富水砂層土壓平衡盾構(gòu)機掘進地表沉降分析與控制

1、2014年度優(yōu)秀科技論文（技術(shù)總結(jié)） 富水砂層土壓平衡盾構(gòu)機掘進地表沉降分析與控制富水砂層土壓平衡盾構(gòu)機掘進地表沉降分析與控制內(nèi)容提要：本文結(jié)合南寧市軌道交通一號線一期工程西民區(qū)間工程實例，從盾構(gòu)工法特性，同步注漿工藝，盾構(gòu)姿態(tài)控制及線路走向等方面著手，對土壓平衡盾構(gòu)施工在砂層中掘進過程中產(chǎn)生的地面沉降、原因進行了分析研究，并提出了相應(yīng)的施工控制對策，對盾構(gòu)法隧道施工中控地面沉降有很好的借鑒作用。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)法 砂層 地表沉降 1 前言在盾構(gòu)掘進過程中，由于土壓平衡盾構(gòu)機的局限性、地層適應(yīng)性限制，在砂層掘進中，沉降較難以控制。根據(jù)一般經(jīng)驗，在盾構(gòu)掘進中和盾尾通過后都有較大沉降。根據(jù)前期施工中跟

2、蹤測量結(jié)果顯示，盾構(gòu)在砂層中掘進，盾構(gòu)前方20m左右有明顯沉降，約35mm。掘進過程中刀盤位置沉降約413mm，同步注漿后沉降有收斂，盾尾拖出15m后沉降基本穩(wěn)定。地面沉降主要受工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、管片襯砌注漿質(zhì)量、盾構(gòu)機姿態(tài)控制等方面的影響。本文結(jié)合南寧市軌道交通一號線西民盾構(gòu)區(qū)間地面沉降的工程實例，從盾構(gòu)工法特性、同步注漿、盾構(gòu)姿態(tài)及線路走向等方面著手，重點對土壓平衡盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生的地面沉降的現(xiàn)象、影響因素及應(yīng)對措施進行分析研究，為解決盾構(gòu)在砂層中地面沉降的問題提供一些參考建議。2 工程概況及地質(zhì)分析西鄉(xiāng)塘客運站民族大學(xué)站區(qū)間位于南寧市大學(xué)西路，西鄉(xiāng)塘客運站與民族大學(xué)之間路段。區(qū)間周邊

3、規(guī)劃用地以商業(yè)、教育、居住、軍事用地為主。勘察場地屬邕江北岸級階地，屬侵蝕堆積河谷階地區(qū)，地面高程76.0482.99m，相對高差6.95m。隧道右線長1149.001m，左線隧道長1144.453m。本區(qū)間主要穿越地層為粉質(zhì)粘土5-2、粉土1、粉（細）砂1-1、中砂2-1、礫砂4-2、圓礫1-1、卵石1-2、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖1-1（E）泥巖、粉砂質(zhì)泥巖1-2（E）、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖1-3（E）。本區(qū)間隧道左線在始發(fā)后145m，里程ZSK5+825.770ZSK6+052進入粉（細）砂1-1層，且頂部高度逐漸增加，右線在105m后進入粉（細）砂1-1層，里程為YSK5+302YSK6+787。

4、隧道埋深約10-15m，砂層為富水層，具有承壓性。具體地質(zhì)情況見下圖：圖1 右線砂層段地質(zhì)剖面圖3 地面沉降跟蹤及分析3.1地面累計沉降統(tǒng)計本區(qū)間監(jiān)測控制值為單次沉降±3mm，累計沉降（-30mm，+10mm）。截至2014年4月9日晚上19點，隧道上方地表累計沉降統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1， 表1 4月9日17：00監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總表 圖2 9日17點監(jiān)測累計沉降情況(單位：mm)3.2單次沉降統(tǒng)計2014年4月4日至4月9日，盾構(gòu)掘進過程中盾體前后位置沉降見下圖： 圖3 4月4日至4月9日監(jiān)測情況從圖2-圖3可以看出，該段沉降有以下規(guī)律：（1）盾構(gòu)到達前盾構(gòu)切口前方的影響距離約20m，約等于覆土

