qū)，存在的建筑物及河流的載荷較大，對(duì)土層的壓力較大，為了維持掘進(jìn)區(qū)間開挖面的穩(wěn)定，需要盾構(gòu)機(jī)在開挖面處提供較大的支護(hù)力，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)械的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，不利于盾構(gòu)機(jī)械的長時(shí)間工作，因此，應(yīng)在施工過程中，首先對(duì)地層的沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，然后設(shè)法改變土層的性質(zhì)，增強(qiáng)土體的強(qiáng)度，增大土體的抗變形能力，減少后期施工過程和使用過程的地表沉降，最終使隧道穿越的這些地區(qū)的沉降值在允許的范圍之內(nèi)。

（一）盾構(gòu)區(qū)間地層沉降預(yù)測(cè)

為了對(duì)盾構(gòu)區(qū)間隧道掘進(jìn)過程中，穿越這些高層建筑和河流是可能引起的沉降情況進(jìn)行充分的掌握，然后采取有效的控制措施，首先需要進(jìn)行盾構(gòu)區(qū)間的地層沉降預(yù)測(cè)。在施工開始前，利用相關(guān)的理論研究成果，借助有效的數(shù)值方法，對(duì)施工過程中可能引起的地表沉降情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)合本工程周圍地質(zhì)條件，通過數(shù)值方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)本次盾構(gòu)施工過程中，最大的沉降值為2厘米，而隧道施工過程中，上層建筑物和河流的允許沉降值在1厘米，已經(jīng)超過允許的沉降的上限值，因此在施工前、施工中和施工后采取有關(guān)的沉降控制技術(shù)，保證盾構(gòu)施工的安全有效進(jìn)行。

（二）設(shè)計(jì)好管片拼裝、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，減小沉降

在施工前，進(jìn)行預(yù)測(cè)沉降之后，則需要采取進(jìn)一步的補(bǔ)勘，對(duì)特殊路段再次進(jìn)行詳細(xì)的勘探，然后依據(jù)地質(zhì)情況制定有針對(duì)性的掘進(jìn)方案，并對(duì)相關(guān)可能出現(xiàn)的緊急清孔做好應(yīng)急預(yù)案。然后設(shè)計(jì)好盾構(gòu)機(jī)械的管片安裝。在管片安裝時(shí)，要確保每一片每一環(huán)的首尾間歇都進(jìn)行了檢測(cè)，保證間隙值在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。

在盾構(gòu)開始前，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，按照不同的地層結(jié)構(gòu)設(shè)置合理的掘進(jìn)參數(shù)。首先是設(shè)置合理的土壓力，在土壓力設(shè)置過程中，需要利用地表檢測(cè)的有效數(shù)據(jù)信息及時(shí)的改變土壓力;其次，需要設(shè)計(jì)好推進(jìn)速度，經(jīng)過前期的調(diào)查，確定區(qū)間內(nèi)每一小分段的推進(jìn)速度，并確定每環(huán)的出土量在規(guī)定的范圍內(nèi)，減少對(duì)地層的擾動(dòng)。

（三）對(duì)地面建筑物、河流及換刀點(diǎn)進(jìn)行預(yù)加固

依據(jù)線路經(jīng)過地區(qū)建筑物與掘進(jìn)過程中的沉降分析，對(duì)前期預(yù)測(cè)的沉降嚴(yán)重地區(qū)進(jìn)行建筑物基礎(chǔ)的局部或者全部進(jìn)行注漿加固，使建筑物地基在經(jīng)過注漿之后，其承載力和整體性得到顯著的提升，減少甚至是避免由于盾構(gòu)施工引起的基礎(chǔ)的不均勻沉降。也可以采取在地面向建筑的基礎(chǔ)下方布置一定的注漿管，然后在掘進(jìn)過程中，依據(jù)測(cè)量信息和反饋的資料，及時(shí)的跟蹤注漿。預(yù)加固方法在地面建筑物、河流及換刀點(diǎn)都應(yīng)實(shí)施。

