基于盾構土壓平衡穿越建構筑物施工地表沉降控制

陳紀官

(浙江省交通工程建設集團有限公司)

基于盾構土壓平衡穿越建構筑物施工地表沉降控制

陳紀官

(浙江省交通工程建設集團有限公司)

通過對國內盾構施工地表沉降控制技術，同時參考同行業盾構法施工實例，分析了地表沉降的預測方法及盾構施工過程中地表沉降的規律、過程和沉降原因。對杭州地區類似地質條件下后續工程的設計與施工具有指導意義。

土壓平衡;盾構;地面沉降;控制

1 工程概況

1.1 工程位置及范圍

該工程位于下穿牛田村和九堡鎮，向九堡東站方向掘進;杭州地鐵1號線工程7號盾構九堡站～九堡東站區間，設計起點里程為K27+228.647。右線設計終點里程為K27 +962.722，全長735.460 m。左右線隧道所穿越的地面區域分別有兩棟淺基礎的四層民宅樓、兩座木質屋頂磚混結構的安樂堂、一條18 m寬2.5 m深的和睦港河流、一片跨度在100 m左右的緊固件廠危房區，危房區內有兩層辦公樓一座，其它房屋均為平房。區間線路最小平面曲線半徑為400 m，線間距為13～35 m，區間隧道縱剖面為“U”型坡，最大坡度為－25‰，隧道頂埋深約為9.3 m～16.8 m;本區間在K27+680處設置聯絡通道，采用凍結法施工。

1.2 水文地質情況

地區屬錢塘江河口相沖擊海堆積的粉性土及砂性土土層，由于堆積年代及固結條件不同，性質不一，豎向由松散至中密狀態變化，厚度一般在20 m左右;其下為海陸交互相沉積的淤泥質軟土及粘性土，地面下深約40～45 m左右為古錢塘江河床堆積的圓礫層，中密～密實狀態，底部基巖埋深一般在地面下55～63 m左右。盾構掘進主要經過①6層和②7層土，土質較差，隧道掘進外排的棄土含水量大，呈漿糊狀，給場地堆放和棄土外運帶來極大困難，如不及時外運棄土勢必造成盾構推進停止時間過長，地面下沉，引起房屋開裂倒塌的危險，①6層和②7層土層特點如下:

①6層粉砂夾砂質粉土:灰、青灰色，濕～飽和，中密為主，局部稍密，含氧化鐵質及云母屑。實測標貫錘擊數12～41擊，平均值17.2擊。靜力觸探錐尖阻力qc=6.4～10.1 MPa，平均值為8.50 Pa，側壁阻力fs=101.3～170.7 kPa，平均值為133.7 kPa，屬中等壓縮性土。分布于整個場區，頂板埋深3.50～13.0 m，頂板高程－7.24～1.30 m，層厚2.0～10.3 m。

②7層淤泥質粉質粘土夾粉土:灰色，流塑，該層下部段夾有少量粘質粉土，松散，很濕。含有機質，云母碎屑，具水平層理，搖振反應中等，切面無光澤反應，干強度較低，韌性較低。實測標貫擊數2～8擊，平均值4擊。靜力觸探錐尖阻力qc=0.8～2.5 MPa，平均值1.65 MPa，側壁阻力fs=17.3～53.8 kPa，平均值38.1 kPa，屬高壓縮性土。全區分布，頂板埋深12.10～18.0 m，頂板高程－11.84～－7.78 m，層厚1.7～6.0 m。

2 盾構地面冗沉變化的因素分析

(1)目標土壓力設定不準而引起的盾構出土量超挖或欠挖，超挖表現為地表沉降，欠挖表現為地表冗起。

(2)同步注漿量大小及漿液配合比不同引起的地表冗沉。

(3)盾構推進方向變化產生的土體擠壓擾動及建筑間隙引起的地表冗沉。

(4)盾構機停留時間過長下沉或土倉泄壓產生的地表沉降。

(5)成型管片位移和隧道沉降造成的地表沉降。

(6)盾構密封性及防水效果。

3 盾構施工地面沉降的控制措施

3.1 嚴格管理

項目部給地面監測人員和井下測量人員手機信息發送補貼，并對工作認真細致，沒有出差錯的人員給予獎勵。要求地面及井下量測人員每環推拼完后必須及時向項目經理發送量測實時數據，報表內容有地面軸線點、房屋沉降點單次和累計沉降情況;井下盾構姿態、管片姿態實測數據情況，以使項目經理在第一時間全面準確獲得現場第一手資料，以最短的時間進行分析，做到及時下達參數修正指令。

3.2 盾構管片拼裝控制地面沉降量

九堡站至九堡東站區間隧道是“S”型隧道，曲率半徑為450 m和400 m，屬于小曲率半徑的隧道，比直線型隧道和“C”型隧道掘進姿態控制難度要大得多。曲率半徑越小，盾構掘進后的建筑空隙越大，對地面沉降控制難度也越大。盾構姿態和管片姿態是一個統一體，盾構姿態不好勢必偏離軸線;管片姿態不好勢必造成管片拼裝碎裂，盾構如偏離軸線則需要糾偏，糾偏過大會產生較大的建筑空隙，致使地表明顯下沉，同時在糾偏時必須要考慮管片的超前量，否則會影響管片的姿態，從而造成隧道成型管片碎裂或錯臺，要進行管片修補和防漏注漿將會一定程度地影響掘進，使掘進速度減緩或停止，地面也因地下盾構機停放時間過長而沉降量過大，對地面房屋帶來一定的風險。所以良好的盾構姿態和管片姿態，防止盾構周邊土體擾動過大，是控制地面沉降的必要條件。