5、厚H+盾構(gòu)直徑D=14+6.28=20.28m。切口前05m，小于5mm；切口前大于5m位置，沉降小于3mm。（2）盾構(gòu)到達位置，在盾構(gòu)刀盤切削土體位置，由于刀盤掘進的擾動和在盾構(gòu)掘進位置沉降較大，一般在5-10mm。（3）盾構(gòu)通過未脫出盾構(gòu)時，盾體在盾體前進過程中，由于盾體切削土體外徑比盾體大3cm，由于不能同步注漿。在通過刀盤后繼續(xù)沉降。一般達到5-12mm。（4）盾尾脫出時，盾尾脫出后通過同步注漿和二次注漿，沉降逐漸收斂。地面沉降速率明顯降低。一般單次測量為1-3mm。（5）盾尾脫出后期沉降。盾尾脫出后 10m，沉降速率明顯降低，沉降小于1mm。通過二次注漿補強，盾尾15m后地面沉降達到

6、穩(wěn)定。4地面沉降的影響因素分析4.1地表沉降原因 在軟土地層中開挖隧道，不論采取任何施工技術(shù)都將引起地層運動，產(chǎn)生地面沉降。盾構(gòu)施工中引起的地層損失和盾構(gòu)隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié)，是地面沉降的基本原因。4.1.1地層損失地層損失是盾構(gòu)施工中實際開挖土體體積與竣工隧道體積之差（地層損失率指地層損失體積占盾構(gòu)理論排土體積的百分比）。周圍土體在彌補地層損失中發(fā)生地層移動，引起地面沉降。引起地層損失的施工及其他因素是：(1) 開挖面土體移動當(dāng)盾構(gòu)掘進時，開挖面土體受到的水平支護應(yīng)力小于原始側(cè)向力，開挖土體向盾構(gòu)內(nèi)移動，引起地層損失而導(dǎo)致盾構(gòu)上方地面沉降；當(dāng)盾構(gòu)推進時，如作用在正面的土

7、體的推力大于原始側(cè)向力，則正向土體向上、向前移動，引起地層損失(欠挖)而導(dǎo)致盾構(gòu)前上方土體隆起。(2) 盾構(gòu)后退在盾構(gòu)暫停推進中，由于盾構(gòu)推進千斤頂漏油回縮而可能引起盾構(gòu)后退，使開挖面土體坍落或松動，造成地層損失。(3) 土體擠入盾尾空隙 由于盾尾后面隧道外周建筑空隙中壓漿不及時，壓漿量不足，壓漿壓力不恰當(dāng)，使盾尾后周邊土體失去原始三維平衡狀態(tài)，而向盾尾空隙中移動，引起地層損失。(4) 改變推進方向 盾構(gòu)在曲線推進、糾偏、抬頭推進或叩頭推進過程中，實際開挖面不是圓形而是橢圓，因此引起地層損失。(5) 隨盾構(gòu)推進而移動的盾構(gòu)正面障礙物，使地層在盾構(gòu)通過后產(chǎn)生的空隙無法及時壓漿填充，引起地層損失。

8、(6) 盾構(gòu)移動對地層的摩擦和剪切。(7) 在土壓力作用下，隧道襯砌產(chǎn)生的變形也會引起少量的地層損失。(8) 隧道襯砌沉降較大時，將引起地層損失。4.1.2受擾動土的固結(jié)盾構(gòu)隧道土體受到盾構(gòu)施工的擾動后，便在盾構(gòu)隧道的周圍形成超孔隙水壓力區(qū)(正值或負值)。當(dāng)盾構(gòu)離開該處地層后，由于土體表面壓力釋放，隧道周圍的孔隙水壓 力便下降。在超孔隙水壓力釋放過程中，孔隙水排出，引起地層移動和地面下降。此外，由于盾構(gòu)推進中的擠壓作用和盾尾后的壓漿作用的施工因素，使周圍地層形 成正值的超孔隙水壓區(qū)。其超孔隙水壓力，在盾構(gòu)隧道施工后的一段時間內(nèi)復(fù)原，在此 過程中地層發(fā)生排水固結(jié)變形，引起地面沉降。土體受擾動后，

