盾构区间穿软土震陷带沉降处置措施及施工控制要点

张海兴

（中交第三航务工程局有限公司厦门分公司，福建 厦门 361006）

随着城市轨道交通网络建设越来越密集，在地铁施工中，采用最多的就是盾构工法，掘进速度快，安全系数高，质量有保证。天津作为北方滨海软土地层的代表，特别是地层中含有震陷带，且隧道上方存在建筑物的情况较多，由于地层具有强度低、抗扰动性能差、沉降反应敏感等特点，给盾构施工带来了一定的风险[1]。因此施工过程中需要通过各种施工前期准备、施工过程控制、以及后期工后沉降的控制措施来保障施工的顺利。

1 工程概况

1.1 区间概况

天津地铁11号线某区间左线存在一处短链0.957m，单线长611.892m，右线单线长612.849m。区间最小平面曲线半径1000m，纵坡为倒“V”字坡设计，最大纵坡5.158‰；区间埋深约8.77～10.13m ，共设置1个联络通道。

本区间管片衬砌采用形式为通用楔形环衬砌，管片内径5500mm，外径6200mm，厚度350mm，环宽1500mm，楔形量为30.3mm（双面楔形）。

1.2 地质概况

本区间场区位于华北地台东北部的翼渤断块凹陷内，新生代地震构造十分复杂。区间洞身主要穿越⑥4粉质黏土、⑦1粉质黏土、⑧1粉质黏土、⑨1粉质黏土。以上均是软土地层，具有高压缩性、低强度以及低渗透性，根据岩土地质勘查报告显示其中还分布有震陷性的⑥2淤泥质粉质黏土带，位于隧道上方，厚度为1.77～2.04m，长度约30m，为盾构施工控制带来一定的困难。

2 沉降位置周边环境情况及沉降过 大原因分析

2.1 沉降位置周边场地情况

区间沉降位置为街道停车场内，主要停放小型车辆，周边空旷。此段盾构隧顶埋深在9.92～9.97m，掘进洞身地层以⑥4粉质黏土、⑥2淤泥质粉质黏土、⑦1粉质黏土为主，隧道上部依次分布①2素填土、④11黏土、⑥1粉质黏土、⑥2淤泥质粉质黏土。其中淤泥质粉质黏土距离隧道开挖范围最近，受到的扰动最大。区间穿越街道停车场平面与纵断面相对位置见图1。

图1 区间穿越街道停车场平面与纵断面相对位置(自绘）

2.2 地面沉降情况及沉降原因分析

（1）沉降情况

区间左线盾构掘进307环后，经监测得出最大沉降点ZDK40+568下沉42.3mm，周边监测点都有一定的沉降，沉降纵断面及横断面图见图2、图3。

图2 地表纵断面沉降监测数据(自绘）

图3 地表横断面沉降监测数据(自绘）

（2）沉降过大原因分析

经对沉降过大位置相对应的地质资料发现隧道上方存在厚度1.77～2.04m的⑥2淤泥质粉质黏土层，岩土物理性能差，该地层受扰动或震动后易出现蠕变，同时对地面以下5m进行探孔，通过已完成4个探孔，4个探孔均不同程度探明地下5m内地层为松散杂填地层，存在回填不实的空隙，盾构掘进后对地层有一定扰动，导致地面沉降过大。探孔位置详见图4。

图4 探孔位置平面布置图(自绘）

3 处置措施

3.1 隧道内处置情况

（1）注浆

当出现监测数据异常后，现场立即采用盾构机上配置的同步注浆系统对区间沉降异常点位307环周边（302～307）进行注浆，由于沉降过大，为保证填充效果，注浆采用盾构掘进用的同步砂浆进行填充，注浆压力在1.0～2.0MPa。每环约注入1～2m³，注浆过程中安排技术人员对盾构姿态、土压力及盾尾及注浆范围内隧道管片进行观察，无明显变化。

（2）管片姿态监测

对管片姿态进行加频测量，管片姿态测量无明显变化，具体管片姿态见表1、表2。

表1 注浆情况统计表

表2 管片姿态测量情况表

3.2 地面处置情况

（1）地面注浆

立即组织对停车场影响区域（20个停车位）进行车辆疏散并采用水马进行围挡，同时增设专职人员对地面进行巡视，并对地面沉降过大位置采用钻孔注浆形式开展注浆工作，每个孔位注入1m³水泥浆，并持续监测，发现沉降量未有收敛的情况下，再重复上面作业进行注浆工作，通过地面向下注浆的方式有效填充地层中空隙，同时对易蠕变的震陷带进行加固效果。具体钻孔布设形式及注浆顺序见图5。

图5 钻孔位置平面布置及注浆顺序示意图(自绘）

（2）注浆效果验证

通过地面注浆及沉降位置对应的隧道内管片注浆后，再对地面进行监测，没有出现继续沉降的趋势。同时，注浆后为防止地层中其他位置浆液填充密实度不够，对沉降预警点位前后（沿隧道掘进方向）10m采取地面地质雷达扫描的形式进行扫描见图6，并出具相应报告，根据报告结论进行最后补浆，确保沉降段地面稳固、安全。确保地面的安全性满足使用要求。