3.3 地面監測準確性

地鐵隧道一般均規劃在人群密集區，這對地面沉降點的布置和保護帶來較大的困難。在人員出入的區域易造成監測點破壞，所以起始水準基點的布置既要便于保護，又要考慮數量，以利于點和點之間量測復核起始點的正確性，為此我們布設了三個水準基點，不斷進行聯測檢核，發現誤差和錯誤及時糾正，確保了每次監測數據的準確性，正確指導掘進參數的調整。同時為了獲得更精確的地層沉降特性，我們加大了監測頻率，每環監測一次，發現問題及時進行各種參數的微調。

3.4 盾構掘進過程中，控制地面沉降的關鍵

(1)盾構試推距

對短時間摸索出合理的推進參數比較困難，必須按著往常經驗加以判斷，盾構機試推段摸索掘進參數一般都是一百環之內，然而，九堡始發井洞口離民宅樓僅30環約36 m距離，除去洞口8 m加固區后，盾構必須在28 m的短距離內必須要把各種掘進參數摸準確，困難較大，為此我們比較其他地方有類似土質情況的地鐵隧道進行研究分析，進行對比參照。地表引起沉降因素較多，有的因素之間還存在關聯性，所以要認真研究地質條件和地貌情況，同時還要考慮不同盾構機的性能、特點綜合考慮，并做到每推進一環就進行兩次監測，加大監測頻率，最大限度短時間內摸清該地層盾構施工的合理參數。

(2)盾構土壓值，控制地表沉降量

盾構掘進目標土壓力的設定，要根據盾構埋深和土質狀況，以及試推階段的土壓值來確定，掘進過程中盾構機經過的地層和深度不同，要及時根據地面變化量調整好目標土壓力的設定，尤其要控制出土量，超挖會使地表下沉，欠挖會使地表隆起，兩種情況均不利于地表的沉降控制，表1地面沉降監測，目標土壓力的設定要盡可能減少對地層的擾動為原則，確保地面變化量最小，要隨盾構切口前方地面變化而及時進行調整，在推進過程中，最大單次地面沉降在2 mm以內，一般大部分為0和1 mm以內。

表1 地面沉降監測

始發井離民宅樓較近，僅36 m，采取全閉合環，以避免盾構機拋高，保證盾構姿態正確，在盾構始發時，如采用開口環勢必盾構機上方千斤頂用不上力，致使盾構整體向上拋高，拋高后的盾構機在加固區內想修正方向非常困難，如硬要修正往往會引起管片碎裂，造成成型隧道滲漏水現象。為了避免盾構機在加固區拋高，我們采取了全閉合環，使盾構在始發開始及磨加固區過程中盾尾周邊22個千斤頂始終處于平行推進狀態，上下左右推力可控，保證盾構機始終按接近軸線平行方向掘進。在盾構機進入房屋前不至于造成盾構機嚴重偏離軸線方向，避免因軸線偏離進行糾偏而產生較大建筑間隙，引起地面房屋下沉，所以采用全閉合環管片反力系統，對始發井離民宅樓很近的房屋沉降控制非常重要。

(4)事前充分摸排，被誤為掘進造成的問題

始發前必須要對管線仔細探摸，穿越前對軸線上方及附近建、構筑物存在的問題進行拍照留存，量測建、構筑物的原有裂縫寬度、長度，每天踏勘，踏勘還須穿便服前往穿越區域，防止老百姓誤解而發生糾紛(穿工作服易引起老百姓驚慌)。對原有裂縫貼紙條標示縫隙寬度、長度，觀察其在穿越過程中的變化情況，避免以前存在的問題誤以為穿越造成的問題，如產生糾紛，協調處理難度很大，所以必須事先做好充分細致的摸排鑒證工作。

(5)監控質量可控、參數優化

現在所有的項目部對盾構監控室，普遍設置成單間監控室，只有少數人能看到掘進參數，并且很少有人去監控室察看掘進狀況，不利于技術管理人員全方位全過程監控。為此我們取消獨立監控室，在九堡項目部的辦公大廳里安裝鋼化玻璃幕墻制作出一間透明化的監控室，命名為“九堡項目部監控中心”，共同監控，共鑄精品，使所有在辦公大廳辦公的技術、機電、安全等管理人員均能看到掘進參數，有問題一起討論商量，做到集思廣益，提高管理人員人人參與監控管理的積極性，從少數人監控到多數人實時監控。監督檢查設備的維護保養工作，使盾構機在掘進過程中不出或少出故障，對穿越房屋安全致關重要，盾構機在房屋下停留時間過長會造成盾構機實際土壓泄壓，引起地表下沉。如無法避免設備故障，在停止掘進時間較長時，必須及時進行保壓，保壓值盡量接近目標土壓，以避免盾構機因停止掘進時間過長泄壓而造成地面沉降。

4 結束語

通過對杭州地鐵一號線九堡站至九堡東站區間隧道掘進施工盾構穿越地面建、構筑物的控制方法。還與掘進超挖、盾尾空隙、掘進擾動和壓氣作業等施工因素引起的地層損失和地層擾動有很大的關系。在盾構施工過程中有序、嚴格、精細的技術管理，確保了四層民宅樓最大累計沉降量控制在－4 mm以內，95%以上的建筑物沉降點位接近零值，沉降控制取得了顯著的成效，確保了地面建、構物的安全，在盾構機前者土體不會損壞的要求下，適當添加土倉壓力是變弱地表沉降很有效的措施。其它條件一定時，地表沉降也會注漿壓力的增大而減弱。注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa以內，防止更大的地表沉降發生。

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