9、土體骨架還會有持續(xù)很 長時間的壓縮變形，在此過程中發(fā)生的地面沉降稱為次固結(jié)沉降。在孔隙比和靈敏度較 大的軟塑和流塑性粘土中，次固結(jié)沉降往往要持續(xù)幾年以上，它所占的沉降量比例可高達 35以上。4.1.3地下水流失在深埋隧道中，地層損失造成的建筑物的沉降主要影響的是端承樁，而地下水大量流失造成地下水位下降則主要影響的是淺基礎(chǔ)和長度較短的摩擦樁，特別是基礎(chǔ)以下存在間隙率較大的地層，如中、粗砂層所造成的沉降較大。由于土壓平衡式盾構(gòu)機在掘進過程中，拱頂同步注漿普遍存在不密實情況，導(dǎo)致拱頂處沿隧道方向存在水力連通，當(dāng)盾構(gòu)長時間停止掘進時，地下水容易從盾構(gòu)機后方流至開挖面，引起地下水大量流失，當(dāng)?shù)貙悠鸱^大

10、的地層或存在地質(zhì)鉆孔封孔質(zhì)量不好時，容易與上部地層形成水力通道，直接貫通隔水層引起地下水位下降；另外在含水量較大的地層中停機也會造成開挖面較大的水量流失。從盾構(gòu)法施工引起地面沉陷的原因可以看出，控制盾構(gòu)施工參數(shù)如推力、推速、正面土壓、同步注漿量和壓力等，可有效地抑制其引起的地面沉陷。5 地面沉降的控制措施5.1  盾構(gòu)機過砂層前的維修與保養(yǎng) 保持盾構(gòu)機的連續(xù)、快速掘進是通過砂層地段行之有效的方法，而保證盾構(gòu)機及配套設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)是連續(xù)掘進的重要前提，因此在通過砂層段前將對盾構(gòu)機進行全面的維修、保養(yǎng)。  盾尾密封的維護  由于砂層段富含

11、地下水，隧道斷面上部巖層軟弱，為了確保盾尾密封的有效性，在通過砂層段使用質(zhì)量較好的德國康達特90盾尾密封脂，并且增大密封脂的使用數(shù)量，盾尾密封脂必須在掘進過程中不間斷注入。如果密封中缺少潤滑脂，則盾尾注漿注入的漿液會透過密封并填充密封間隙，導(dǎo)致密封失效。如果停駐時間較長，應(yīng)注意不要讓密封件被加注的砂漿所固結(jié)。為避免這種情況的發(fā)生，有必要在砂漿粘結(jié)前，將隧道掘進機向前位移若干厘米，并使用尾部密封脂填充當(dāng)前間隙。同時還要調(diào)整好盾構(gòu)機姿態(tài)，盡量防止盾尾轉(zhuǎn)彎角度過大。  其它部位的維修與保養(yǎng)  在盾構(gòu)到達砂層前要立即對盾構(gòu)機的液壓、電氣、水循環(huán)、潤滑、注脂、注漿、泡沫、鉸

