盾構施工地面沉降制技術

1、盾構施工地面沉降控制技術摘要： 隨著現(xiàn)在對環(huán)境控制的要求越來越高，對盾構穿過城市中 心重要建筑時的影響要求極為嚴格 （ 一般要求施工時地面沉降控制在 +10mnr 30mm之內(nèi)）。盾構施工不可避免地干擾原土層的平衡狀態(tài)， 雖從理論上可實現(xiàn)無沉降施工， 但限于目前工藝和施工手段、 操作質(zhì) 量，幾乎無法做到地面無沉降或隆起。關鍵詞： 盾構施工；沉降；監(jiān)測一. 工程概況大連地鐵2號線201標段西安路站交通大學站區(qū)間隧道起訖里 程為 DK16+787.331DK18+443.793,全長 1656.462 米。區(qū)間出西安 路站后，沿西安路方向斜向西南方向行走，穿越大連市發(fā)電廠、馬欄 河轉(zhuǎn)向，沿西部大通

2、道側邊向西北方向走行，再次穿越馬攔河后，穿 越大連市自來水集團有限公司后并入黃河路， 到達交通大學站， 區(qū)間 下穿建筑物較多，包括 5、6、7 層建筑物各 1 棟， 2 層 2 棟和 1 層 3 棟及大連市發(fā)電廠、 大連市自來水集團有限公司大片廠房。 地下管線 密布，縱橫交錯，種類繁多。采用盾構法施工，區(qū)間隧道施工要在不 影響臨近建筑物和市政管線正常使用的條件下進行。二. 沉降的基本規(guī)律根據(jù)盾構施工引起縱向地表沉降時間先后 ,按地表沉降變形曲線 的形態(tài) ,將縱向地表沉降劃分為五個階段：即盾構到達前地表沉降、 盾構到達時的地表沉降、 盾構通過時的地表沉降、 盾尾建筑空隙引起的沉降及后期地表固結沉

3、降。1. 盾構到達前地表沉降：盾構開挖面尚未到達測點以前的沉降或 隆起主要是由密封倉壓力波動引起 ,當密封倉壓力偏低時造成盾構開 挖面應力釋放 ,引起地面沉降；反之 ,開挖面土體擠壓 , 引起地面隆起。2. 盾構到達時的地表沉降：開挖面到達測點 ,周圍土體因開挖卸荷 導致彈性或塑性變形發(fā)生 , 引起地面沉降； 如開挖面設定壓力過大時 產(chǎn)生隆起。3. 盾構通過時的地表沉降：開挖面到達測點至盾尾離開測點期間 發(fā)生的沉降或隆起 .主要是由于盾殼向前移動過程中盾殼對地層的摩 擦和剪切作用所引起， 盾殼外殼表面在施工過程中被粘附上一層黏土 或漿液 ,是盾殼體外周尺寸實際增大 ,從而增大了盾構建筑空隙 ,

4、亦增 加了地表變形。4. 盾尾建筑空隙引起的沉降： 盾尾離開測點后發(fā)生的沉降。 由于 盾構機外徑大于管片外徑 , 盾尾離開測點后 ,在地層中遺留下來的建 筑空隙就需要填充 ,以控制地表變形 .但往往因盾尾壁后注漿不及時或 注漿量 ,注漿壓力 ,注漿部位 ,漿液配比和材料方面不適當 ,使建筑空隙 未能及時填充形成支撐 ,盾尾脫出后 ,無支撐能力的軟土不能自立 ,自 行填充建筑空隙 ,造成地層應力釋放。5. 后期地表固結沉降：盾尾脫出約一周后的地表沉降。主要由底 土蠕變而產(chǎn)生的塑性變形， 包括超孔隙水壓消散引起的主固結沉降和 土體骨架蠕變引起的次固結沉降 .三. 區(qū)間隧道監(jiān)測點布置1監(jiān)測范圍及布點

