从土压平衡盾构设计角度对地表沉降控制的一些思考

王杜娟

(中铁隧道装备制造有限公司，河南 郑州 450016)

0 引言

盾构的地表沉降控制是一个综合问题，其中施工控制占主导因素。从施工方面对地表沉降控制的研究文献已有很多。杨书江等［1］介绍了盾构通过重要建(构)筑物的施工技术。刘云龙［2］认为应参照地表监测数据调整施工过程中的参数以达到地表沉降的控制。陈广亮［3］系统分析了超前、同步、补注浆3种方式改善砂卵石地层的物理力学性质的机制，并介绍了不同注浆方式的注浆方法和参数，认为通过各阶段的注浆能够有效地控制盾构法施工引起的地表沉降。卢瑾［4］以广州市轨道交通四号线南延段盾构法施工为研究背景，用2种方法分析并预测了盾构法施工引起的地表沉降，认为地表土体产生沉降最主要的原因是盾构开挖过程中引起的地层损失。黄春来等［5］通过对上海地铁软土地层盾构施工引起的地层变形原因和机制进行分析，结合派克公式对地层变形进行计算，引出地层损失率作为沉降控制标准，并提出了软土地层盾构施工地层损失控制技术要点。何国军［6］分析泥水平衡盾构施工引起地表沉降的机制，结合超大直径泥水平衡盾构施工实例，从切口压力、泥水指标控制及同步注浆管理等方面探讨超大直径泥水平衡盾构施工地表沉降的控制技术。郑淑芬［7］对盾构隧道施工地表沉降进行了较为深入的研究，首先，归纳总结前人研究所得理论，分析了产生地表沉降的机制和影响地表沉降的因素以及地表沉降的大致规律;接着，以广州地铁三号线北延段高增站—新机场南站区间盾构隧道为实际工程背景，运用有限元软件MIDAS/GTS模拟盾构隧道开挖掘进过程，分析盾构隧道掘进过程中产生的地表沉降，并将数值模拟分析结果与实测的地表监测数据对比;然后，借助MIDAS/GTS软件，研究上层覆土条件、盾尾注浆、掘进压力和双线隧道的不同开挖顺序等因素对盾构隧道地表沉降的影响规律;最后，针对如何将地表沉降控制在合理范围内提出了实用性的措施。只有考虑施工过程以及不同地区的土质情况才可以较为准确地预测地表沉降，但如果和设计不匹配，会给施工带来很大困难。大部分进行盾构选型的人员是施工人员，对盾构的设计不是非常了解，因此，选型从根本上不适应的现象时有发生。本文分别针对软土和砂卵石等不同地层进行原因分析，并提出有效措施，主要从盾构设计角度提出选型观点。

1 地铁盾构法施工地表沉降案例及原因分析

1.1 目前地铁盾构法施工中地表沉降案例

地铁施工由于主要在城市中进行，所以对地表沉降要求较高，虽然目前大部分地铁采用盾构法施工，较为安全，但其中也发生了一些事故，如图1所示。

图1 地铁施工沉降导致事故示例Fig.1 Incidents induced by ground surface settlement during Metro work construction

1.2 地表沉降发生的原因分析

沉降发生的根本原因是盾构施工对地层的扰动，对地层扰动的多少决定了地表沉降的大小。从原理上来说，泥水平衡盾构理论上可以实现100%的沉降控制，主要原因是:泥水盾构有泥膜，可完全隔绝地下水与土仓的联系，同时，浆液具有液体传递压力的特性，可准确达到压力平衡，理论上刀盘前部土体几乎可保持原状，土层不受扰动;盾体段，泥浆可完全填充开挖空隙，原状土不受扰动;管片段，如注浆做好，理论上可不产生沉降。

