风化砂质泥岩地层地铁盾构施工引起地面沉降及其控制

叶晨峰，阳生权，2，彭进宝

（1.湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201；2.土木工程施工过程与质量安全控制湖南省普通高等学校重点实验室，湘潭 411201）

0 引 言

地下工程施工引起的地表变形是城市地铁盾构施工中的一个重要问题，国内对在软土地层中地铁开挖的地面沉降控制已经有了比较深入的研究［1－7］.随着西部地区地铁建设的加快，以及地域特征和相应盾构技术的逐渐成熟，在风化砂质泥岩等非软土地层中进行盾构施工势在必行.由于盾构开挖对地表产生扰动影响，所以控制地面沉降是安全施工的关键问题.在掌子面掘进时有效控制地面沉降，并寻求其控制因素的定量关系极其重要.由于在非软土地层与软土层盾构施工引起的扰动有所不同，因此，加强对在非软岩地层中盾构施工的研究显得十分迫切.

本文以重庆轨道交通六号线二期TBM施工茶园段区间地铁工程为工程背景，通过现场大量的监测数据的比较，结合地面沉降的经验公式，得到在风化砂质泥岩地层进行盾构施工的注浆量和稳定比的控制范围，可以为类似工程的施工提供借鉴和参考.

1 盾构施工引起的地面沉降

在地表土层中进行盾构法施工引起的地面沉降通常可划分前期沉降（施工沉降）与后期沉降两个阶段.

前期沉降通常是由开挖过程中各种施工因素引起，多为不排水沉降，因此前期沉降阶段地层运动可认为是在不排水的情况下进行的.根据施工推进过程中盾构机所处位置的不同，前期沉降又存在明显三个阶段：

（1）盾构机前方土体受挤压，有明显的向前向上运动，从而地表微量隆起；

（2）盾构通过时其上方地表略有下沉；

（3）盾构通过后，由于管片外壁与土壁之间存在建筑空隙而引起的沉降.

后期沉降可分为主固结沉降与次固结沉降.主固结沉降是由于前期沉降阶段产生的超孔隙水压力消散而引起，而且与时间因素有关；次固结沉降是在超孔隙水压力消散结束后，因土层颗粒骨架继续有少量变形而产生.

盾构法施工中引起地面沉降的因素很多的，实际产生的沉降是各种因素的综合.根据盾构法地铁的施工过程和特点，盾构法地铁施工引起地表变形的主要原因一般可归纳为开挖面土体移动、四周土体挤入盾构机施工孔隙、土体与衬砌的相互作用、受扰动土体的再固结等几个方面.［1，4］

2 地面沉降控制

2.1 开挖面稳定比控制

盾构法施工引起周围地层变形的原因是土体初始应力状态受到扰动.如图1所示，当开挖工作面逐步接近盾构轴线上某一点（A点）时，主应力σ3增加速度大于σ1.σ3的不断增加使得盾构前方的土体积聚，并引起地表隆起.当开挖面前方土体没有及时施加支承，土体应力释放并向盾构内临空面滑移，引起地面沉降.

对于土压平衡式盾构施工，一定开挖深度Z的开挖面土体，开挖衬砌过程中要保持开挖面稳定，开挖面主动土体侧压力pz、水压力pw和密封仓压力pi应满足：

其中，主动土体侧压力pz与水压力pw分别为：

式中，K0为主动土压力系数，γe为土体不含水容重（kN／m3），γw为土体中的水容重（kN／m3）.

盾构施工过程中开挖面土体松动、坍塌，尤其是地下水位的变化，会导致地层原始应力状态的改变和土体极限平衡状态的破坏，从而引起地表下沉.

这里，风化砂质泥岩地层开挖面稳定比Nt：

式中，Su为土体不排水抗剪强度，n为折减系数，土压平衡式盾构，一般取n＝1.

图1 开挖面前方土体应力与开挖面压力

Nt越大，土体自稳性越差，越有可能发生剪切破坏，从而使正面土体塑流，导致地层损失增加，地面沉陷增大.当Nt很小时，支护压力很大，导致地面隆起，扰动土体，最终会增大后期沉陷量.