12、接等系統(tǒng)進行檢修，重點內(nèi)容包括：空壓機的檢測與維修、螺旋輸送機閘門檢測與維修、注脂系統(tǒng)的檢測與維修、管片拼裝機的檢測與維修、泡沫系統(tǒng)的檢測與維修、對液壓系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測。  檢查泵、閥、馬達、油缸、油管路的工作狀態(tài)，對異常元件提前進行更換。盾構(gòu)機液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測實際上是液壓系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測，盾構(gòu)機液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)的參數(shù)是系統(tǒng)的工作壓力、溫度、流量以及運轉(zhuǎn)時的聲音等。液壓系統(tǒng)正常工作時，系統(tǒng)參數(shù)都工作在設(shè)計和設(shè)定值附近。每天都要對這些參數(shù)進行檢查，當(dāng)這些參數(shù)的范圍突破后，可以認(rèn)為故障已經(jīng)發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生，必須采取有效防范措施。5.2  通過砂層段盾構(gòu)機掘進姿態(tài)及參數(shù)控

13、制  本區(qū)間盾構(gòu)過砂層主要有兩種工況：一是盾構(gòu)隧道斷面以上的部分是砂層；二是盾構(gòu)隧道局部斷面過砂層。但是無論在那一種工況下過砂層，若處理不好，都會造成不同程度的地面沉陷，甚至是塌方。  采用土壓平衡模式掘進  盾構(gòu)機通過砂層地段時，由于砂土具有滲水性大、受到震動容易發(fā)生液化的特點，必須采用土壓平衡模式掘進，以確保土倉壓力而穩(wěn)定開挖面，控制地表沉降，防止地層出現(xiàn)塌陷。  盾構(gòu)機在砂層中通過時，控制土倉壓力的方法有兩種：一是在保持推進速度不變的情況下，調(diào)節(jié)螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速或閘門開度（螺旋輸送器轉(zhuǎn)速減小或者閘門開度減小均能達到增大土倉壓力的效果），控

14、制出土量，建立和保持土倉壓力；二是保持螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速或閘門開度不變的情況下，加大盾構(gòu)機千斤頂?shù)目偼屏Γ岣咄七M速度，增大土倉壓力。 掘進過程土倉頂部壓力控制在1.3bar，掘進速度控制在40mm/min以上，出土量不得大于58m3。 嚴(yán)格控制盾構(gòu)機掘進姿態(tài)  盾構(gòu)掘進過程中其軸線不可能始終與隧道設(shè)計軸線平行，盾構(gòu)機姿態(tài)會隨著盾構(gòu)機的推進而變化。盾構(gòu)機姿態(tài)包括水平姿態(tài)變化及豎直姿態(tài)變化，其變化將在盾構(gòu)四周產(chǎn)生空洞區(qū)和擾動擠壓區(qū)，對周圍土體產(chǎn)生影響。盾構(gòu)機在砂層段掘進糾偏、上坡推進時，實際開挖斷面不是圓形而是橢圓形，因此必然引起地層損失。盾構(gòu)軸線與隧道設(shè)計軸線偏角越

15、大，則對土體擾動和超挖程度及其引起的地層損失也越大；盾構(gòu)掘進的糾偏量越小，則對土體的擾動越小。  發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機偏差時應(yīng)逐漸調(diào)整，嚴(yán)禁猛烈糾正。在實際控制時，可根據(jù)VMT顯示屏上自動測量系統(tǒng)測得值與DTA的差值來調(diào)整，即調(diào)整圖標(biāo)頭部與尾部盡可能靠近坐標(biāo)原點。  通過砂層段掘進參數(shù)  盾構(gòu)機通過砂層段掘進參：上部土壓為1.31.4bar，停機時提高上部土壓至1.51.7bar，刀盤轉(zhuǎn)速11.2rpm，掘進速度4050mm/min，刀盤扭矩20003000KNm,推力800013000KN, 向刀盤前方注入泡沫（2024m3/環(huán)），注入膨潤土（36m3