5、原則主要對地鐵隧道中心軸線兩側 30m 范圍之內(nèi)及盾構推進施工段前 20m后30m范圍內(nèi)的地表土體進行豎向位移測量， 與施工同步進行。 在中心軸線上以 5m 的間距布置土體沉降監(jiān)測點，并且每隔 50 場面 布置一條沉降剖面線，每條沉降剖面線布置 7 個沉降監(jiān)測點（除中 心軸線上監(jiān)測點外，軸線兩側各設三個，布設方法為2m、4m、7m）。對重點管線要加密監(jiān)測點。2監(jiān)測點埋設方法 首先根據(jù)隧道中心軸線走坐標，然后用全站儀及根據(jù)實地地形地 物進行中心軸線點的放樣， 確定需要埋設監(jiān)測點的實地位置。 剖面線 監(jiān)測點布設方法與軸線監(jiān)測點相同。 根據(jù)設計圖紙現(xiàn)場踏勘， 如部分 點位有障礙物遮擋， 布點有困難，

6、 此時可適當將監(jiān)測點位置沿中軸線 方向前后位移布設。（1）基點埋設方法。 基點應埋設在沉降影響范圍以外的穩(wěn)定區(qū)域， 并且應埋設在視野開闊、 通視條件較好的地方； 基點數(shù)量根據(jù)需要埋 設，基點要牢固可靠。（2）隆陷測點埋設用沖擊鉆在地表鉆孔，然后放入長 200mmr 300mm直徑20mm 30mm勺圓頭鋼筋，四周用水泥砂漿填實。3.地面監(jiān)測在盾構施工中的作用和具體操作（1）作用盾構法施工是在地表面以下暗挖隧道的一種施工方法。近年來， 由于盾構法在技術上的不斷改進， 機械化程度越來越高， 對地層的適 應性也越來越好。 由于其埋置深度可以很深而不受地面建筑物和交通 的影響，因此在水底公路隧道、 城

7、市地下鐵道和大型市政工程等領域 均被廣泛采用。隨著城市隧道工程的增多，在道路、橋梁、建筑物下 進行盾構隧道施工，就必須要求將地層移動減少到最底程度。為此， 通過檢測掌握由盾構施工引起的周圍地層的移動規(guī)律及時采取必要 的技術措施改進施工工藝， 對于控制周圍地層位移量， 確保臨近建筑 物的安全是非常重要的。（2）監(jiān)測方法、內(nèi)容 盾構法進出洞工程的施工監(jiān)測與進出洞的方法有關，大多可參考 基坑工程的監(jiān)測方法。 盾構法施工隧道時所需的監(jiān)測內(nèi)容可分為兩大 類：巖土介質(zhì)和周圍環(huán)境的監(jiān)測及隧道結構的監(jiān)測。 其中巖土介質(zhì)和 周圍環(huán)境的監(jiān)測內(nèi)容包括：盾構正面土壓力、地表沉降和位移、土體 沉降和位移、土體應力和孔隙

8、水壓力、構筑物沉降和傾斜等項目。隧 道結構的監(jiān)測包括拱頂沉降和凈空收斂。四地面沉降原因和預測1. 地面沉降的原因分析 無論是在施工階段還是在基本營運階段，隧道都會有發(fā)生沉降， 而且由于地質(zhì)條件和施工條件沿隧道線路的變化， 隧道沉降又往往是 不均勻的， 其對地鐵或交通隧道的長期正常工作的影響是不利的。 影 響盾構隧道地表沉降因素很多 ,盾構施工時影響地表沉降的因素涉及土層基本條件、設計基本要素、盾構型式及規(guī)格尺寸、盾構施工的操 作控制質(zhì)量等諸多因素。具體來說，主要有地層性質(zhì)、覆土厚度、開 挖模式、壓力倉壓力、出土量及盾構推進速度、掘進中的地層損失、 盾尾注槳開始時間、 注漿量和注漿壓力、 隧道襯

9、砌在土壓力作用下產(chǎn) 生變形及沉降引起少量的地層損失， 受擾土體的固結等， 地表沉降是 這些因素綜合影響的結果。2. 地面沉降的防治措施對地面沉降控制技術分述如下 :（1）掘進模式選擇盾構掘進根據(jù)不同的地質(zhì)條件有敞開式、 半敞開式、 土壓平衡式 和泥水加壓平衡式以及混合掘進模式等多種掘進模式，以適應硬巖、 軟硬混合地層和含水軟巖以及含水松軟地層 ,特別是在飽和含水、靈 敏度較高的軟土等地區(qū)的掘進。本標段地層絕大部分是全斷面的中風化鈣質(zhì)板巖， 適合軟巖盾構 的掘進，且施工場地狹小故選用土壓平衡盾構， 由于考慮到地下水豐 富故選用土壓平衡復合型盾構。采用土壓平橫模式時， 碴土應有良好的流塑狀態(tài)、 良

