地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析

2013-08-15于天放

中国新技术新产品 2013年19期

于天放

（中国水电建设集团铁路建设有限公司，北京 100048）

随着社会的发展，盾构法施工在城市地铁建设中发挥着重要作用，此法既起稳定作用又可进行不间断掘进作业。它适用于各类软土地层和软岩地层的隧道施工，尤其适用于城市地下铁道施工。采用盾构法进行地下隧道施工时，由于盾构法为地下作业且盾构机体积较大，极易造成隧道地表出现沉降现象，尤其松软的含水层或其他不稳定地层的沉降更明显，因此，施工中要加强沉降的观测保证工程的质量。随着工业化、城市化逐步加快，地铁成为发达城市的重要交通要道，从一定程度上缓解了交通压力，盾构法在城市隧道建设中最大程度避免了因受施工环境给工程进度带来的影响。进行盾构施工时，确保地表的沉降控制在允许的范围内，加强对施工过程中可能发生的地表变形的预测是十分必要的。

1 地表沉降的原因分析

在城市地铁隧道盾构法施工时，地表沉降是施工中较为常见的一种现象，根据对许多工程的研究分析引起沉降的原因是多方面的，现将沉降的原因进行分析。

1.1 降水引起的沉降

降水是施工中创造干燥作业面的重要措施，运用盾构法掘进施工中难免出现堵水、排水的现象，降水后由于吸排水速度不同会形成曲面水位，进而使降水处含水层中土的有效应力增加，使其发生固结沉降。

1.2 地层应力引起的沉降

运用盾构法进行掘进时，需穿过稳定状态的地层，同时将会造成土体松动、挤压坍塌，使周围土体发生扰动，导致地层原始应力状态的改变，还有就是对于盾构施工时的弯道及对水平或垂直纠偏时，易造成掘进时周围土体因受挤压而受到破坏，造成土体的极限平衡状态发生破坏，引起地表下沉。

1.3 管片环变形引起沉降

当隧道衬砌脱出盾尾以后，就会受到土压力的影响，使盾构机的管片之间的防水层和缝隙因压力而被挤压成紧密的状态，最终致使管片环发生一定的变形，使地表发生沉降。

1.4 盾尾孔隙充填不足引起的沉降

在不稳定的地层中施工时，盾尾建筑空隙必须根据施工需要及时进行充填，并保证压浆材料的性能及充填量满足设计要求，否则将造成地表发生沉降。施工中受种种因素的影响，难免在弯道处发生超挖现象，进而导致盾尾的后部建筑空隙不规则扩大，不能准确掌握空隙所占的体积，如不采取措施及时对空隙进行处理，很容易造成地表沉降。

2 掘进控制技术

掘进是盾构法施工过程中重要的一环，掘进时对机械控制不当，使开挖面的水平支护力小于地层中的原始侧应力时，会出现土体向盾构内进行偏移，造成地层损失导致盾构上方的地表沉降。相反，当原始侧应力小于正面的推应力时，开挖面将会朝着前进的方向移动，使负地层损失而导致盾构前上方的土体凸起。

2.1 压力与沉降

盾构机作业时刀盘的推力产生的极限会随着刀盘作业产生推力的改变而变化，主动的土压力是侧向上压力的极限的最小值，被动土压力是侧向上压力极限的最大值，静土压力则位于极限最大和最小值之间。对于刀盘前方的土压力比主动土压力小时，可能出现土体沿着滑动面滑动而致使地层和地表发生沉降的现象。为更好的控制土压力和便于控制，可先设定一个标准，然后采取PDCA循环进行管理，产生的上限值即是被动土压力、水压力和预备压力的和，下限则是主动土压力和水压力之和。

2.2 浅埋隧道掘进技术

浅埋隧道掘进施工时，确保掘进工作面土体的稳定性是控制掘进质量的重要保证。当隧道埋深较浅或围岩基础不稳定时，施工人员须先掌握地质情况，根据具体参数制定施工技术方法，采用朗金理论计算主、被动土压力。朗金理论计算是在开挖面较为稳定的条件下进行主动土压力计算的，在施工时变形是难免的，因此，对于稳定性较差的地层、松软或变形较大、失水严重的地层，运用朗金理论计算出来主动压力是偏小的。在盾构施工时，当主动土压力比推进土压力大时，会出现土体下滑现象，导致地表发生沉陷现象。

掘进施工通过地下水较为丰富的地层时，为避免发生沉降可采取盾构机快速通过的同将渣土仓中进行泥浆灌注，使泥水室的压力提高，目前，在盾构中以水泥—水玻璃双液浆最常用，其能迅速进行地下水封堵作业。对精度要求较高的隧道施工一定要采取措施确保静土压力小于盾构的推进力，以致使土体向开挖方向变形而形成滑移，减少地表沉陷的目的。

