基于盾构土压平衡穿越建构筑物施工地表沉降控制

陈纪官

(浙江省交通工程建设集团有限公司)

基于盾构土压平衡穿越建构筑物施工地表沉降控制

陈纪官

(浙江省交通工程建设集团有限公司)

通过对国内盾构施工地表沉降控制技术，同时参考同行业盾构法施工实例，分析了地表沉降的预测方法及盾构施工过程中地表沉降的规律、过程和沉降原因。对杭州地区类似地质条件下后续工程的设计与施工具有指导意义。

土压平衡;盾构;地面沉降;控制

1 工程概况

1.1 工程位置及范围

该工程位于下穿牛田村和九堡镇，向九堡东站方向掘进;杭州地铁1号线工程7号盾构九堡站～九堡东站区间，设计起点里程为K27+228.647。右线设计终点里程为K27 +962.722，全长735.460 m。左右线隧道所穿越的地面区域分别有两栋浅基础的四层民宅楼、两座木质屋顶砖混结构的安乐堂、一条18 m宽2.5 m深的和睦港河流、一片跨度在100 m左右的紧固件厂危房区，危房区内有两层办公楼一座，其它房屋均为平房。区间线路最小平面曲线半径为400 m，线间距为13～35 m，区间隧道纵剖面为“U”型坡，最大坡度为－25‰，隧道顶埋深约为9.3 m～16.8 m;本区间在K27+680处设置联络通道，采用冻结法施工。

1.2 水文地质情况

地区属钱塘江河口相冲击海堆积的粉性土及砂性土土层，由于堆积年代及固结条件不同，性质不一，竖向由松散至中密状态变化，厚度一般在20 m左右;其下为海陆交互相沉积的淤泥质软土及粘性土，地面下深约40～45 m左右为古钱塘江河床堆积的圆砾层，中密～密实状态，底部基岩埋深一般在地面下55～63 m左右。盾构掘进主要经过①6层和②7层土，土质较差，隧道掘进外排的弃土含水量大，呈浆糊状，给场地堆放和弃土外运带来极大困难，如不及时外运弃土势必造成盾构推进停止时间过长，地面下沉，引起房屋开裂倒塌的危险，①6层和②7层土层特点如下:

①6层粉砂夹砂质粉土:灰、青灰色，湿～饱和，中密为主，局部稍密，含氧化铁质及云母屑。实测标贯锤击数12～41击，平均值17.2击。静力触探锥尖阻力qc=6.4～10.1 MPa，平均值为8.50 Pa，侧壁阻力fs=101.3～170.7 kPa，平均值为133.7 kPa，属中等压缩性土。分布于整个场区，顶板埋深3.50～13.0 m，顶板高程－7.24～1.30 m，层厚2.0～10.3 m。

②7层淤泥质粉质粘土夹粉土:灰色，流塑，该层下部段夹有少量粘质粉土，松散，很湿。含有机质，云母碎屑，具水平层理，摇振反应中等，切面无光泽反应，干强度较低，韧性较低。实测标贯击数2～8击，平均值4击。静力触探锥尖阻力qc=0.8～2.5 MPa，平均值1.65 MPa，侧壁阻力fs=17.3～53.8 kPa，平均值38.1 kPa，属高压缩性土。全区分布，顶板埋深12.10～18.0 m，顶板高程－11.84～－7.78 m，层厚1.7～6.0 m。

2 盾构地面冗沉变化的因素分析

(1)目标土压力设定不准而引起的盾构出土量超挖或欠挖，超挖表现为地表沉降，欠挖表现为地表冗起。

(2)同步注浆量大小及浆液配合比不同引起的地表冗沉。

(3)盾构推进方向变化产生的土体挤压扰动及建筑间隙引起的地表冗沉。

(4)盾构机停留时间过长下沉或土仓泄压产生的地表沉降。

(5)成型管片位移和隧道沉降造成的地表沉降。

(6)盾构密封性及防水效果。

3 盾构施工地面沉降的控制措施

3.1 严格管理

项目部给地面监测人员和井下测量人员手机信息发送补贴，并对工作认真细致，没有出差错的人员给予奖励。要求地面及井下量测人员每环推拼完后必须及时向项目经理发送量测实时数据，报表内容有地面轴线点、房屋沉降点单次和累计沉降情况;井下盾构姿态、管片姿态实测数据情况，以使项目经理在第一时间全面准确获得现场第一手资料，以最短的时间进行分析，做到及时下达参数修正指令。

3.2 盾构管片拼装控制地面沉降量

九堡站至九堡东站区间隧道是“S”型隧道，曲率半径为450 m和400 m，属于小曲率半径的隧道，比直线型隧道和“C”型隧道掘进姿态控制难度要大得多。曲率半径越小，盾构掘进后的建筑空隙越大，对地面沉降控制难度也越大。盾构姿态和管片姿态是一个统一体，盾构姿态不好势必偏离轴线;管片姿态不好势必造成管片拼装碎裂，盾构如偏离轴线则需要纠偏，纠偏过大会产生较大的建筑空隙，致使地表明显下沉，同时在纠偏时必须要考虑管片的超前量，否则会影响管片的姿态，从而造成隧道成型管片碎裂或错台，要进行管片修补和防漏注浆将会一定程度地影响掘进，使掘进速度减缓或停止，地面也因地下盾构机停放时间过长而沉降量过大，对地面房屋带来一定的风险。所以良好的盾构姿态和管片姿态，防止盾构周边土体扰动过大，是控制地面沉降的必要条件。