10、好的粘稠度、 低的內(nèi)摩擦角和低的透水性 .當滿足不了需求時，需給開挖面、混合 倉和螺旋輸送機內(nèi)注入外加劑對碴土進行改良， 使開挖土具有流動性 和止水性。另外，壓縮的土體止水性差，當?shù)叵滤畨焊邥r，易出現(xiàn)噴 發(fā)現(xiàn)象，這時要注入添加劑，使開挖土具有流動性和止水性，平衡開 挖面的土壓和水壓。 施工中采用的外加劑是泡沫和膨潤土， 泡沫通過 盾構機上的泡沫系統(tǒng)注入， 膨潤土以懸乳液的形式通過膨潤土系統(tǒng)注 入到開挖倉和輸送機進口， 當必要時向盾殼上注入， 及早充填盾殼背 空隙，控制地表沉陷。（2）掘進壓力選擇當盾構掘進時， 若開挖面受到的水平支護應力小于地層的原始側 向應力，則開挖面土體向盾構內(nèi)移動， 引起

11、地層損失而導致盾構上方 地面沉陷。反之，當作用在正面土體的推應力大于原始側向應力時， 則開挖面土體向上向前移動， 引起負地層損失而導致盾構前上方土體 隆起。根據(jù)試掘進段 60環(huán)到 100環(huán)管片姿態(tài)測量成果，管片穩(wěn)定后水 平方向浮動在-10 10mm豎直方向浮動在3040mm故將盾構機姿 態(tài)控制調(diào)整為水平偏差-10 10mm豎直偏差-45 -30mm進入正常 掘進段，決定提高掘進速度，故適當提升總推力，同時加大刀盤轉(zhuǎn)速 至 1.82.0r/min ，以提高破巖速度， 螺機轉(zhuǎn)速調(diào)整到 1518 r/min ， 保證出渣速度， 泡沫注入率由盾構司機在掘進過程中， 根據(jù)實際情況 調(diào)整。施工中反映，如果

12、推進土壓力小于主動土壓力，當隧道埋深不 大時，土體會向下滑移，導致地表沉陷。當沉降要求較為嚴格時，應 使盾構的推進力大于靜土壓力， 以使土體產(chǎn)生向前進方向的變形成滑 移，以達到減小地表沉陷的目的。加強監(jiān)測和及時反饋信息，根據(jù)地 表隆起和沉陷狀況調(diào)整推力， 加快出碴速度減小推力， 達到降低地表 隆起的目的；減小出碴量，提高正面壓力，保持開挖面的穩(wěn)定，達到 控制沉降目標。（3）壁后注漿 壁后注漿主要是為了防止由盾尾空隙引起的隧道周圍圍巖變位， 控制地表沉陷， 同時可以提高隧道的止水性， 使隧道管片與周圍土體 形成整體保持結構穩(wěn)定， 確保管片的早期穩(wěn)定。 因此管片壁后注漿的 均勻和充分也是很重要的。

13、3. 注漿方式 :同步注漿和二次注漿（1）同步注漿。盾構推進時，盾尾形成短時間無支護狀態(tài)的盾尾 空隙變形， 直接影響地表沉陷的大小。 采用同步注漿系統(tǒng)及盾尾的注 漿管在盾尾空隙形成的同時，采用盾構邊掘進邊注漿的同步注漿方 式，迅速注漿充分填實空隙并盡早獲得設計強度， 及時防止圍巖變形， 控制地表沉陷。經(jīng)驗表明，壁后注漿的開始時間越早，充填率越高。 采用 EPB 模式時，由于地層自穩(wěn)能力差，同步注漿方式非常重要。（2）二次注漿。為提高壁后注漿層的防水性和密實均勻，必要時 在同步注漿結束后進行二次注漿。 若管片背后注漿不足， 將產(chǎn)生明顯 漏水，不僅影響隧道使用， 還會產(chǎn)生因地下水的流動或水位下降，

