富水砂層盾構隧道縱向不均勻沉降及實時監測方法研究

鞠海峰

（中國能源建設集團南方建設投資有限公司，廣東深圳518126）

1 引言

盾構法是城市地鐵隧道施工中應用最廣泛的工法， 具有安全、高效等特點，但在施工期間會對周邊環境產生影響，若形變過大，會造成一定的風險[1]。 特別是近年來盾構隧道施工安全事件不斷，例如，某城市地鐵2 號線盾構區間于2018 年2月7 日發生的大面積地面塌陷， 釀成8 人死亡、3 人失聯的安全事故，給人民生命財產安全造成巨大損失。 基于此，本文以哈爾濱地鐵2 號線為例， 對盾構隧道區間不均勻沉降及實時監測展開分析、研究，對類似地層盾構隧道安全施工具有重要意義。

2 工程案例

2.1 工程簡介

哈爾濱軌道交通2 號線人民廣場站—中央大街站—尚志大街站區間為兩條6 m 外徑圓形斷面隧道，采用盾構法施工，由遼寧三三工業生產的11#、12#盾構機負責施工。 其中，人民廣場站—中央大街站區間右線起訖里程為SK16+148.226～SK16+849.813，全長701.587 m，線路最大坡度為21‰，最小坡度為2‰，隧道埋深約為10.2～18.2 m；中央大街站—尚志大街站區間右線起訖里程為SK16+988.813（XK16+988.813）～SK17+708.800（XK17+708.800），全長719.987 m，線路最大坡度為23.052‰，最小坡度為2‰，隧道埋深約為10.2～15.4 m。人民廣場站—中央大街站—尚志大街站區間示意如圖1所示。

圖1 人民廣場站—中央大街站—尚志大街站區間示意圖

2.2 工程水文地質情況

人民廣場站—中央大街站區間盾構穿過地層主要為<2-3-1> 中砂、<2-4> 粉質黏土、<2-4-1> 礫砂及<2-4-2> 粉質黏土層； 中央大街站—尚志大街站區間盾構穿過地層主要為<2-3>細砂、<2-3-1>中砂、<2-4> 粉質黏土及<2-4-2> 粉質黏土層。

本區間位于松花江漫灘區， 地下水主要為第四系全新統孔隙潛水與下更新統砂礫層孔隙承壓水。

3 富水砂層盾構隧道縱向不均勻沉降

3.1 沉降原因分析

根據沉降規律總結，在盾構掘進過程中，沉降發生于早期沉降、開挖面沉降、盾體通過時沉降、盾尾間隙沉降及后續沉降5 個階段[2]，具體介紹如下。

3.1.1 早期沉降

當盾構機掌子面距離某斷面尚有一段距離（3～15 m）時，因盾構掘進掌子面前地下水流向掌子面， 導致地下水水位下降，進而形成地層固結沉降。

3.1.2 開挖面沉降

盾構機掌子面前方3 m 到掌子面位置， 因盾構機土倉壓力較小或過大，土壓和地層壓力不平衡，引起掌子面前方土體產生變形，進而造成地層沉降或隆起。

3.1.3 盾體通過時沉降

盾構機盾尾直徑較刀盤直徑更小， 故盾體和土體之間存在空隙。 因此，在盾構機盾體通過掌子面時，會因超挖、糾偏、盾構機擾動等因素，較易形成地層沉降，擾動過大也可能形成隆起。

3.1.4 盾尾間隙沉降

盾構機穿越某斷面，土體會產生彈塑性變形。 由于同步注漿滯后、壓力較小或注漿量不足等，均會導致注漿效果較差，管片后方和土體之間間隙充填不充分，引起地層釋放應力，進而導致地層沉降。 而同步注漿壓力過大或注漿量太多，則會形成附加土壓力，進而產生地層隆起。

3.1.5 后續沉降

盾構穿越某斷面后，因盾構掘進引起地層擾動、注漿不充分等原因，導致盾構機前后方土體水力連通，后方地下水流到刀盤開挖面，造成盾構機后方地層水土流失，及土體蠕變壓縮導致地表發生后續的長期沉降。 盾構在砂層等軟弱地層掘進，沉降最為明顯。

3.2 沉降控制措施

3.2.1 掘進參數控制

結合理論知識，依據地層及隧道埋深設計情況，對盾構機開展受力分析，具體如圖2 所示。 在實際掘進施工期間，結合理論計算數據及以往類似工程經驗， 對盾構掘進參數實行實時調整，掘進參數總結如表1所示。

表1 盾構機掘進參數

圖2 盾構機受力示意圖

3.2.2 盾構機姿態控制

盾構機掘進過程中，嚴格控制盾構機左右油缸行程差、盾構機位置偏差、鉸接油缸行程差等，若偏差大于10 mm，則應及時糾偏處理。

3.2.3 同步注漿控制

盾構掘進過程中實行同步注漿以填充管片背后空隙，同步注漿進行注漿量、注漿壓力雙控制，其中，以注漿壓力控制指標為主，注漿量控制指標為輔。

對砂質土及軟黏土等地質條件， 必須及時進行管片背后注漿。 同步注漿的質量主要從漿液性能(流動性、稠度、析水率、凝膠時間、漿液強度等)、注漿壓力與注漿量等方面進行控制，側穿建筑物段施工時，先通過試驗段確定最佳注漿壓力及注漿量，再進行側穿建筑物段掘進施工。

