富水砂层中盾构掘进地面沉降控制

张斌

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，湖北 武汉 430074）

0 引言

近年来，随着我国基础设施建设的飞速发展，越来越多的城市开始修建地铁，而城市地铁隧道埋深一般较浅，隧道上方的地面建筑及周边的地下管线设施较多。盾构法施工时盾构机刀盘切削土体会对周围地层造成不同程度的扰动，加之一些地层本身自稳性差、地下水系密布，盾构法施工不可避免的会对地面造成沉降。地面沉降则可能导致地面建筑物开裂、倒塌，地下管线错位乃至破裂，严重影响其正常使用，甚至造成地铁隧道透水坍塌的严重事故。因此，在盾构法隧道施工过程中，选择合理的施工技术及盾构施工参数，制定完善的应对措施至关重要。本文对某地铁1 号线海盘区间右线在富水砂层中盾构施工时地面沉降控制技术进行分析和总结，为同类地层中盾构施工的地面沉降控制提供有效的技术依据。

1 工程概况

1.1 工程地质

根据某地铁1 号线海盘区间初勘及区域地质资料，本标段沿线的地下水类型主要为潜水及第Ⅰ承压水。潜水主要赋存于浅部①层填土、②层砂质粉土、③-1层粉砂夹砂质粉土、③-2层粉砂层和③-4粉细砂层中。第Ⅰ承压水主要赋存于④层以下的⑤-1粉砂夹砂质粉土、⑤砂质粉土夹粉砂和⑥粉砂层中，局部赋存于夹层④-1砂质粉土夹粉砂层中，其主要补给来源为地下水侧向补给，排泄途径为人工开采及地下水侧向径流。

1.2 沉降概况

根据《某市轨道交通1 号线一期工程地质灾害危险性评估报告》，本标段线路沿线累计地面沉降量均小于200mm，地面沉降速率均小于5mm/A，综合评价属于地面沉降灾害危险性较小区。但由于浅层承压水含水层广泛发育，水量丰富，工程建设及邻近工地抽采地下水也会诱发地面沉降，对工程建设及周边环境造成影响。

2 地面沉降分析

2.1 沉降数据

在海盘区间右线始发试掘进阶段，通过对地面沉降监测数据的分析并通过分析得出的结论调整掘进各项参数，从而对后续盾构施工过程中的地面沉降控制起到了积极地作用。2019 年8 月27 日早上7 点，隧道上方发生地面沉降，此时隧道内掘进至85 环，切口环位置为93 环左右。

从地面监测数据可以看出，该段地面沉降有以下规律：盾构掘进在盾构切口前方的影响距离约5m，切口前0～5m，地面沉降小于5mm；切口前大于5m 位置，地面沉降小于3mm；在盾构机刀盘切削土体位置，由于掘进刀盘的扰动和盾构机土仓建立土压平衡的影响，在盾构机刀盘切口的位置沉降较大，一般累计变化量在5～8mm；地面监测点通过但未脱出盾构时，盾构机在盾体前进过程中，造成的地面沉降一般达到3～5mm；地面监测点在盾尾脱出时，地面沉降速率明显降低，一般单次测量为1～3mm；盾尾脱出后10m，沉降速率明显降低，沉降小于1mm。

2.2 沉降原因

从盾构施工的整个施工工序来看，盾构掘进造成的地面沉降过程大致可分为四个阶段：

（1）第一阶段为盾构切口到达前0～5m，因受前仓压力以及盾构掘进时刀盘在土体内扰动的影响，地面变化受土仓压力值的影响一般呈隆起或下沉状态。

（2）第二阶段为盾构盾体上方沉降，随着切口前移，盾构机刀盘及盾构土仓土压影响消失，由于刀盘切削土体外径比盾体外径大，且盾体上一般不能进行同步注浆。在盾体通过时盾构切口处地面会有较快回落，且如果继续沉降，一般达到5～8mm。

（3）第三阶段为出盾尾后的沉降，刀盘开挖面外径比盾构拼装完成的管片外径要大，导致开挖面的土体与管片外侧之间存在一定的间隙，且富水砂层土体自稳性差、易变性，如果出盾尾后开挖面与盾构管片外径之间的空隙得不到及时有效的填充，地面会出现明显沉降。