14、造 成地表沉降。通過注漿孔鉆孔入士體 2m對土體進行加固，有效止 水，控制地表沉降。（3）漿液的性能注漿漿液要流動性好， 便于盾構移動過程中續(xù)持不停的注漿； 一 環(huán)注漿結束后，漿液凝固有較好的強度，具有微膨脹性，避免后期收 縮變形；二次注漿材料要可注性強，能補充同步注漿的缺陷，對同步 注漿起充填和補充作用。當?shù)叵滤貏e豐富時，需要對地下水封堵。同時為了及早建立起漿液的高粘度， 以便在漿液向空隙充填的同時將 地下水疏干，獲得最佳充填效果，需要將漿液的凝膠時間調(diào)整至I4min,必要時二次注漿可采用水泥一水玻璃雙液漿。施工前應進行詳 細的漿液配比試驗，選定合適的注漿材料，添加劑及漿液配比，保證 所選

15、漿液配比、強度、耐久性等物理力學指標滿足工程的設計要求。（4）施工控制同步注漿以注漿壓力與注漿量進行雙重控制, 二次補強注漿量根 據(jù)地質(zhì)情況及注漿記錄情況,分析注漿效果,結合監(jiān)測情況,由注漿 壓力控制。1）注漿壓力 同步注漿時要求在地層中的漿液壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和,做到盡量填補同時又不產(chǎn)生劈裂。注漿壓力過大,管片周圍 土層將會被漿液擾動而造成后期地層沉降及隧道本身的沉降, 并易造 成跑漿,對剛拼裝完成的管片影響也大；而注漿壓力過小,漿液填充 速度過慢,填充不充足,會使地表變形增大,通常同步注漿壓力一般 為 1.1 1.2 倍的靜止土壓力,二次注漿壓力為 0.2 0.4MPa。2）

16、注漿量同步注漿量理論上是充填盾尾建筑空除, 但同時要考慮盾構推進 過程中的糾偏、 漿液滲透及注漿材料固結收縮等因素。 根據(jù)地質(zhì)及線 路情況,注漿量一般為理論注漿量的 1.4 2.5 倍,并應通過地面變 形觀測來調(diào)節(jié)。3）注漿速度及時間根據(jù)盾構機推進速度， 以每循環(huán)達到總注漿量而均勻注入， 盾構 機推進開始時注漿開始， 推進完畢注漿結束。 注漿速度應與盾構機的 掘進速度相適應。 過快可能會導致堵管， 過慢則會導致地層的坍塌或 使管片受力不均，產(chǎn)生偏壓。4. 控制循環(huán)出碴量嚴格控制掘進速度， 控制每循環(huán)的出碴量， 保持開挖土量和出土 量的平衡， 密切關注出碴碴土的物理性能。 不同的地層考慮相應的松

17、 散系數(shù)來控制碴土量。5. 控制地層失水地下水的流動使土粒產(chǎn)生位移， 土粒間空隙壓縮， 水位下降使土 體內(nèi)有效應力增加而發(fā)生固結現(xiàn)象，造成地表沉降。就止水性而言， 粘性土的滲透系數(shù)較小 ,砂性土滲透系數(shù)大。對于土壓平衡盾構機僅靠土倉和螺旋輸送機的壓縮效應不能有 效止水。掘進時密切關注開挖面的出水情況，當發(fā)現(xiàn)碴土太稀、水量 增大，開挖面有地下水涌出時，立即關閉螺旋輸送機倉門，給開挖面 或土室內(nèi)注入泡沫或膨潤土外加劑以補充細微顆粒的不足或置換細 微顆粒中的空隙水， 使開挖土體具有止水性， 同時實現(xiàn)氣壓或土壓平 衡模式掘進。6. 其他控制措施（1）盾構糾偏、在曲線推進。盾構在曲線推進、糾偏、抬頭或

18、叩頭推進過程中， 實際開挖斷面不是圓形而是橢圓， 從而會引起附加 變形，此時應調(diào)整掘進速度與正面土壓， 達到減少對地層的擾動和減少超挖的效果，從而減少地層的變形（2）固結沉降控制。盾構推進中的擠壓作用和盾尾后的壓漿作 用等施工因素， 使隧道周圍地層形成正值超孔隙水壓力區(qū)， 隨著盾構 的離開，土體表面應力釋放，超孔隙水壓力逐漸消失，引起地層固結 變形而帶來地面沉降。 超孔隙水壓力消失后， 土體骨架還會因蠕變而 引起次固結變形，在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑性