砂卵石地层不同盾构机开挖引起地表沉降特征及控制研究

查庆 赵武强 贾进博

【摘 要】在经济建设不断发展的今天，我国的城市交通运输业发展势头良好，特别是地铁交通的发展，在路面交通日益拥挤的当下，其不仅能节省土地，减少噪音干扰，节约能源，降低污染，而且受到外界的干扰小，出行便捷，使得地铁逐渐成为了人们出行的首选交通工具之一，盾构机为地铁隧洞施工的主要工具，其应用的质量往往直接关系着地铁施工的质量，如果选择不当很有可能会引起地表沉降，特别是砂卵石地层，因此应该引起我们的重视。本文通过研究砂卵石地层不同盾构机开挖引起地表沉降特征及控制，以期降低盾构机施工对地表产生的影响，保证工程质量。

【关键词】砂卵石地层 盾构机 开挖 地表沉降 特征 控制

1 前言

随着地铁建设的不断发展，地铁隧洞所涉及到的地形地势逐渐复杂起来，本文以某砂卵石地层盾构隧道施工为例，研究不同盾构机开挖引起的地表沉降特征。其中工程地形较为平坦，地势为西高东低，土层岩性包含有杂填土、素填土、粉质粘土、粉土、细砂土和卵石土。工程施工中不良的地质是存在细砂土及液化的粉土。工程地下水的赋存形式为第四系的孔隙水，主要在砂卵石土里，由于砂卵石地层透水性较强，渗透系数较大，而地下水的含水量较多，因此，在进行盾构机施工时存在地表沉降的风险。

2 不同盾构机开挖引起地表沉降特征及控制

本文研究的盾构机分别是海瑞克盾构机和NFM盾构机，两种盾构机在同一路段相向开挖，为了对比两种盾构机掘进情况以及对地层的适应性，选择掘进的多个断面情况进行对比。

2.1 海瑞克盾构机掘进路段沉降特征

2.1.1 横向沉降特征

掘进后进行统计，从表1得知海瑞克盾构机掘进路段断面沉降的最大值大部分是在地铁隧道中心线上，最大沉降值较大，特别实在YDK17+630的中心线位置逐渐接近17mm。由于盾构穿越底层主要是砂卵石的地层，各个断面掘进情况皆不一致，因此地表沉降会有所差异，选择沉降较为明显的Y16+580、Y17+630和Y17+090作为研究，其中Y16+580应该是掘进的试验阶段，盾构机正处于调试和适应期间，掘进参数设置并不合理，该线路主要是曲线段，而在Y17+630和Y17+090断面应该是盾构机进入到交叉线路，使得其断面变化较大，但是从整体上来说，断面沉降控制在-2～17mm左右，其沉降值控制较好。海瑞克盾构机掘进路段整个断面主要呈现出中心线沉降大而两边小的趋势，特别是离中心线越远，沉降越小[1]。

表1 海瑞克盾构机掘进路段断面沉降情况

具体里程 埋深情况（m） 具体里程 埋深情况（m）

YDK16+580 9.92 YDK17+090 13.42

YDK16+645 10.33 YDK17+210 15.73

YDK16+910 11.70 YDK17+630 9.41

2.1.2 纵向沉降特征

图1为海瑞克盾构机掘进路段的纵向沉降情况，从图1得知，在与盾构掘进面相距35m后，监测点的断面沉降情况逐渐趋向于稳定，且沉降也逐渐趋向于平缓，而在35m之前，地面沉降的变化较大，且速率比较快，沉降量甚至是最终沉降量的70%[2]。

图1 海瑞克盾构机掘进路段的纵向沉降情况

2.2 NFM盾构机掘进路段沉降特征及控制

2.2.1 横向沉降特征

由于NFM盾构机掘进路段有房屋，安置地标测点比较困难，因此布置的断面只有两个，即：里程为Z19+795，埋深情况是9.85m；里程为Z19+827，埋深情况是9.12m。从图2可知，NFM盾构机掘进路段沉降值最大点皆处于中线点的位置，断面在20m的范围里，沉降较大，这表示NFM盾构机在进行掘进时情况并不良好，其对于砂卵石地层的适应性不高，施工参数还应该继续摸索[3]。

图2 NFM盾构机掘进路段沉降值

2.2.2 纵向沉降特征

从图3可知，NFM盾构机掘进路段中，在与盾构掘进面相距50m后，监测点的断面沉降情况逐渐趋向于稳定，且沉降也逐渐趋向于平缓，而在35m之前，地面沉降的变化较大，且速率比较快，沉降量甚至是最终沉降量的80%。

图3 NFM盾构机掘进路段纵向沉降特征

2.3 控制措施

从横向沉降上来看，海瑞克盾构机和NFM盾构机虽然穿越地层皆为砂卵石地层，但是其地面沉降情况却并不一致，这表明施工因素的影响还是较大，其中施工因素包括盾构机的构造、性能、开挖时候的土压平衡力情况、同步注浆情况以及辅助施工等，因此为了降低施工因素对地面沉降的影响，施工人员应该加强对施工的检测，合理改变测量的频率，并根据施工的实际情况和反馈情况调整施工方案，保证施工的有序进行。从纵向沉降上来看，NFM盾构机掘进之后在较长的时间里地面沉降还处于发展阶段，这表明NFM盾构机在掘进之后实施同步注浆或者二次注浆的质量并不理想，另外NFM盾构机掘进所涉及的路面存在较多的房屋，使得其存在一定的掘进风险。而海瑞克盾构机在掘进时，能看出其地面的总体沉降情况变化也较为明显，沉降表现出了不稳定性，对比两种盾构机在施工过程中对于掘进的控制发现，施工应用NFM盾构机较为理想，特别是对NFM盾构机进行进一步的调试改造之后，如通过对盾构掘进参数进行调整，能让地面沉降趋于平缓，其掘进的速度和施工质量也会有较好的提升。

3 结语

本文通过以某砂卵石地层盾构隧道施工为例，研究海瑞克盾构机和NFM盾构机在砂卵石地层隧道施工中的掘进情况以及对地层的适应性，用断面掘进情况分析两种盾构机开挖时引起的地表沉降特征，从横向沉降和纵向沉降开始分析，找出解决控制措施，以期选择更为适合的盾构机，提高工程质量，推动砂卵石地层盾构隧道的建设和发展，供读者参考借鉴。

参考文献：

[1] 李博，苏华友，赵旭伟.成都地铁盾构隧道地表沉降分析[J].城市轨道交通研究，2014（04）：124-125.

[2] 刘招伟，王梦恕，董新平.地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析[J].岩石力学与工程学报，2013（08）：67-68.

[3] 张海波，殷宗泽，朱俊高.地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟[J].岩石力学与工程学报，2013（05）：152-153.