長沙地鐵3號線盾構(gòu)施工法引起的地表沉降及控制因素分析

彭再高 尹小波

摘 要：本文主要研究長沙地鐵3號線盾構(gòu)施工法引起的地表沉降規(guī)律，并探討盾構(gòu)施工法引發(fā)地表沉降的主要控制因素，得出長沙地鐵盾構(gòu)法施工的地表沉降的典型特點(diǎn)。結(jié)果顯示：雅長區(qū)間的地表不均勻沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)區(qū)間的首段和尾段。因此，長沙地鐵盾構(gòu)施工過程中應(yīng)積極采取相應(yīng)的工程措施，優(yōu)化設(shè)計方案，防止水巖相互作用而導(dǎo)致的涌水涌沙，合理設(shè)置土倉平衡壓力，配置渣土改良系統(tǒng)，提高土倉中砂卵石土的流塑性和止水性。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工；地表隆陷；控制

中圖分類號：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）07-0124-03

Analysis and Control Factors of Surface Subsidence Caused by

Shield Construction Method on Changsha Metro Line 3

PENG Zaigao1，2 YIN Xiaobo1，2

（1.School of Earth Science and Information Physics， Central South University，Changsha Hunan 410083；2. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring（Central South University）， Ministry of Education，Changsha Hunan 410083）

Abstract： This paper mainly studied the ground subsidence law caused by the shield construction method of Changsha Metro Line 3， and discussed the main control factors of the ground subsidence caused by the shield construction method， and drawed the typical characteristics of the ground settlement of the shield construction method in Changsha subway. The results showed that the uneven settlement of the surface mainly occured in the first and the end of the shield interval. Therefore， in the course of the construction of Changsha metro shield， the corresponding engineering measures should be taken actively to optimize the design scheme， prevent water and rock interaction caused by water gushing and sand flow， set the balance pressure of the soil bin reasonably， configure the residual soil improvement system， and improve the flow plasticity and water stop of the sand gravel soil in the soil bin.

Keywords： shield construction；ground subsidence；control

1 研究背景

地鐵施工引起的地表沉降問題一直以來都是工程界非常重視的問題。對地表沉降的監(jiān)測和控制是保證地鐵施工安全的重要手段。進(jìn)行監(jiān)測的目的是對施工所引起的地表沉降進(jìn)行控制，為地鐵盾構(gòu)施工提供指導(dǎo)。地鐵施工引起地表沉降的根本原因是施工對周圍土體的擾動。盾構(gòu)推進(jìn)過程中產(chǎn)生的地面變形由以下五個部分組成：①盾構(gòu)到達(dá)前的地面變形，主要是由于土體受擠壓其有效應(yīng)力增加而引起的；②盾構(gòu)機(jī)到達(dá)時的地面變形，主要是由于盾構(gòu)推進(jìn)引起土體應(yīng)力狀態(tài)改變而產(chǎn)生的變形；③盾構(gòu)機(jī)通過時的地面變形，是由盾構(gòu)機(jī)與土體間產(chǎn)生的剪切應(yīng)力使地面變形變大引起的；④盾構(gòu)通過后的瞬時地面變形，主要由建筑空隙造成的；⑤地表后期固結(jié)變形，主要由盾構(gòu)推進(jìn)對周圍土體擾動引起的[1]。

2 長沙地鐵3號線雅長區(qū)間地表沉降分析

筆者在搜集雅長區(qū)間地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，繪制了長沙地鐵3號線雅長區(qū)間左線縱向監(jiān)測斷面的地表沉降曲線分析圖（見圖1）。從圖1可以看出，雅長區(qū)間盾構(gòu)施工起點(diǎn)處的地表沉降結(jié)果為隆起，在掘進(jìn)至30環(huán)左右時，地表又出現(xiàn)明顯沉降，在40環(huán)左右達(dá)到了全區(qū)間的最大沉降量-60mm，之后沉降曲線出現(xiàn)振蕩，直至盾構(gòu)掘進(jìn)至150環(huán)后，地表沉降才趨于平穩(wěn)。而在盾構(gòu)施工結(jié)束位置，地表再次出沉降，曲線再次出現(xiàn)振蕩。

在分析雅長區(qū)間縱向剖面地表沉降曲線的基礎(chǔ)上，分別選取典型地表沉降監(jiān)測點(diǎn)繪制地表沉降隨時間變化的曲線圖（見圖2、圖3和圖4）。

