破碎帶掘進地面沉降和隆起分析

鐵強

摘要：根據盾構掘進造成路面沉降和隆起的現象，結合破碎帶及覆蓋地層特性進行分析，探討地面沉降和隆起原因，針對該類地層掘進提出一些施工方面的建議措施。

關鍵詞：破碎帶掘進;地面隆起;地面冒泡;土壓盾構

引言：

土壓平衡式盾構是通過控制出土量或出土速率及盾構推力以達到維持開挖面穩定和向前推進的目的，目前已被廣泛應用于我國和世界各國城市地鐵的施工建設中。對于土壓平衡盾構，理論分析、現場實測及有限元模擬研究表明，過大的開挖面支護壓力、盾構機偏斜、盾構機與土體之間的摩阻力以及過大的注漿壓力都會對土體產生擠壓作用，導致地面隆起和深層土體向遠離隧道方向移動。在實際施工中，地面通常會先隆起、后沉降的發展規律。本文通過工程實例，探討土倉氣壓、同步注漿及推力對地面隆起產生的影響。

1、工程概況

1.1概述

區間左線ZDK12+641.100～ZDK14+141.077，全長1420.310m，其中ZDK13+020.333=ZDK13+100.000，短鏈79.667m;右線YDK12+641.100～YDK14+141.077，全長1440.524m，其中YDK13+040.547=YDK13+100.000，短鏈59.453m。區間線路平曲線最小半徑為450m，左右線線間距約15.2～17.2m。線路最小坡度為12.72‰，最大坡度為28‰。區間隧道埋深4.7m～21.8m。區間隧道主要穿行于強風化板巖、中風化板巖、強風化構造角礫巖和中風化構造角礫巖中。

1.2構造破碎帶地層特征及水文地質情況

斷裂帶影響區間近始發段，以構造角礫巖為主，夾碎裂狀板巖，構造角礫巖發育有強風化及中風化。強風化構造角礫巖以泥質膠結為主，巖質極軟，巖體極破碎，夾糜棱巖及斷層泥;中風化構造角礫巖以硅質膠結為主，膠結程度較好，已膠結成巖，巖質較硬，巖體較破碎，夾破裂狀板巖。受斷裂影響，斷裂帶附近范圍板巖巖體裂隙發育，呈散體狀及破裂狀結構，裂隙面為紊亂的線狀石英脈充填。

根據勘查統計結果分析，該斷裂帶巖體不均勻，強風化構造角礫巖強度較差，巖體極破碎;中風化構造角礫巖強度較好，巖體破碎。

根據勘察揭露各巖土層特征，本區段主要含水層的巖土條件，按照地下水的賦存介質可分為第四系松散層孔隙水和基巖及構造角礫巖裂隙水兩種類型。勘察期間，場地大部分鉆孔均遇見地下水，地下水主要為賦存于第四系土層中的孔隙潛水和基巖裂隙中的基巖裂隙水?？辈鞎r測得鉆孔中穩定水位埋深為5.1～9.4m，水位標高為28.93～60.93m。

1.3區間穿越破碎帶周邊情況

區間盾構穿越構造破碎帶段主要位于偏僻的市政道路下方，周邊無建（構）筑物，管線距離較遠。

2、現場施工過程

2.1現場掘進參數及異常情況

區間右線于2020年4月14日正式始發，左線于2020年5月17日正式始發。左線采用中鐵山河盾構機，右線采用鐵建重工盾構機。

6月5日掘進拼裝第29環時，此時掘進參數主要為：推力11000KN，掘進速度20mm/min，扭矩2300 KN·m，出土量59m3，土倉壓力1.3bar，同步注漿量為6 m3。6月6日至7日，因現場渣土池滿，不能出渣，現場停止施工，此時左線拼裝完成29環，刀盤位于33環，8日上午10時恢復掘進。停機期間盾構土倉上部壓力約1.0-1.2bar。6月8日上午掘進拼裝第30環時，此時掘進參數主要為：推力11000KN、掘進速度15mm/min，扭矩2400 KN·m，出土量68m3，土倉壓力1.2-1.3bar，同步注漿量為7 m3。6月8日下午掘進拼裝第31環時，此時掘進參數主要為：推力17500KN、掘進速度10mm/min，扭矩3000 KN·m，出土量60m3，土倉壓力1.3bar，同步注漿量為7 m3。

掘進部分參數詳見下表：

6月8日恢復掘進后掘進參數異常情況： 1）推進時速度波動較大，波動范圍約為0-30mm。2）推進時刀盤扭矩波動較大，波動范圍約為1500-4200KN·m。3）下午掘進第31環時盾構推力明顯變大;4）螺機存在噴涌現象;5）同步注漿量不低于6方/環，每環二次補漿量偏高，每環二次補漿量約為3-4 m3。

2.2地面監測情況

6月7日下午17時左線監測數據顯示第24、34環地表監測點單次沉降變化值均超過10mm，34環地面位置單次沉降最大為-15.25mm，累計沉降達-19.43mm;24環地面位置單次沉降最大達-31.54mm，累計沉降達-33.95mm。地面沉降已達紅色預警。

6月8日下午左線監測數據顯示，27環-37環地表均存在隆起現象，最大隆起位置為34環，單次隆起值達39.94mm，并且由于路面鋪裝層與水穩層之間的間隙被混入大量漿液、泡沫，路面鋪裝層隆起高度達到了30cm左右。

