土压平衡盾构机掘进工程中松动地层的控制及监测研究

刘 畅

（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100）

0 引言

在盾构机掘进过程中，地层会松动，地表会沉降。松动地层的控制是保证施工安全重要的方面。所谓松动地层控制，是指在盾构机掘进过程中，对于松散土层的控制，防止松散土层的塌陷和对隧道周围的影响。本文以合肥地铁3号线黄潜区间为例，对土压平衡盾构机掘进中松动地层的控制和监测进行深入研究，其结果和经验可供城市地铁建设类似项目提供借鉴。

1 工程地质背景和地层特征

合肥地铁3号线黄潜区间隧道为两条单线圆形隧道，区间隧道覆土厚约为10.3～17.5m，设计里程范围DK13+073.250～DK13+931.443，区间长度858.193m，隧道穿越土层主要为（2）2 黏土，沿线有一根埋深2.7m 左右的Ф1000混凝土雨水管，与隧道净距大于6m。通过路面地质雷达扫描探测物探手段（见图1所示），查明待掘进区段内地表以下8m范围内的岩体物性情况，评价该区段范围内存在直径大于50cm的空洞发育范围，对比分析探测结果见表1所示。

图1 地质雷达探测结果图

2 松动地层控制方法

在城市地铁盾构机掘进中，松动地层控制是非常重要的，直接关系到隧道的安全和施工进度。控制松动地层的形成，可以采用多种方法，该工程主要采取地面注浆加固法、超前注浆法、径向注浆法等三种方法[1]。

2.1 地面注浆加固法

地面注浆加固法是先在掘进面前方从地面钻孔，然后将袖阀管插入到钻孔中，并使用水泥浆液或水泥-水玻璃浆液注浆填充空隙。提前对掘进面前方土体进行加固，从而提高掘进面前方土体的稳定性。

该方法施工简单，速度快，施工时间充裕及工作面多，能够满足城市地铁建设的需要，在实际应用中取得了较好的效果，有效地保障了工程的顺利进行[2]。

2.2 超前注浆法

超前注浆法是利用盾构机的超前注浆孔，将注浆管插入到掘进面前方土体，通过注入浆液使其形成一个浆液壳体，起到支护作用，保持了掘进面前方土体的稳定。

该方法能够有效地控制松动地层，保证隧道掘进的安全性和稳定性，减少地层变形和沉降，降低隧道掘进的风险。然而，超前注浆法需要使用大量的注浆材料，材料运输困难，且施工环境差，影响工期，难以正常掘进施工[3]。

2.3 径向注浆法

径向注浆法是一种常用的松动地层控制方法。在盾构机掘进过程中，在盾体部位径向开设注浆孔，通过注浆孔注入水泥浆浆液等材料，将掘进面后方的土体及时固化。

该方法施工简单，施工速度相对较快，成本也相对较低，能够有效地控制土层松动和塌陷，保证隧道的稳定性和安全性。然而，在不密实且覆土较浅地层中，容易导致水泥浆液或泡沫浆液击穿覆土，从道路裂缝或绿化带渗出，影响道路交通及文明施工[4]。

3 地表沉降监测实测数据

在区间隧道中心轴线上每10m设一断面。在横剖面上从盾构轴线由中心向两侧由近到远，按测点间距3m、5m、8m、10m递增布设测点，布设的范围为盾构外径的2～3倍（见图2所示）。

本文以区间右线盾构轴线中心监测点月报数据为例，统计刀盘距监测点10～20m 地表沉降数据（未掘进前）、刀盘距监测点10m内地表沉降数据（掘进前）、监测点在盾构机盾体上方地表沉降数据（掘进中）、监测点在成型管片上方沉降稳定后数据（掘进后），见表2所示。

表2 地表沉降监测统计

黄潜区间从始发井开始至90m范围内，地表沉降监测值在预警范围内。

从90～250m范围内，地表沉降监测值呈发散趋势；并在250m 达到最高峰，掘进后地表沉降监测值超过预警值，停机分析原因后，采取地表注浆加固法、超前注浆法及径向注浆法后，从250～550m范围内，地表沉降监测值得到明显控制；由于超前注浆法影响正常掘进，为避免耽误工期，多采用地表注浆加固法和径向注浆法。

从550m至区间结束，主要因工期耽误，且径向注浆法操作空间狭小，温度高，噪音大，后期只采用地表注浆法加固土体，故地表沉降监测值有所增大，但也在预警可控范围内。

隧道正上方地表沉降监测曲线见图3所示。

图3 地表沉降曲线

综上所述，根据地层松动程度和掘进前后地表的沉降程度，选择一种或数种加固方法，对松动土体进行提前加固。在实际工程中，需要根据具体情况进行合理的选择和应用[5-6]。

4 结束语

本文通过黄潜区间施工案例验证了加强地质勘探，加密掘进过程中的监测和预警，发现问题及时处理等措施的有效性和可行性。采用如地质雷达探测等技术，实现了对工程的更全面、更精准的控制，从而避免地表沉降塌陷事故的发生。总之，盾构机掘进中存在的松动地层问题，会给工程带来较大的安全风险和经济损失，必须采取合理的注浆加固措施等方法有效地解决松动地层问题。