3.3 地面监测准确性

地铁隧道一般均规划在人群密集区，这对地面沉降点的布置和保护带来较大的困难。在人员出入的区域易造成监测点破坏，所以起始水准基点的布置既要便于保护，又要考虑数量，以利于点和点之间量测复核起始点的正确性，为此我们布设了三个水准基点，不断进行联测检核，发现误差和错误及时纠正，确保了每次监测数据的准确性，正确指导掘进参数的调整。同时为了获得更精确的地层沉降特性，我们加大了监测频率，每环监测一次，发现问题及时进行各种参数的微调。

3.4 盾构掘进过程中，控制地面沉降的关键

(1)盾构试推距

对短时间摸索出合理的推进参数比较困难，必须按着往常经验加以判断，盾构机试推段摸索掘进参数一般都是一百环之内，然而，九堡始发井洞口离民宅楼仅30环约36 m距离，除去洞口8 m加固区后，盾构必须在28 m的短距离内必须要把各种掘进参数摸准确，困难较大，为此我们比较其他地方有类似土质情况的地铁隧道进行研究分析，进行对比参照。地表引起沉降因素较多，有的因素之间还存在关联性，所以要认真研究地质条件和地貌情况，同时还要考虑不同盾构机的性能、特点综合考虑，并做到每推进一环就进行两次监测，加大监测频率，最大限度短时间内摸清该地层盾构施工的合理参数。

(2)盾构土压值，控制地表沉降量

盾构掘进目标土压力的设定，要根据盾构埋深和土质状况，以及试推阶段的土压值来确定，掘进过程中盾构机经过的地层和深度不同，要及时根据地面变化量调整好目标土压力的设定，尤其要控制出土量，超挖会使地表下沉，欠挖会使地表隆起，两种情况均不利于地表的沉降控制，表1地面沉降监测，目标土压力的设定要尽可能减少对地层的扰动为原则，确保地面变化量最小，要随盾构切口前方地面变化而及时进行调整，在推进过程中，最大单次地面沉降在2 mm以内，一般大部分为0和1 mm以内。

表1 地面沉降监测

始发井离民宅楼较近，仅36 m，采取全闭合环，以避免盾构机抛高，保证盾构姿态正确，在盾构始发时，如采用开口环势必盾构机上方千斤顶用不上力，致使盾构整体向上抛高，抛高后的盾构机在加固区内想修正方向非常困难，如硬要修正往往会引起管片碎裂，造成成型隧道渗漏水现象。为了避免盾构机在加固区抛高，我们采取了全闭合环，使盾构在始发开始及磨加固区过程中盾尾周边22个千斤顶始终处于平行推进状态，上下左右推力可控，保证盾构机始终按接近轴线平行方向掘进。在盾构机进入房屋前不至于造成盾构机严重偏离轴线方向，避免因轴线偏离进行纠偏而产生较大建筑间隙，引起地面房屋下沉，所以采用全闭合环管片反力系统，对始发井离民宅楼很近的房屋沉降控制非常重要。

(4)事前充分摸排，被误为掘进造成的问题

始发前必须要对管线仔细探摸，穿越前对轴线上方及附近建、构筑物存在的问题进行拍照留存，量测建、构筑物的原有裂缝宽度、长度，每天踏勘，踏勘还须穿便服前往穿越区域，防止老百姓误解而发生纠纷(穿工作服易引起老百姓惊慌)。对原有裂缝贴纸条标示缝隙宽度、长度，观察其在穿越过程中的变化情况，避免以前存在的问题误以为穿越造成的问题，如产生纠纷，协调处理难度很大，所以必须事先做好充分细致的摸排鉴证工作。

(5)监控质量可控、参数优化

现在所有的项目部对盾构监控室，普遍设置成单间监控室，只有少数人能看到掘进参数，并且很少有人去监控室察看掘进状况，不利于技术管理人员全方位全过程监控。为此我们取消独立监控室，在九堡项目部的办公大厅里安装钢化玻璃幕墙制作出一间透明化的监控室，命名为“九堡项目部监控中心”，共同监控，共铸精品，使所有在办公大厅办公的技术、机电、安全等管理人员均能看到掘进参数，有问题一起讨论商量，做到集思广益，提高管理人员人人参与监控管理的积极性，从少数人监控到多数人实时监控。监督检查设备的维护保养工作，使盾构机在掘进过程中不出或少出故障，对穿越房屋安全致关重要，盾构机在房屋下停留时间过长会造成盾构机实际土压泄压，引起地表下沉。如无法避免设备故障，在停止掘进时间较长时，必须及时进行保压，保压值尽量接近目标土压，以避免盾构机因停止掘进时间过长泄压而造成地面沉降。

4 结束语

通过对杭州地铁一号线九堡站至九堡东站区间隧道掘进施工盾构穿越地面建、构筑物的控制方法。还与掘进超挖、盾尾空隙、掘进扰动和压气作业等施工因素引起的地层损失和地层扰动有很大的关系。在盾构施工过程中有序、严格、精细的技术管理，确保了四层民宅楼最大累计沉降量控制在－4 mm以内，95%以上的建筑物沉降点位接近零值，沉降控制取得了显著的成效，确保了地面建、构物的安全，在盾构机前者土体不会损坏的要求下，适当添加土仓压力是变弱地表沉降很有效的措施。其它条件一定时，地表沉降也会注浆压力的增大而减弱。注浆压力控制在0.2～0.3 MPa以内，防止更大的地表沉降发生。

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