（四）掘進(jìn)過程中控制好推進(jìn)速度

在盾構(gòu)機(jī)械穿越建筑物及河流下部時(shí)，應(yīng)降低推進(jìn)速度，在盾構(gòu)推進(jìn)方向嚴(yán)格正確的基礎(chǔ)之上，保證推進(jìn)的速度適宜而且維持恒定，減少推進(jìn)過程中的糾偏。

（五）嚴(yán)格按照盾構(gòu)參數(shù)掘進(jìn)

依據(jù)前期已經(jīng)設(shè)計(jì)好的盾構(gòu)參數(shù)，在實(shí)際盾構(gòu)時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)值進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)械的運(yùn)行。因?yàn)槎軜?gòu)推進(jìn)情況與土壓力、千斤頂總推力、總扭矩以及出土速度等有關(guān)，設(shè)計(jì)的盾構(gòu)參數(shù)結(jié)合沉降控制標(biāo)準(zhǔn)而確定，因此應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)值運(yùn)行。一旦盾構(gòu)速度過快或者土壓過大，都會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起過大的沉降。

（六）盾構(gòu)期間注重灌漿過程，尤其是同步注漿

在盾構(gòu)掘進(jìn)通過復(fù)合地層區(qū)間時(shí)，需要進(jìn)行同步注漿，以保證施工時(shí)對(duì)建筑物的沉降能夠經(jīng)過同步注漿進(jìn)行消減甚至抵消。但是，在同步注漿過程中，如果注漿的壓力過小，漿液的填充速度將會(huì)較慢，而且填充不充分，由于空隙的存在也會(huì)使地表變形增大;如果注漿的壓力過大，則管片外的土層將會(huì)受到注入的漿液的擾動(dòng)影響，在施工后期會(huì)發(fā)生較大的后期沉降。漿液在注入前，還需要有一定強(qiáng)度，通過對(duì)漿液的配合比進(jìn)行合理的設(shè)置，保證漿液通過管道灌入之后，能夠在6～8小時(shí)之內(nèi)出現(xiàn)初凝。

（七）二次補(bǔ)漿（環(huán)箍補(bǔ)漿及多次補(bǔ)漿）及時(shí)

在盾構(gòu)過程中，當(dāng)管片脫離盾尾五片以上時(shí)，則需要對(duì)環(huán)片間隙進(jìn)行二次注漿。注漿量為首次注漿量的30%。在這一過程中采取的注漿方式是多次少量，而且要依據(jù)地表監(jiān)測(cè)到的沉降情況進(jìn)行綜合考慮分析。

（八）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)

在當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)水平發(fā)達(dá)的年代，應(yīng)借助先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)施工過程中產(chǎn)生的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)施工區(qū)間管線情況、河流斷面情況進(jìn)行檢測(cè)分析，對(duì)盾構(gòu)中的注漿工藝、注漿參數(shù)、油壓、溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，反饋給指揮中心，及時(shí)協(xié)調(diào)、修正掘進(jìn)方案和參數(shù)，保證掘進(jìn)過程能夠平穩(wěn)，同時(shí)，使得地表的建筑物和河流不受影響。

（九）加強(qiáng)施工管理

在隧道盾構(gòu)掘進(jìn)工程項(xiàng)目施工中，施工管理對(duì)于地表沉降的影響作用也是巨大的，應(yīng)引起有關(guān)管理人員的重視，積極加強(qiáng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的管理，促進(jìn)施工過程的平穩(wěn)安全。

總結(jié)

對(duì)于復(fù)合地層，進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工時(shí)，往往由于受力層結(jié)構(gòu)的變化，加之地表的建筑物、河流的大型荷載作用，容易出現(xiàn)地表沉降，威脅建筑物安全和隧道掘進(jìn)施工安全的現(xiàn)象。因此，應(yīng)結(jié)合實(shí)際地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，做好施工過程的準(zhǔn)備工作，加強(qiáng)施工工藝水平，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，促進(jìn)隧道掘進(jìn)項(xiàng)目的有序開展，為地鐵隧道工程早日發(fā)揮作用，具有重要的意義。

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