3.2.4 二次注漿控制

若同步注漿不到位，管片背后充填不充分，易造成管片滲漏、地面沉降等，則應開展二次注漿。 二次注漿實行少量、多次、多點、均勻的原則，在管片脫出盾尾5 環后進行。 二次注漿漿液配比如表2 所示。

表2 二次注漿漿液配比

3.2.5 渣土控制

1）選用適宜的渣土改良劑

當前，在盾構掘進過程中，向土倉注入渣土改良劑，以減小刀盤扭矩，提高渣土流塑性。 在富水砂層地層中，一般適用膨潤土或泡沫劑與膨潤土混合液進行改良， 不僅可以起到潤滑作用，還能在一定壓力作用下在掌子面形成泥膜，發揮更佳的止水效果，并增強掌子面的穩定性[3]。

2）控制出渣量

施工期間， 嚴格控制每環出渣量， 偏差不超過理論值的5%，保證出渣量與掘進行程同步。

3.2.6 增強盾構機配置

1）改進同步注漿系統：（1）增設補償注漿裝置，在原有注漿管路系統上增設注漿管路， 達到盾尾同步注漿與管片后注漿同步實施的目的， 用最短時間填充施工間隙， 控制地表沉降；（2）增加同步注漿管路疏通系統，在注漿管路上增設高壓風管路，快速解決注漿管路堵塞問題，避免注漿中斷，實現同步注漿的連續性，達到控制沉降的目的。

2）改進二次注漿系統：（1）將氣動泵更換為機械柱塞泵，提高注漿功效；（2）對二次注漿管路進行改造，將鋼注漿管改為高壓膠管，確保二次注漿的靈活性和機動性，達到對突發沉降部位及時注漿的目的。

3）將盾構單閘門螺旋輸送機更換為雙閘門螺旋輸送機，防止盾構機在富水砂層中發生噴涌，導致地層失水沉降。

4）更換高強度盾尾刷，采用優質盾尾油脂，確保盾尾無滲漏，防止地層失水，達到控制沉降的目的。

5）更換優質的鉸接密封，確保鉸接處不出現滲漏，防止地層失水，達到控制沉降的目的。

6）配置適合富水砂層及粉質黏土地層中掘進刀盤刀具，選用耐磨型刀具， 保證盾構掘進的連續性， 減少對地層的擾動，達到控制沉降的目的。

4 沉降監測方法研究

4.1 監測目的

區間隧道應用盾構法施工，對沿線周圍環境、建構筑物必然產生影響。 為確保盾構隧道施工安全、順利實施，在盾構掘進過程中積極改進作業方法、工藝及參數，最大限度地降低地層形變，確保盾構隧道施工安全，并對周圍環境進行保護，需對盾構隧道施工全過程開展監測[4]。施工監測的主要目的包括以下幾方面。

1）掌握各種因素對地面和地層形變的影響，便于有針對性地改進盾構隧道施工工藝及參數，降低地表及土體形變，確保盾構隧道工程施工安全。

2）預測盾構隧道施工導致的地表及土體變形，根據地表變形的發展趨勢及周邊建（構）筑物、地下管線的沉降情況，決策是否需實施保護措施， 為明確經濟適用的保護措施提供依據、經驗。

3）檢查盾構隧道施工導致的地表沉降及建（構）筑物是否超出設計允許值范圍，并在發生問題后便于提供仲裁依據。

4）為研究地層、地下水、盾構施工參數和地表及土體形變之間的關系積累經驗及數據， 為研究地表沉降及土體形變的分析預測方法等積累資料，并為改進設計提供依據。

4.2 監測項目

為確保盾構掘進及周邊環境安全， 在施工過程中需要進行沉降監測的項目包括地表沉降、 建筑物沉降、 地下管線沉降。 具體如表3 所示。

表3 沉降監測項目列表

4.3 實時監測方法研究

盾構施工期間，沉降監測后及時開展監測數據整理及分析，判斷其穩定性，并及時反饋至施工現場以便進一步指導盾構隧道施工。 在盾構區間建筑物沉降中，傳統的監測方法是利用精密幾何水準測量，雖技術可靠、精度較高，但監測勞動強度大且非實時連續監測，可能受人為干擾較大。 當前，實時遠程自動監測系統廣泛應用， 其主要利用計算機與無線通信等技術，由靜力水準器、電磁式位移傳感器、巡檢儀、計算機和GPRS 模塊等組成。 該系統的主要工作原理為：在建筑物監測點布置靜力水準器， 各靜力水準器之間使用連通管連接， 并將摻有防凍液的純凈水裝入各靜力水準器和連通管內，在重力作用下，液面高度保持一致，當建筑物出現沉降或提升時，液面會出現變化，該變化通過電磁式位移傳感器精確反映，并通過巡檢儀實時傳輸到監控系統[5]。 具體如圖3 所示。

圖3 自動監測系統結構

5 結語

綜上所述，隨著我國城市化水平的提升，城市地鐵工程全面開展，作為區間隧道運用最廣的施工工法，盾構具有諸多優點，但是在施工期間也極易出現地面、建（構）筑物及管線等不均勻沉降問題，給周邊環境帶來一定的安全風險。 本文依托哈爾濱地鐵2 號線盾構隧道施工，對盾構在富水砂層地質中施工不均勻沉降展開分析， 提出相應的控制措施，并對實時監測方法展開研究，對我國類似地層盾構施工具有一定指導意義。