沉降從24環至34環在停機期間較為明顯，影響范圍約15米，沉降范圍靠后，管片脫出盾尾后及后續沉降大。隆起從27環至37環在恢復掘進后較為明顯，影響范圍約15米，隆起范圍靠前，在盾構刀盤位置較大。

2.3監測點位及地面存在冒氣、冒泡、開裂、隆起等現象

區間左線目前盾構隧道埋深約12m，盾構掘進至34環時，盾構施工保壓氣體、同步注漿漿液從監測點、路面縫隙中冒出。

3、關于地面沉降分析

根據6月7日及6月8日左線監測數據顯示第24、34環地表監測點單次沉降及累計沉降變化較大，造成紅色預警現象，結合施工過程分析，引起該處地面沉降有下幾方面的因素：1、盾構進入斷裂破碎帶掘進，斷裂帶巖體強度和穩定性差，地層水易流失;2、刀盤對地層的切削，盾殼對周圍土體的摩擦和剪切造成隧道周圍土層的擾動;3、由于地層裂隙較多，同步注漿和二次注漿漿液存在一定的流失，造成盾尾后壓漿不及時和不充分;4、因地面不能出渣，盾構無法連續施工，盾構被迫在該處停機，停機期間未采用膨潤土輔助保壓，氣壓在裂隙中流失，土倉壓力波動較大。5、4月23日，在右線13、16、19環地表沉降橙色預警，右線25環前后地面存在冒泡現象，對左線地層存在擾動。

4、關于地面隆起開裂分析

由于巖體極破碎，裂隙較多，受到刀盤擾動，巖體裂隙擴大，土倉氣體向地層裂隙不斷擴散，為保證土倉壓力穩定（倉壓約在1.2-1.3bar），不斷加氣加壓，氣體布滿盾構機周邊及上部巖體，壓力向地表傳遞，在地層中以盾構機為中心形成氣囊。同時，由于破碎帶的存在，一方面加大了漿液的擴散半徑，釋放壓力;另一方面順著破碎帶，漿液壓力可以向地面傳遞（同步注漿及二次補漿的壓力約1.9bar），造成盾尾處漿液上竄。

在強風化角礫巖中，受到刀盤處氣壓影響和盾尾處注漿影響，伴隨盾構掘進擾動影響，從而在盾構機周圍形成較大的壓力，且氣壓和注漿壓力隨著破碎帶裂隙向地面傳遞。查看詳勘報告，在里程ZDK12+693附近，即左線24、34環處隧道埋深約12m，隧道穿越的地層為全斷面強風化構造角礫巖，上部地層情況0-0.4m為瀝青路面，0.4-5.2m為素填土，5.2m以下為強風化構造角礫巖。

隧道上方的4.8m的素填土及0.4m的瀝青硬殼層無法抵抗氣壓和注漿壓力作用，從而造成剪切破壞，發生地面隆起現象。發生地面隆起后，在盾構機上方地面打孔，當打破路面瀝青層后，明顯有氣體沖出，伴隨泡沫和水。在其他破碎帶掘進時，由于隧道埋深加大，且上方覆土有較厚的強風化板巖、全風化板巖等，因此未發現有明顯隆起現象。

另外，在6月8日下午掘進第31環時，盾構推力明顯增大，由前幾環的11000KN，增加到17500 KN，扭矩由2400 KN·m，增加到3000KN·m，掘進速度也由明顯降低。相同地層及埋深下，盾構機工作面的總推力大小直接影響地面沉降，在盾構施工過程中，開挖面的支護力不可能完全等于原巖應力。當盾構開挖面的支護力大于原始土壓力時，正面土體受到擠壓向前向上移動，從而使地表發生隆起，覆土越淺地層越破碎的隆起越明顯，覆土較深的隆起較小。盾構機殼壁與土層之間的摩擦力，在盾構施工推進中，盾殼和土層之間會產生摩擦力，在這種摩擦力的作用下，盾構工作面附近的土體同樣會產生向上和向前的移動，擴展到地表，同樣引起地表的沉降或隆起。

5、總結及建議

5.1招標圖原有破碎帶地層加固，但在施工圖審查時取消原招標設計2.0mX2.0m袖閥管深孔注漿，加固至隧道上方3m、左右下各1m的保護措施。

但在實際施工過程中證明在極破碎的破碎帶中，若上方無較厚的穩定覆土，在盾構施工參數不當的情況下易引起地面的較大的沉降或隆起，對周邊管線或建構筑物造成較大影響。因此，在具備地面加固條件下應在隧道施工前進行地面加固處理，填充地層裂隙，增加地層抗剪強度指標。

5.2根據現場實際盾構掘進施工情況，掘進參數異常、地面冒漿冒泡、道路路面沉陷、地層穩定時間較長等現象，并根據專家咨詢會意見，建議加強二次注漿及效果檢測，對存在較大環境風險地段增加洞內深層注漿措施，防止路面塌陷和沉降。

5.3氣體和漿液會沿著地層裂隙或孔隙向地面擴散，壓力越大擴散范圍越大，并且可能造成圍巖錯動，甚至地面局部隆起。在破碎帶掘進中，需注意監測孔或地面裂縫是否有氣體溢出，掘進或停機期間需采取措施防止氣體損失太快。

5.4盾構機工作面的總推力和盾構機殼壁與土層之間的摩擦力直接影響地層沉降或隆起。在相同地質條件掘進時，當掘進參數發生異常變化時需提高警惕，即使分析異常數據原因。

參考文獻：

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