從圖2至圖4可以看出，地表沉降曲線在盾構(gòu)區(qū)間的不同位置展現(xiàn)出的發(fā)展態(tài)勢也明顯不同。主要表現(xiàn)為：在盾構(gòu)區(qū)間的起點(diǎn)和中間位置，地表沉降最終值表現(xiàn)為正值。其中，起點(diǎn)的最大沉降量達(dá)到+100mm左右，沉降量相比其他斷面來說較大；而中段監(jiān)測點(diǎn)的最大沉降值為+2.5mm。在盾構(gòu)區(qū)間結(jié)束位置，地表隆陷變化曲線則表現(xiàn)為負(fù)值，其最大沉降量達(dá)到了-32mm。由此可以得出，在盾構(gòu)區(qū)間的不同位置，地表沉降曲線存在明顯不同。筆者結(jié)合施工資料，得出在L20監(jiān)測點(diǎn)盾構(gòu)機(jī)達(dá)到時間為2016年7月17日，而此時盾構(gòu)機(jī)位置正好在監(jiān)測點(diǎn)正下方。此時的盾構(gòu)出土量為69m3/d，同步注漿量為6m3/環(huán)，同步注漿壓力為3.5bar，盾構(gòu)機(jī)推力為12 800kN。可見，各施工參數(shù)都趨于穩(wěn)定，因此可推斷出此段沉降的主要原因是盾構(gòu)機(jī)本身與土體發(fā)生剪切運(yùn)動而產(chǎn)生的剪應(yīng)力使土體發(fā)生沉降，注漿量偏少可能是地表沉降產(chǎn)生的次要原因。據(jù)雅長區(qū)間巖土勘察報告得出：與區(qū)間其他區(qū)段不同的是，此段隧道頂板正好穿透了工程性質(zhì)較差的第四系上更新統(tǒng)沖積層的砂卵石層。該層圍巖等級為Ⅵ級，自穩(wěn)能力較差，加之該層滲透能力較大，土倉內(nèi)不易形成不透水流塑性狀態(tài)的碴土，導(dǎo)致難以建立土壓平衡，這也是該監(jiān)測點(diǎn)此時出現(xiàn)沉降的原因。而在2016年7月25日之后，由于地層上軟下硬，地表下面出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，施工方再次實(shí)行了二次注漿與地面注漿加固，使得此段沉降曲線迅速回升，而后監(jiān)測曲線達(dá)到穩(wěn)定。

圖3的監(jiān)測曲線為盾構(gòu)區(qū)間的中部，此時的盾構(gòu)隧道穿越地層為工程地質(zhì)性質(zhì)較好的中元古界冷家溪群中風(fēng)化板巖。盾構(gòu)穿越此斷面時的出土量為69.6m3/d，同步注漿量為5m3/環(huán)，盾構(gòu)機(jī)推力為6 800kN。從全線監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，地表隆陷已經(jīng)趨于穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)存在稍微隆起，最大值為+2.5mm。

圖4中地表隆陷曲線接近于經(jīng)典的地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降曲線。此段監(jiān)測點(diǎn)的地表沉降分別包括初期沉降、開挖面沉降、通過沉降、尾部空隙沉降和長期延續(xù)沉降五段[2]。盾構(gòu)機(jī)通過此監(jiān)測斷面時出土量為63.2m3/d，同步注漿量為6m3/環(huán)，盾構(gòu)機(jī)推力為14 000kN，施工參數(shù)在L1050監(jiān)測斷面前后保持穩(wěn)定。

3 結(jié)論

地表沉降問題一直以來都是地鐵施工過程中最為重要的問題。本文對長沙地鐵3號線的施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析，結(jié)合巖土工程勘察報告及施工資料得出以下結(jié)論。

①長沙地鐵3號線雅長區(qū)間左線盾構(gòu)施工發(fā)生的不均勻沉降主要出現(xiàn)在盾構(gòu)施工區(qū)間的首段和尾段。盾構(gòu)區(qū)間首段由于受到隧道頂板穿越砂卵石層的影響，地表沉降問題最為嚴(yán)重。土層工程地質(zhì)性質(zhì)差是其地表沉降的主要原因。在后期施工過程中，由于施工方積極采取了二次注漿等工程措施，控制了地表沉降，保證了地鐵施工安全。

②長沙地區(qū)水資源豐富，地下水位埋深較淺，地鐵施工尤其要注意地下水的影響。單從本區(qū)間的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，隧道頂板穿越的工程地質(zhì)性質(zhì)差的砂卵石層是引起地表沉降量增大的主要因素。由于該砂卵石層透水性強(qiáng)，土倉內(nèi)不易形成不透水的流塑性狀態(tài)的碴土，導(dǎo)致難以建立土壓平衡機(jī)理，使土倉壓力不穩(wěn)定而造成地表塌陷，甚至還可能形成涌水或涌沙等工程地質(zhì)災(zāi)害，從而使整個工程失穩(wěn)塌方[3]。因此，在施工時要合理設(shè)置土倉平衡壓力，配置渣土改良系統(tǒng)，提高土倉中砂卵石土的流塑性和止水性，防止涌水、涌砂現(xiàn)象的發(fā)生，保證開挖面穩(wěn)定，建立土壓平衡，從而避免地表沉陷。當(dāng)?shù)乇沓料葸^大時，應(yīng)及時采取二次注漿措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐永福，孫鈞.隧道盾構(gòu)掘進(jìn)施工對周圍土體的影響[J].地下工程與隧道，1999（2）：9-13.

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[3]長沙市軌道交通3號線一期工程KC-3標(biāo)段工農(nóng)路站至長沙大學(xué)站區(qū)間詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察報告[Z].廣州：廣東有色工程勘察設(shè)計院，2013.