2.2 实例分析

重庆市轨道交通六号线二期复合式TBM试验段（茶园段）位于茶园新区，全长2704.06m，起始桩号为CK0＋626.64～CK2＋330.70，其中YCK0＋626.64～YCK0＋716.64、ZCK0＋626.64～ZCK0＋696.64段与始发井采用钻爆法施工，其余均采用TBM法施工.地层岩土体主要以砂岩、泥岩为主，地铁围岩多为风化砂质泥岩，场区地下水主要为基岩裂隙水，施工中要求将地面沉降控制在＋10mm～－20mm范围内.

为了研究依托工程地层稳定比与地面沉降关系，针对TBM试验段，在其它参数相同的条件下，选取10断面，运用公式（4）计算出稳定比，结合相应断面实测的最大地面沉降值（见表1），得到二者间变化曲线（见图2）.

表1 稳定比与最大沉降量统计表

图2 稳定比与最大沉降量关系曲线

可以看出，当稳定比Nt为4时，地面最大沉降量超过警戒值（－20mm），因此稳定比应控制在4以内.同时，稳定比的大小变化主要是由于地铁埋深增大，使得土体垂直应力Pz增大，因此开挖面支撑力必须随着地铁埋深的增大逐渐调整盾构仓内压力，二者共同作用，使得稳定比控制在4以内.建议依托工程开挖过程中稳定比控制在3～4之间.

2.3 注浆量的控制研究

如前所述，虽然地面沉降受多方面因素的控制，但注浆量的控制能有效控制地面沉降，因为建筑空隙的及时注浆压密对地面沉降存在影响.

一般将注浆量用充填率来表示，充填率是指注浆量与建筑空隙体积的比值.重庆市轨道交通六号线二期复合式TBM试验段（茶园段）使用的盾构外径为6.28m，而衬砌外径为6.10m，内径为5.40 m，宽为1.00m，因此建筑空隙体积：

为了研究注浆量与地面沉降的关系，在依托工程选取稳定比相同的八环灌入不同的注浆量，得到实测地铁轴线上方地表最大沉降量与注浆量（表2）及其关系曲线（图3）.

表2 注浆充填率与最大沉降量统计表

图3 注浆充填率与最大沉降量关系曲线

从表2与图3中可以发现，地面沉降随注浆填充率增大而减小，且当注浆填充率超过240%时，最大沉降量不超过警戒值（－20mm），并且沉降量随注浆填充率变化不是很大.因此，宜将注浆填充率控制在240%以上，但出于成本控制，注浆填充率控制在一定范围内，以260%左右为最佳.因此，建议注浆填充率宜控制在240%～260%之间.

3 结论与建议

通过上述盾构地铁沉降及其控制研究，可以得到以下结论与建议：

（1）地铁开挖而引起的地面沉降受多种因素控制，但只要将这些影响因素控制在合理范围内，便能达到控制沉降的目的.

（2）在风化砂质泥岩地层非软土地层中，地铁盾构施工，开挖面稳定比宜控制在3～4之间.

（3）注浆填充率是控制地面沉降的关键因素，考虑到注浆量对地铁轴线上浮的影响，在风化砂质泥岩地层非软土地层中宜控制在240%～260%之间.

［1］唐益群，叶为民，张庆贺.上海地铁盾构施工引起地面沉的分析研究（三）［J］.地下空间，1995，15（4）：205－258.

［2］葛卫娜，梁青槐.隧道开挖对周围建筑物造成的损害及治理措施［J］.华北科技学院学报，2005，2（3）：84－86.

［3］吴 波.复杂条件下城市地铁隧道施工地面沉降研究［D］.成都：西南交通大学硕士论文，2003.

［4］张成平，张顶立，王梦恕.浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（增2）：3601－3608.

［5］杨海朋.施工过程中浅埋隧道自身性状及上部建筑物沉降变形的数值分析［D］.长沙：湖南大学硕士论文，2007.

［6］侯艳娟，张顶立，李鹏飞.北京地铁施工安全事故分析及防治对策［J］.北京交通大学学报，2009，33（3）：52－59.

［7］马达君.软土地区盾构隧道施工引起地面沉降的理论与数值研究［D］.杭州：浙江工业大学 硕士论文，2010.