图6 地质雷达扫描示意图(自绘）

（3）后面掘进措施调整

①加强巡查，在后方软土震陷带的掘进过程中必须保证地面人员时时观察地面的情况。

②加大施工监测频率做到每环一监测，一旦地表沉降较大及时反馈并进行处置。

③加大同步注浆量，浆原来每环注浆量6.5m³，调整为10m³。经过后期掘进情况看10m³能较好地控制沉降。

④做好各项准备工作，保障盾构掘进的连续性，避免不必要的停机，如无法避免必须停机时，做好盾体注入膨润土填充，盾构司机做好盾构保压工作。

⑤做好随时二次注浆的准备，盾构机上加装二次注浆机，能满足边掘进边二次注浆的要求，如发现在沉降超限情况立即启动二次注浆。

⑥做好地面注浆应急准备，随时备好注浆设备，以备应急处置需求。

（4）经过上述措施的处置的结果

经过地面垂直注浆以及隧道内管片径向注浆的及时处置下，沉降得到有效的控制，且经过该沉降分析总结的掘进参数控制能有效防止后期掘进过程中该类似情况的发生。对于地表沉降量较大的点进行路边破除重新浇筑混凝土硬化层，不影响地面停车场的正常使用。

4 针对软土震陷带盾构施工控制总结

随着城市轨道交通的发展，软土地区的地铁隧道近距离穿越施工愈来愈常见。由于软土具有震陷性、触变性及所谓“三高两低”的工程特性，隧道穿越施工时往往会产生较大沉降，明显增加盾构施工风险[2]。因此针对软土震陷带地层盾构穿越施工更需要一套完整的控制措施，保障盾构掘进安全高效穿越。

4.1 技术准备

（1）加强对软土地层特性的了解

软土地层具高含水量，高灵敏度、高压缩性、低强度和触变性及欠固结等特点，极易发生蠕动和扰动，工程性质差。盾构施工前应结合地质勘查报告了解各地层的岩土物理特性，必要时可通过钻孔取土的方式对不良地层进行试验，判定施工的风险程度。同时，可通过注浆加固的措施提前对工程性质较差的位置进行补充，避免盾构施工到该地段时造成沉降或坍塌的风险。提前做好了解该地段周边建筑物情况，提前做好应急处置准备。

（2）细致调查施工线路的周边环境

目前由于城市化发展速度快，很多城市地铁需面临从各种建构筑物下穿越，这为盾构施工带来越来越多的风险性[3]。对施工线路的周边环境细致调查成为了减少风险事故发生的前提必要条件，更是施工风险控制的“源头”。通过线路风险源的调查，找出施工对应的风险等级，再制定相应的方案措施，能够有效保证施工的安全性。

（3）认真选取施工参数

盾构穿越软土震陷带地层应遵循“土压低波动、稳定掘进”的原则，加强盾构数据分析。在盾构施工过程中，每天都对盾构机实际参数进行整理和分析，结合监测数据，判别已经施工的隧道的沉降数值、沉降趋势、沉降速率，预测即将掘进的隧道的地层情况和受干扰程度。及时调整盾构施工技术参数，下达施工指令。

4.2 人员准备

盾构施工中人员是保证工程能否安全顺利开展的重要因素。软土地层盾构施工中由于土层的特性，工后沉降很容易显现出来，施工中不仅需要配备足够的掘进人员，还要预备一定数量的有经验的注浆人员，随时根据监测信息对管片进行二次注浆。同时，作为危险性较大的盾构施工项目，随时可能出现应急抢险的情况，应成立应急抢险救援队，一旦发生险情，可立即针对事故发生情况作出行动。

4.3 设备准备

盾构施工中不仅只是盾构机这个大型设备参与施工，很多辅助设备也在施工中担任关键的角色。软土震陷带地层中掘进由于地层强度低，盾构一旦停机不仅会出现盾构机“磕头”的情况，同时会引起隧道上部土体受扰动后重新形成平衡状态，此时会出现较大的沉降。能够保证施工的连续性，就必须要求设备的故障率低，设备的日常维护保养不仅能够有效促进施工进度的提高，也避免了因设备故障引起的施工风险。

4.4 应急准备

往往软土地层中盾构施工出现的风险是地面的沉降或隆起，但是沉降过大也会导致地面的坍塌和建构筑物的倾倒破坏等事故。制定完善的应急预案和应急准备是防止风险发生后进行补救的必要手段。同时，建立良好的应急救援组织体系及应急物资的完备和应急设备的有效性能够保证施工风险发生时抢险的快速高效。

软土地层的特性研究已在20世纪80年代初期各种工程中进行，但盾构穿越软土震陷地层目前仍无法完全对沉降进行有效控制，需要从技术方面、设备性能方面、人员配置方面等进行一系列的分析，从 “人、材、机”的准备，应急处理及后续处置措施进行控制，逐步完善复合式土压平衡盾构机穿越软土震陷带对沉降的控制要点。