軟土地層預防地表沉降技術措施總結

摘 要：杭州望江路過江隧道下穿錢塘江，由于現場環境的復雜和富水地層及粉性土等多種地質條件，采用大直徑盾構施工過程極易對土層產生擾動。在原地層受到擠壓、扭曲的情形下，地表會產生變形和沉降，針對此，研究在軟土地層條件下預防地表沉降的具體措施。

關鍵詞：地表沉降；土倉壓力；盾構參數；地表監測

中圖分類號：U455.43" " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）08-0019-03

1 工程簡介

杭州望江路過江隧道工程位于錢江三橋（西興大橋）和四橋（復興大橋）之間，為新建城市主干道，隧道全長3 240 m，其中封閉段長約2 905 m（含盾構段長度1 830 m）。根據地質勘探資料，隧道勘探深度內地基土劃分為10個工程地質層，共28個亞層和5個夾層。地下水類型按其含水介質、水動力特征及其賦存條件，主要分為第四系松散巖類孔隙水、第四系松散巖類孔隙承壓水和基巖裂隙水3類。

本路段南北兩側以江南和江北工作井為界，主要位于錢塘江水域內，上部粉性土因河道沖刷作用，沉積厚度較薄，根據地質條件和氣候條件，采用盾構開挖方法。由于處于軟土地層，為此盾構施工過程中需采取措施嚴格控制地表沉降，減小對錢塘江環境的影響，保證施工安全。

2 施工過程中地表沉降存在的問題

盾構掘進過程中，機器的掘進及速度上的影響，會對隧道周圍土體產生擾動。而施工中超挖會導致地層出現損失，嚴重則會引起地面塌陷[1]。對地鐵施工的各項參數與地表沉降之間的關系進行研究，對地鐵隧道施工安全具有重要的理論意義與工程實踐價值[2]。通過分析國內外對盾構法施工的總結，歸納出地表沉降的原因主要有開挖斷面土體應力變化、盾體空隙、盾尾注漿引起的土體擠壓等。因此，在施工過程中，應密切關注地層損失狀況和相關影響因素，保證推進過程中處于正常范圍，總結面臨的相關問題，并隨后對所采取的措施進行分析。

2.1 地表沉降的相關因素

2.1.1 事前地層損失的存在

由于錢塘江地下水豐富，覆土層厚度存在差異，使得在開挖面隧道軸向產生滑移，造成某斷面在掘進面未到達前便已出現沉降。因此，盾構機在進入該斷面前，便需要做好姿態上的調整和參數上的合理配置。

2.1.2 掘進面的地層損失

在盾構進入開挖斷面時，其對土體的擾動最大，壓縮的土體所產生的應力使得土體不斷向盾尾后移動。由于存在超挖的情況，使得此時地表沉降的程度最大。當盾構穿過該斷面，沉降量逐漸減小并趨于穩定。

2.1.3 盾尾空隙

盾構通過后，若盾尾存在空隙，則會立即發生沉降。受擾動的土體應力釋放和土壓力的彈塑性變形影響，土體本來所具有的密實度下降。在盾構推進后，若尾部存在空隙，就會立即被周圍土體填充，進而導致較大的地面沉降。施工中，可通過同步注漿和二次注漿，減小空隙，防止沉降出現。

2.2 監測點布控

監控點的布控和位置如何選擇都需要進行嚴格分析和測量，以保證監測效果精準有效并反饋及時。

2.3 人為因素的影響

人為因素是施工過程中最重要的因素，人的主觀能動行為會直接影響現場全過程。因此，做好技術措施預防的前提，是將人為因素將會產生的影響降到最低。組織人員結構對施工有著決定性的作用。

3 預防地表沉降技術措施

為預防地表沉降現象，項目部在施工過程中要不斷優化盾構掘進參數，調整盾體姿態，降低空隙存在產生的不良影響，并通過分析監測數據不斷進行調整，以保證各項技術措施取得效果。

由于錢塘江地層的復雜性，為適應盾構在全新地層中的工作，“錢江號”盾構正式掘進前，要先在150 m范圍內進行試掘進。依據土質情況、覆土層厚度、富水程度等相關環境因素，初擬定整套盾構施工參數，通過與現場監測數據相結合，不斷優化參數直至最佳，以保證相關技術措施更為合理和匹配。

3.1 優化盾構掘進參數

3.1.1 土倉壓力動態調整

土倉壓力直接控制開挖面土體移動狀態，通過土倉壓力的調整降低開挖面坍塌、土體損失及變形發生的嚴重程度及概率。現場實際掘進過程中，當土倉壓力低于合理范圍內，盾構刀盤前方的地表會產生沉降。而高于合理范圍，地表則會出現隆起現象。因此，確定盾構土倉壓力成為控制地表沉降的關鍵環節之一。

