試論盾構隧道施工地表沉降規律及控制措施研究

陳世平

(中建四局第五建筑工程有限公司， 貴州貴陽 550003)

試論盾構隧道施工地表沉降規律及控制措施研究

陳世平

(中建四局第五建筑工程有限公司， 貴州貴陽 550003)

在使用盾構法進行隧道施工時，常常會導致隧道上部的地表出現沉降，并在隧道的運營過程中，這種沉降現象依然會持續發展，對隧道的地下設施以及隧道四周的地面建筑都會造成較大的影響。所以，降低施工對周圍土體的干擾，分析隧道施工時地表的沉降規律至關重要。基于此，對盾構隧道施工地表沉降規律以及控制措施進行探討研究。

盾構隧道施工;地表沉降規律;控制措施

0 引言

盾構法指的是利用盾構設備進行隧道暗挖的一種施工方法，相較于傳統的施工方法，盾構法具有作業面小、對環境影響小、勞動強度低、自動化程度高、施工速度快等優點，在地鐵隧道工程建設中得到了廣泛的應用。但是，由于城市地區盾構隧道是在巖石土體內部進行施工的，在進行開挖施工時難免會對地下的巖土體造成擾動，使原有的平衡狀態被破壞，出現地表變形和沉降的情況。為了降低地表沉降對周圍建筑的影響，需要認真分析地表沉降規律，并找出具體的控制方法。

1 案例介紹

某地鐵隧道工程南站和北站之間設計的隧道軌頂設計標高為17.76～26 m，隧道結構底標高為16.74～24 m，隧道結構頂的標高為22.76～30 m，隧道的埋深為16～23.3 m，土的覆蓋厚度為10～17.5 m。結合隧道的縱斷面來看，隧道的最大豎曲半徑為5 000 m，最小豎曲半徑為3 000 m，區間線路縱坡為“V”字形。此區間盾構構成需要從圓礫層穿過，圓礫層普通粒徑為10～40 mm，最大粒徑為150 mm，卵石主要由中粗砂、砂巖、輝綠巖進行充填。盾構工程地質縱斷面圖如圖1所示。

圖1 盾構工程地質縱斷面圖

2 隧道工程地表沉降規律分析

在隧道工程施工過程中，由于其經歷的區域較多，地質情況相對來說也較為復雜。根據隧道工程段的監測數據來看，隧道監測斷面一和監測斷二的中線地表沉降時程曲線如圖2所示。

圖2 隧道監測斷面-和監測斷面二的中線地表沉降時程曲線

從圖2可以看出，底層的沉降、變形規律如下:在盾構機未到達之前，在地表會有隆起的情況出現，隆起的影響范圍大約在10～15 m，并且軟弱程度不同的地層，所隆起的數值也是不相同的。一般情況向下，先行隆起數值在2 mm以內，并且會對黏性土層造成比較大的干擾。一般情況下，先行隆起值會保持在1.5 mm。當盾構機抵達監測斷面后，會在其上方產生沉降。其中粉質黏土的沉降值一般會在-2 mm左右，而其它土層的沉降值會在-1 mm左右。盾構通過時，地表產生的沉降值大約為總沉降值的36%～40%。隨著盾構的持續推進，當盾尾從監測點通過后，所產生的沉降范圍為通過監測斷面后0～30 m之間。盾構后期產生的沉降主要是由于徐變和土體固結造成的。在粉細砂層會產生-1～-3 mm的沉降，在盾構從監測點通過70 m左右后，地表沉降逐漸趨于穩定。

3 控制盾構隧道施工地面沉降施工方法

3.1 盾構機施工前的準備工作

在進行盾構機掘進工作前，對施工現場的地面建筑物、地下管線、地下障礙物、地下設施等要詳細調查，制定適當的預防保護措施以保護重要的建筑物。為了實現定期及時的監測，必須建立較嚴格的隧道沉降量測控制網，當進行隧道施工時，一定要考慮周圍的自然環境對工程的影響，深入分析盾構前方監測點的監測數據，若把盾構前方監測點的地面變形情況控制在-5～5 mm之間，那么盾構在通過時地面變形情況可控制在-30～l00 mm之間，否則為了控制地面沉降的情況，需要調整出土量，如果相關的要求更嚴格，那么可以重新確定相應的控制值[1]。

3.2 艙內壓力要設定合理

土壓平衡式盾構施工法的原理比較復雜，即進行盾構推進時，為了保持開挖面的土體的穩定性，需要保持盾構前方土體壓力和艙內土體壓力的平衡。根據大量的實際工程經驗得知，由于進行盾構推進時，推進速度、排土量和千斤頂頂力等因素對土壓產生影響，因此土壓會發生波動，所以需要保持土壓的平衡狀態，但是在實際工作中，很難保持這樣的動態平衡狀態，所以為了保持開挖面的穩定性，需要對排土量和艙內外土體壓力差值的大小實現有效控制，前方土體的松動或擠壓造成的土體擾動的減小可以通過增強開挖面的穩定性實現，進行盾構推進時，為了盡可能使開挖面上體擾動的減小，需要保持密封艙內的壓力大于正面靜止水與土壓力之和。開挖的穩定性可以通過監測土艙壓力來判斷，為了保持開挖的穩定性可以通過控制開挖面的土壓實現[2]。控制開挖面的土壓，首先，目標土壓的確定可以以地層的情況為依據確定;其次，對土壓的變化情況進行監測;最后，目標土壓值的維持可以通過對螺旋輸送機轉速的調節來實現。