16、/環(huán)），出渣量小55-58方，稱重88-98噸。 掘進參數(shù)可以根據(jù)實際地質(zhì)狀況和測量監(jiān)測情況通過技術(shù)交底做以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。 5.3  同步注漿及二次注漿管理 由于砂土的滲透性較好，實際注漿量應(yīng)大于理論計算量，以保證注漿質(zhì)量。必要時調(diào)整砂漿配合比，增加水泥用量，縮短砂漿的初凝時間，加快管片周圍土體的固結(jié)，避免地面沉降超限。在砂層段掘進時，注漿遵循“同步注入，快速凝結(jié)，信息反饋，適當(dāng)補充”的原則。  注漿材料  選用可注性強、經(jīng)久耐用、結(jié)石體強度高，對地下水和周圍環(huán)境無污染，價格相對低廉的水泥砂漿。  初凝時間 

17、; 初凝時間4小時8小時。在盾構(gòu)機掘進過程中對漿液進行動態(tài)管理，摸索漿液在砂層中適應(yīng)性,不斷進行信息化調(diào)整。  注漿壓力  注漿壓力是注漿施工主要的控制指標(biāo)。理論上對于自穩(wěn)性差的地層，注漿壓力應(yīng)與開挖面的水土壓力之和平衡。實際注漿壓力應(yīng)比理論值稍大，根據(jù)本砂層段地質(zhì)和隧道的覆土厚度情況，注漿壓力控制在0.20.4MPa。  注漿量  盾構(gòu)機在推進過程中，除了排出洞身斷面上的土體外，還存在著其它方面的土體損失，這些土體損失主要來源于以下幾個方面：一是盾尾管片安裝后形成的空隙；二是曲線地段推進時超挖引起的土體損失；三是盾構(gòu)機糾偏產(chǎn)生的土體

18、損失；四是盾構(gòu)機蛇形運動產(chǎn)生的土體損失。在盾構(gòu)機掘進通過砂層施工時，為了彌補地層損失，我們將每環(huán)管片背后同步注漿量不小于6.0 m3。屆時注漿量還應(yīng)根據(jù)地表隆陷監(jiān)測情況隨時進行調(diào)整和動態(tài)管理。  同步注漿配合比  盾構(gòu)機掘進通過砂層段同步注漿漿液配合比如下表4-1所示：表4-1 同步漿液配合比表（kg/m3）名稱水泥細砂膨潤土粉煤灰水高效減水劑重量/每方180kg533.33kg50kg383.33kg500kg2kg 二次注漿盾構(gòu)機通過砂層段掘進的同時，在脫出盾尾45環(huán)的管片上，及時通過吊裝孔在1、10點位對每環(huán)管片進行二次補注雙液漿回填，二

19、次注漿因無法計算襯背空隙量，現(xiàn)場注漿時以注漿壓力來控制，超過控制壓力即停止注漿。注漿壓力控制在45bar，最大不超過5bar，以免造成管片外周圍壓力過大，對管片造成破壞。二次注漿必須保證管片背后空隙充填密實，防止地面產(chǎn)生過大的沉降。 5.4  出渣控制措施   盾構(gòu)機掘進過程中出渣量控制  盾構(gòu)機在掘進通過砂層地段的過程中要嚴(yán)格控制每環(huán)的出渣量，安排專人監(jiān)督記錄每環(huán)的出渣量，以防出現(xiàn)超挖造成臨近建筑物破壞。 盾構(gòu)機掘進施工中防止地層失水  本區(qū)段隧道上覆層分布有富含地下水的粉細砂層。地層大量失水造成沉降易導(dǎo)致地面沉降過大。盾構(gòu)機掘進施工中采取以下措施防止地層大量失水： 一環(huán)掘進完停機等待拼裝管片時，土倉堆滿渣土以減少地下水向土倉匯集。 在管片脫出盾尾45環(huán)處利用管片吊裝孔進行二次補注雙液漿封閉管片背后向土倉匯水。 5.5  盾構(gòu)機通過砂層段掘進其他技術(shù)措施  1、及時掌握開挖面的地質(zhì)情況，嚴(yán)格控制每環(huán)出渣量，盾構(gòu)機在此砂層段掘進期間，盾構(gòu)司機對每一斗渣量及其油缸行程進行一次記錄，防止