上軟下硬復合地層盾構施工地表沉降控制探討

尹業兵，劉銳，張立

（中建隧道建設有限公司，長沙410000）

1 引言

在上軟下硬復合地層開展盾構施工時，由于在上軟下硬復合地層的巖石開挖難度大，且施工周期長，通常需要大土倉壓力確保開挖面穩定性，所以必須建立合理的土倉壓力[1]。由于盾構機上下部受力不均勻，會對盾構姿態造成較大影響，且刀具從軟土層向硬巖石層轉化時，還會導致盾構自轉，擾動隧道附近巖土層，所以必須控制盾構施工的地表沉降問題。

2 工程概況

某市區軌道交通施工項目線路全長為22.8km，共計20站，站間距為1.25km，均為地下站，且包括4 座換乘站。項目結構頂板穿越地層依次為黏土層、中風化灰巖層、全風化頁巖層；結構底板位于黏土層、全風化頁巖層、中風化灰巖層以及強風化頁巖層。項目處于斷裂構造區域、褶皺構造區域以及地震帶，地質條件復雜，且風化巖和溶洞問題嚴重。

3 地表沉降監測點布設方案

硬質地表沉降監測通常應用半圓頭鋼筋制作而成，選取鉆芯機鉆透路面結構層，鉆孔直徑設置為15cm，將沉降觀測點設置在孔內，監測點進行保護處理，以免車輛碾壓。土質地表沉降監測點內打入鋼筋，之后使用混凝土進行固定處理。

在該區間內盾構范圍內，沿著隧道每相隔5m 設置一個沉降監測點，每相隔30m 設置斷面，當穿越風險點時需要設置多個監測點。并且通過全站儀放線測量隧道，明確地表斷面監測點，如圖1 所示。

3.1 監測頻率和控制標準

該項目于2018 年1 月開始監測地表沉降問題，監測點與開挖面的水平距離為L，隧道開挖直徑為D，施工允許沉降量為±20mm，沉降速率為±7mm/d。

圖1 橫斷面上的地表沉降監測點布置圖

3.2 沉降實測數據分析

沉降實測數據分析包括以下2 方面：

1）斷面沉降規律。此次所研究的區間內，斷面監測數據完整，在均勻分布在研究段上，選取4 個斷面為代表，對斷面地表沉降規律進行分析，結果如表1 所示。

表1 橫斷面地表沉降監測數據結果mm

分析表1 可知：（1）監測數據近似正態分布，在單線施工時，所導致的地表沉降事件獨立，雙線橫斷面地表沉降會由不同線先后施工所致地表沉降加劇；（2）由于隧道巖層位于上軟下硬復合地層，再加上盾構施工對于地層穩定性影響較大，所以斷面地表沉降監測數據滿足正態函數曲線要求。

2）縱斷面沉降規律。從研究結果可知，監測點盾構位于中風化石灰巖夾層，且厚度比較大，局部含有大量裂隙水，從而形成裂隙水導水通道。盾構施工遭遇軟硬結合面時，沒有及時調整施工參數，引起周邊巖土層擾動，且產生涌水問題，裂隙水低于地下水位，從而導致地表沉降問題發生。

4 盾構施工地表沉降的控制措施

4.1 上軟下硬地層地表沉降控制

上軟下硬地層地表沉降控制措施包括：

1）控制土倉壓力和出土量。由于復合型地層施工會對上部軟弱層造成較大擾動影響，且土倉壓力提供開挖面支護力，以此確保掌子面水土壓力平衡。所以必須合理設置土倉壓力，并且按照隧道埋深。不同地質情況以及沉降監測數據進行調整。可以通過改變掘進速度和出土量控制土倉壓力。

2）控制盾構推力。盾構施工進入到硬巖地層時，會相應加大地層下部阻力，此時就會導致盾構機出現磕頭問題。所以在掘進施工時應當加大千斤頂推力，并且盾構上侵推進[2]。

3）控制注漿因素。盾構機施工期間，注漿壓力大就會破壞上覆層軟弱層，還會導致管片變形，對盾構施工安全性造成較大影響。當壓力比較小時，漿液不會進入到巖體間隙層，此時需要按照上部軟弱層合理設置注漿壓力，按照標準要求控制漿液材料的含水量、黏稠度以及顆粒度。

4.2 地層改良控制措施

地層改良控制措施包括：

1）軟弱層改良措施。在改良軟弱地層時，可以通過以下方式實現：（1）盾構機通過上軟下硬段之前，必須注重軟弱層加固處理；（2）隧道內軟弱層與開挖面加固處理。在對地表軟弱層進行加固處理時，可以通過注漿及錨固等方式，但是地表條件會影響支護效果。在隧道內實施軟弱層加固時，需要通過注漿方式加固[3]。

2）硬巖層改良措施。由于上軟下硬段也存在硬巖層，改變盾構姿態，且盾構刀盤開挖面的巖土層切削程度不相同，此時就會導致開挖面與隧道巖土層損失。所以在盾構掘進期間，當存在局部硬巖石層時，需要在地表應用豎井開挖、沖孔樁機等方式，破除局部硬巖石，以此提升局部硬巖石清理效果。

4.3 合理排放地下水

隧道工程建設期間需要排放地下水，若施工人員沒有注重該項操作的合理性，將會對土層穩定性和強度造成影響。基于以上方面，在施工期間必須加強土層穩定性，注重地下水排放的合理性。施工技術人員可以按照工程實際情況采用地下滲水封堵或阻斷方式，適當減少排水時間。

5 結語

綜上所述，由于盾構施工穿越上軟下硬復合地層時，極易出現地表沉降問題，所以本文提出地表沉降控制措施包括上軟下硬地層地表沉降控制、地層改良控制措施以及合理排放地下水等，希望能夠全面控制盾構施工的地表沉降問題。