（4）第四阶段为滞后沉降，实测资料表明，滞后沉降是个相对较长的阶段，且一般沉降量较小。

3 沉降控制措施

3.1 合理控制土仓压力

在盾构掘进时，主要通过调整螺旋机出土和刀盘开挖的速度来建立一个土压平衡，土仓内土压过低会造成盾构前方沉降。在富水砂层施工中，由于砂土在水的作用下更具流动性，在刀盘位置更易出现沉降。因而在富水砂层中盾构施工为保证地层稳定性，减少因地层损失、水土流动、盾构土仓内压力变化和外界扰动等原因，导致的地层变形引发地面沉降，土仓压力设定一般要大于理论土压力0.2MPa 左右，具体数据要根据实际施工中的地面沉降监测数据及时调整。

3.2 优化泡沫的使用

在富水砂层中注入泡沫剂使其在刀盘开挖面形成泥膜，能起到比较好的止水效果，可以在一定程度上增加刀盘开挖面的稳定性。同时，土仓中的砂土和泡沫剂搅拌后，会增加碴土中细颗粒的比重，改变碴土的级配，使其流塑性更好，更有利于土仓中土压平衡的建立和碴土的排出，减小螺旋输送机的扭矩。但是，在富水砂层中，泡沫剂中的气体会导致土体内的气压较大，同步注浆压力大，而且气压的流失更快容易造成土仓内压力波动，因此，在富水砂层中在保证泡沫发泡效果的情况下要尽量减少泡沫中气体的注入量。

3.3 停机过程及时保压

在盾构施工中要尽量保持施工连续。盾构掘进时合理的控制土压平衡可以有效控制地面沉降，但是在停机拼装管片或设备检修时，停机时间长易造成土仓内的水土流失，因而在停机关闭前，确保土箱中充满压载土，土箱压力值必须比正常开挖施工大0.2MPa 左右。停机关闭时，应派专人随时观察弃土车的压力变化。如果土压力降低，及时用膨润土填满土箱，保持垃圾中土压力平衡。

3.4 保证注浆

在盾构试掘进阶段，综合分析本地层同步注浆量与管片刚脱出盾尾对应的地面监测点单次沉降的定性关系，确定了合适本区间的同步注浆参数。设计适宜高富水砂层的同步浆液配合比，砂（kg）：粉煤灰（kg）：膨润土（kg）：石灰（kg）：添加（SK-6）（kg）：水（kg）=900：300：70：100：3：380，浆液性能比重>1.8g/cm3，坍落度14±2cm，坍落度经时变化≥5cm（20H），屈服强度>800Pa（20H）。

同时，在同步注浆过程中，对注浆压力和注浆量双控，考虑到浆液在富水砂层中会扩散到土体中且容易被地下水稀释，实际注浆量应为理论注浆量的2 倍。在理论上注浆压力只须使浆液在盾尾预埋铁管出口的压力大于该处水土压力之和，即能使建筑空隙得以填充饱满。但注浆压力不能太大，否则会使周围土层产生劈裂，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期沉降及隧道本身的沉降，因而将注浆压力控制在6BAR 左右为宜。

3.5 合理纠偏

在盾构施工过程中，严格执行“慢改慢改”的原则，最大限度地减少因操作人员操作不当等原因引起的保护机转向。施工中对偏差的过度修正施工中过大的纠偏量会引起盾构机过量的超挖，从而导致地面沉降增加。

4 总结

由于南通地下水丰富和砂层的地质特性地面沉降、塌陷的事故也偶有发生。加之盾构施工刀盘的扰动，富水砂层在水动力和盾构掘进作用下，土体自稳能力极差，因而隧道掘进施工引起的土体变形反应迅速，易造成安全质量事故。

但是在通过对富水砂层地面沉降科学的分析和制定合理的技术措施实施后，该盾构施工区间地面监测单次沉降不超过3mm，累计不大于10mm，沉降控制效果良好。