具體土壓力計算如圖1和圖2。

切口水壓上限值計算公式如式（1）（2）所示。

Pfu=P1+P2+P3+P4" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

Pfu=P1+P2+P3" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

=γw·h+K0[（γ-γw）·h+γ·（H-h）]+20+γ水·h水

式中：Pfu為切口水壓上限值，單位kPa；P1為地下水壓力，單位kPa；P2為靜止土壓力，單位kPa；P3為變動土壓力，單位kPa，一般取 20 kPa；P4為江水壓力，單位kPa，可根據不同的水深確定；γw為水的容重，單位kN/m3；h為地下水位以下的隧道埋深（算至隧道中心），單位m；K0為靜止土壓力系數；γ為土的容重，單位kN/m3；H為隧道埋深（算至隧道中心），單位m；γ水為江水的容重，單位kN/m3；h水為江水的深度，應根據潮汐表確定盾構切口上方實際水深，單位m。

切口水壓下限值計算公式如式（3）所示。

Pf1=P1+P2'+P3+P4" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

=γw×h+Ka[（γ-γw）×h+γ×（H-h）]-2×Cu×" " "+20+γ水h水

式中：Pf1為切口水壓下限值，單位是kPa；P2'為主動土壓力，單位是kPa；Ka為主動土壓力系數；Cu為土的凝聚力，單位是kPa。

實際取值介于理論計算值的上下限之間，然后根據實際監測數據進行調整。不同地層土壓力計算結果如表1所示。

K0取值參考土層特殊實驗指標一覽表建議值，粘聚力和內摩擦角參考物理力學性質統計表，砂土采用剪切實驗q平均值，黏土采用cq實驗值。因為對于砂土兩種實驗結果相差不大，黏土根據工程實驗經驗采用cq值比采用q實驗值更合理。根據各里程水深及水壓的計算，部分里程水土壓力如表2。

試掘進過程中，通過土倉壓力的試驗和計算，將參數設定在各計算范圍內。隨著不斷深入江底，地面附加荷載不斷產生變化，施工過程中在監測到沉降或隆起現象即將出現時，須立即多次、微調參數，通過土倉壓力的合理設定，預防沉降現象的出現。

3.1.2 同步注漿配比合理設定

盾構推進過程中，通過對土體表層注漿加固可以達到減小沉降、降低土體擾動的目的[3]。同步注漿漿液自盾尾注入，能夠及時填充盾構機身等其他襯砌外圍土體空隙，降低周圍土體的影響，有效控制地表沉降。盾構漿液必須選擇和易性號、滲水性小的漿液，并通過均勻壓注，防止對土體產生的壓力過大或過小。隧道注漿壓力隨著管片推進不斷變化，根據漿液配比和漿液質量產生的監測效果進行調整注漿壓力和注漿量。在壓力未處于合理范圍內時要暫時停止推進，防止地表沉降現象的發生。

3.2 盾構姿態調整

調整盾構姿態是為了防止盾構機偏離軸線距離較大。施工過程中，要防止出現曲線或蛇形運動，以減小盾體與周邊土體的空隙，降低對周圍土層的擾動和影響。同時，保證盾尾油脂壓注連續、足量，避免淤土從盾尾向隧道內滲漏而造成土體流失。通過盾體姿態與盾尾空隙的管控，從而預防周圍土體隨著盾體向盾殼移動而出現的更大地表變形狀況。

3.3 合理嚴格管控地表監測點

對監測點的合理選取與監測數據及時分析是事前和過程中預防地表沉降的保證。

3.3.1 監控點布控動態跟進

在確保掘進參數合理的前提下，通過監測點的多次選取與對比，得到在該地層掘進時的沉降控制參數。

在隧道中軸線上方每隔10 m設立沉降監測點，并隨著不斷推進每50 m設立監測斷面。根據監測斷面數據的監測，能夠及時分析出在盾構未達到時是否已出現地層損失，從而在做好各項參數合理配置的前提下進入該斷面，降低對地層的擾動，保證安全順利進出該位置。

3.3.2 監測數據及時分析與糾偏

在盾構掘進過程中，根據監測數據進行分析，確認沉降程度，并與各項施工參數之間的對照分析。結合具體工程情況及時修正與糾偏，保證盾構參數合理匹配，從而防止土體受到較大擾動、預防地表沉降。

3.4 提高過程管理與控制

施工過程中，要以合理的施工組織結構，對監測數據的隨時關注，及時調整各項相關參數，以便快速進行糾偏，以高效的過程管理預防地表沉降現場。為防止因操作失誤或信息不匹配等人為因素出現，項目部特制定相關責任人制度，確保過程管控分工更加明確，不斷優化匹配任務，從而做到及時分析與調整，預防地表沉降。

4 結束語

施工過程中通過對施工中存在的問題進行分析與總結，不斷對土倉壓力和相關盾構參數進行調整。在不同地質條件下密切關注監測數據，確?！板X江號”盾構機在推進過程中對周圍土體擾動控制在標準范圍內，最大程度減少過程中產生的土體損失，從而預防地表沉降。

參考文獻

[1] 周海群.軟土地層盾構施工中掘進速度對地面沉降的影響分析[J].鐵道建筑，2012（3）：45-48.

[2] 吳賢國，王彥紅，繆翔，等.地鐵盾構施工誘發地表沉降關鍵影響因素分析[J].土木建筑與環境工程，2015，37（2）：8-15.

[3] 朱建明，程海峰，江強.大直徑泥水盾構施工對軟土地層的沉降影響研究[J].隧道建設，2013，33（5）：348-353.