3.3 將壓漿充填到盾尾建筑的空隙

盾構施工的關鍵因素之一是管片施工質量，為了保證盾構的良好抗滲性，及時進行注漿工作，必須嚴格控制管片的強度、尺寸和預留孔道位置等，同時做好防水處理工作，避免因為襯砌暴露的時間過長而導致洞體出現坍塌的情況。控制注漿數量與注漿壓力。為了防止注漿材料出現收縮的情況，必須保證注漿量大于理論上的建筑空隙的體積，通常情況下與理論值相比，要大于其約10%;若將膨脹劑摻加在注漿材料中，那么實際注漿量與理論注漿量將可能大致相同。實際的工程中，很難準確確定建筑空隙的理論數據，所以確定其有沒有被完全填充可以利用控制注漿壓力來確定，當注漿數量與原定的標準基本相同，注漿壓力出現快速升高的情況，這代表填充得比較密實，所以要停止壓注工作;若注入數量與規定的標準一致，但是注漿的壓力顯示比較低，代表空隙比較大，此時需要將注入的數量增加，標準是壓力升高的規定值;若注入數量與建筑空隙的估計值相比較大，但是壓力偏低，代表漿液有流失的情況，此時需要以水文地質資料為依據，做勘測工作， 處理水道封堵、重新壓漿等工作，使壓漿材料的性能得到改進。拌漿站進行施工工作時，要檢測漿體的強度、凝結時間和收縮量等，確定適當的配合比，隧道的防水性能與注漿材料的抗滲性息息相關。卸荷產生的擾動與盾尾間隙都對土體產生影響，土體擾動程度的減小可以通過注漿與二次注漿的同步進行實現。進行盾構向前推進工作時，為了實現沉降的有效控制，要對注漿參數及時調整。為了防止出現因壓力過大引起的填充土體間隙被劈裂現象，在進行同步注漿工作時， 注漿壓力要被嚴格控制，因為如果注漿的壓力過大，會導致土層被劈裂，進而導致后期管片出現沉降的情況，注漿壓力過小，則會導致漿液的填充速度變慢， 因而不能完全填充間隙。根據實際施工經驗總結，最合適的注漿壓力可以設定為1.1～1.2倍靜止土壓力。

3.4 開挖面地層擾動的減少

施工之前需要將準備工作準備充足，如施工區域內地質概況的調查，特別是地下水的來源、流量以及流向，控制地表變形與防水的預防措施要提前制定好。為了應對突發事件，必須制定具體的堵水方案及坍塌應急處理方案。保持施工的速度與連續性，如果盾構機的向前推進工作停止， 盾構機會因為正面土壓力出現后退的情況，雖然可以用支撐或者加固的方法盡量減少其后退量，但是并不能杜絕此現象的發生[3]。因此，為了防止盾構機停止運作，提高開挖工程的施工速度，必須要做好組織工作。若在施工過程中，需要對盾構機進行檢修，或其出現暫停作業的情況，必須采取措施防止其后退， 封閉其正面和盾尾，盡最大努力使暫停作業期間地表的沉降被減少。

為了防止超量，盾構機向前掘進時，開挖面的出土量必須要控制好。出土量被嚴格控制，嚴格控制盾構機向前推進時的糾偏量以及施工測量。為了避免出現偏斜情況，必須保證盾構不能與隧道的設計斷面發生偏離，因此地層中盾構機不會擺動，也不會擾動土層。為了保證開挖面的穩定性，施工過程中應使用合理的正面支撐控制土體的坍塌。如果條件允許，采用土壓平衡式盾構技術可以使地下水位不會被改變，應盡量避免發生土體擾動。

4 結語

本文通過實際案例分析了盾構隧道施工對地表沉降造成的影響，并提出了具體的控制措施。工程施工過程中，有效控制了地表沉降，最大限度地降低了盾構隧道施工對周圍建筑的影響，為類似工程施工提供了參考經驗。

[l]李曙光.EPB盾構法隧道施工引起的地表沉降分析與數值模擬[D].長沙:中南大學，2006.

[2] 李小剛.小半徑大坡度盾構隧道施工力學特性研究[D].長沙:中南大學，2007.

[3] 李海峰.淺埋暗挖隧道施工地表沉降的規律及其對既有構筑物的影響分析[D].北京:北京交通大學，2008.

U455

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1009-7716(2015)11-0159-03

2105-06-18

陳世平(1985-)，男，福建三明人，助理工程師，從事道路橋梁施工管理工作。