3 管片的拼装技术

管片是盾构法施工中的重要的组成部分，其拼装技术对掘进质量产生直接影响。管片主要在盾壳内进行拼装作业。根据目前国内外盾构机管片的类型主要有球墨铸铁管片、钢管片、复合管片和钢筋混凝土管片，并且每环由很多的零碎管片组成。

根据工程的情况不同可采取不同的拼装方法，例如采取环管片纵缝对齐的拼装，不但很容易进行管片定位，使纵向螺栓容易穿过，而且施工效率较高，但是这种方法对环面的平整度较差，随着误差的积累，将导致环向螺栓难穿，环缝压密量不够。

4 管片衬砌背后注浆技术

管片衬砌背后注浆技术对盾构法的施工质量产生重要的影响。对于能自稳的地层，对注浆的方式要求不十分严格，但必须使用同步注浆，并在正常的注浆压力下进行注浆作业，以使建筑间隙能很好的得到填充，最大程度上防止了地层的移动，使地层的损失减小，地表沉降变形较小。

4.1 同步注浆

同步注浆是衬砌背后注浆的主要方式，对于能自稳的地层，在进行注浆时对填充率的影响是有限的，但对于不能自稳的地层采用逐步注浆时，必须在正常的注浆压力下，才能保证注浆质量，使建筑间隙得到有效填充，阻止地层向隧道方向移动以减小地层损失。同步注浆主要使用同步注浆系统及盾尾的注浆管，使盾构推进和盾尾空隙同时进行注浆，使注浆效率得到有效利用，保证周围岩体质量，防止岩体坍塌现象。

4.2 二次注浆

为保证壁后注浆层具有较好的防水性和密实性，在同步注浆技术后可根据情况采取二次注浆措施。管片背后注浆不能满足要求时，须根据情况制定相应的技术措施，确保注浆的质量、安全，防止漏水现象发生。漏水不但对隧道质量产生严重影响，还会因地下水流动使土体内有效应力发生改变，进而出现固结现象，易使地表发生沉降。通过注浆孔钻孔钻入土体达到2m时，就应对土体进行加固处理，采取止水措施，防止地表发生沉陷。

4.3 浆液性能

注浆浆液的流动性对注浆的质量有密切的关系。流动性好的注浆液，对保证注浆的质量起重要作用。当一环注浆完成后，施工人员必须在注浆液达到一定的条件后才能进行后续工序的作业，否则易造成后期收缩变形，满足要求后即可进行二次注浆作业，但必须严格浆液的流动性，即有利于弥补同步注浆的缺陷，又能对同步注浆起重要的填充和补充作用。

对地下水较丰富的地段，施工前要做好相应的专项施工技术方案。注浆浆液粘度对注浆的质量也产生重要的影响，为保证注浆后的充填效果，需将浆液的凝胶时间控制在1～4min，并用浆液进行空隙充填，同时将地下水疏干，一次注浆完成后需进行二次注浆时，可使用水泥—水玻璃浆液材料。

4.4 注浆施工质量控制要点

注浆压力和注浆量是影响注浆作业的重要因素，在注浆作业时，对二次注浆要求不高时，注浆量可依据工程项目的实际地质情况、作业人员的记录情况，对注浆效果进行分析研究，发现问题及时进行纠正，以使注浆效果达到最佳状态。

（1）注浆压力

注浆压力过大过小都将对注浆效果产生不良的影响，为保证注浆质量，在同步注浆作业时应采取措施，避免注浆填补后出现劈裂现象。当注浆压力过大时，易导致管片周围的土层因受到注浆液的扰动影响后期的地层沉降及隧道发生沉降，进而出现跑浆现象，尤其刚拼装完的管片影响更大；当注浆压力过小时，因注浆液的充填速度慢而不能满足施工要求，使地表发生较大的变形。

（2）注浆量

同步注浆主要是对空隙进行充填，但对充填有相当严格的要求，不能粗心大意，造成充填不足，造成沉降现象发生，同时要加强对掘进过程中对开挖工作面的纠偏、浆液渗透影响、注浆材料固结收缩的控制。在实际施工中，根据实践经验总结，其注浆量为理论注浆量的1.5～2.5倍，并加强对地表沉降的观测。

（3）注浆速度及时间

注浆速度及时间也是影响注浆质量的重要因素，为了使盾构机到最佳工作状态，在盾构机作业时，现场人员必须严格控制盾构机的推进速度及注浆时的注浆量，使推进速度达到适中及注浆量均匀，当不能再推进时要停止注浆，也就是说，使注浆速度及时间达到最佳的配合状态。当注浆速度较快时很容易造成管道堵塞，否则过慢就会导致地表发生坍塌，发生偏差。