土压平衡盾构即使在理论上也做不到100%地表沉降。原因是:在刀盘前部，开挖面无泥膜，即使土仓有压力，也制止不了地下水向土仓渗透，渣土改良理论上可止水，但也只能减缓不能杜绝地下水流失，由于地下水的流失，会引起原状土性状改变，就算是辐条式刀盘，刀盘在掌子面的刚性支撑在开挖过程会产生或大或小的空洞，形成局部坍塌;盾体段存在开挖空隙，回填渣土松散，地层的沉降是不可避免的，开挖空隙越小，沉降越少;盾尾段与泥水盾构相同，只要注浆合理，理论上此种沉降在设计时可不考虑。

由以上分析引发了土压平衡盾构在设计时应考虑的共性问题:

1)刀盘在条件允许时尽可能采用辐条式，开口率尽可能大。

2)开挖空隙在条件允许时尽可能小。

2 沉降分析及设计应对措施

地表沉降理论上主要分4种，每种沉降产生的原因和大小不同，且可控程度不同，如图2及表1所示。

图2 地表沉降理论分析示意图Fig.2 Sketch of theoretical analysis on ground surface settlement

目前国内土压平衡施工典型地质主要分为软土(含淤泥质土、粉质黏土、黏土、粉细砂等)、砂及砂卵石层(含细砂、中粗砂、砂砾、砂卵石、卵石层等)及岩石(各类岩石及不同风化程度的岩层)。

地表沉降在土压平衡盾构施工中是一个非常重要的控制因素，但具体到不同的地质，地表沉降的表现又不同。以上3类地层中以岩石，尤其是稳定围岩的地表沉降最小，基本可以忽略不计;而以砂卵石层地表沉降最难控制;在软土中，淤泥质土地表沉降也较难控制;而粉细砂层则是最容易出大事故的地层，目前地铁几次较大事故均发生在软土层施工中。以下分2种地质分别探讨设计中的一些考虑因素。

2.1 软土层地表沉降分析及应对措施

就地层来说，在软土层中土压平衡更容易建立，地表沉降应该容易控制，但由于地层不能自然成拱，理论上来说，盾构的开挖会对整个开挖面及以上地层产生扰动，因此地表沉降较难控制。软土盾构的设计，在转弯半径允许的范围内，应尽量减少盾尾间隙进而减少开挖直径与管片外径间的空隙，减少地层扰动，防止地表沉降。主要措施有:

1)减少盾尾间隙，注浆管外置，进而减少开挖直径，如图3所示。

2)刀盘加大开口，使土压真实反应。

3)配置较大的理论注浆量，可到2～2.5倍。

4)配置双液注浆系统。

表1 地表沉降理论分析表Table 1 Theoretical analysis on ground surface settlement

2.2 砂卵石层地表沉降分析及应对措施

在砂卵石层，虽然很多致密地层无水时可基本自稳，但由于地层细颗粒含量少，渣土改良不易，则对地层的扰动大;另外，由于砂卵石层搅拌扭矩大与建立土压的矛盾，施工中常常欠压掘进，这是砂卵石层地表沉降的主要原因。另外，砂卵石层为强透水层，如地层富水，由于圆砾及砾砂层细颗粒成分含量少，不易自然形成能够止水的流塑状渣土，在渣土改良不到位时极易发生喷涌，导致土仓失压引起地层沉降，严重时会发生“塌坑”现象。砂卵石地层沉降地理分析如图4所示。

砂卵石层地表沉降控制主要考虑能够实现土压平衡掘进模式，而要实现土压平衡，从盾构设计上需考虑以下4个方面。

1)设备需具备足够的驱动扭矩。

2)刀盘需有合理的开口率保证渣土顺畅流动。

3)螺旋机需有一定的卵石通过粒径。

4)具备足够的渣土改良能力。

图3 软土刀盘及盾尾设计Fig.3 Design of cutter head and tail of shield machine used in soft ground

3 典型沉降控制案例

北京地铁施工是国内几个施工较困难的案例之一，主要原因是地层卵石含量高、粒径大，如图5所示。土压平衡较难实现，地表沉降非常难控制，但中铁装备公司在研究了北京地质及已有施工设备后，以“以排为主，排破结合”的设计理念，设计了2台复合式土压平衡盾构(如图6)，辅以适当的渣土改良措施，施工地表沉降可控制在3 mm以内。

图4 砂卵石地层沉降地理分析示意图Fig.4 Analysis on settlement of sandy cobble strata

在现场进行了多种不同组合和配比的渣土改良试验，如图7所示。在北京卵石地层同时添加泡沫及膨润土，掘进参数为:总推力13 000～19 000 kN、刀盘扭矩4 000～5 200 kN·M、速度20～48 mm/min、上部土压60～90 kPa、同步注浆量4～6 m3、泡沫用量35～60 L、膨润土用量2～3 m3、出渣量42～48 m3(1.2 m管片)。

图7 北京地铁盾构渣土改良试验照片及改良效果照片Fig.7 Ground conditioning of shield machine used in Beijing Metro

目前2台设备已分别完成了192 m和2 196 m的掘进，贯通2个区间，最高单班进度为10环，最高日进度为20环，最高月进度330环。地表沉降情况最大点为7 mm，累计平均沉降为3 mm。

刀盘开口率为40%，在土仓上部保压80 kPa压力情况下掘进，中铁盾构能够持续掘进，地表沉降情况控制较好。

对地表沉降要求严格的地区，中铁盾构表现出了较强的适应性，得到了业主和北京市政府的一致好评。

4 结论与建议

本文对地表沉降原因进行了分析，并从盾构设计选型角度给出了一些有效措施，但由于地下施工不确定性因素很多，本文并不能从根本上完全解决此问题，这方面的研究将不断发展进步，希望本文的观点可以对施工单位在盾构选型方面有一些参考。本文仅从盾构设计角度谈此问题，所有理论是建立在理想施工控制基础上。同时，由于地表沉降主要还要靠施工控制，如果施工控制不好，再好的设备也不能避免地表沉降产生，建议施工单位加强施工管理，多方面避免地表沉降的产生，最大限度地保证地铁施工安全。

［1］ 杨书江，孙谋，洪开荣.富水砂卵石地层盾构施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］ 刘云龙.盾构在浅层软土中穿越城市快速路及地下管线的地表沉降控制［J］.铁道建筑技术，2010(2):23－26.(LIU Yunlong.Control on surface subsidence of shield crossing urban freeway and underground pipeline in shallow soft soil［J］.Railway Construction Technology，2010(2):23－26.(in Chinese))

［3］ 陈广亮.注浆技术在盾构穿越砂卵石地层施工中的应用［J］.山西建筑，2010(31):311 －313.(CHEN Guangliang.Application of grouting technology in shield crossing sandy cobble bed construction［J］.Shanxi Architecture，2010(31):311 －313.(in Chinese))

［4］ 卢瑾.软土地层中盾构法开挖引起的地表沉降研究［D］.南京:河海大学土木与交通学院，2007.(LU Jin.Analysis of Ground Settlement Due to Tunnel Construction with Shield in Soft Soil［D］.Nanjing:College of Civil and Transportation Engineering，HoHai University，2007.(in Chinese))

［5］ 黄春来，张映根.软土地层盾构施工地表沉降分析及措施［J］.山西建筑，2010(10):223 －225.(HUANG Chunlai，ZHANG Yinggen.Ground subsidence analysis and controlling measures in soft soil shielding［J］.Shanxi Architecture，2010(10):223 －225.(in Chinese))

［6］ 何国军.超大直径泥水平衡盾构地表沉降控制关键技术［J］.上海交通大学学报，2011(S1):124 －127.(HE Guojun.Key techniques of controlling earth subsidence by superdiameter slurry-pressure balanced tunnel boring machine［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2011(S1):124 －127.(in Chinese))

［7］ 郑淑芬.盾构隧道施工地表沉降规律及控制措施研究［D］.长沙:中南大学土木工程学院，2010.(ZHENG Shufen.Study on laws and control measures of ground settlements caused by shield tunneling［D］.Changsha:College of Civil Engineering，Central South University，2010.(in Chinese))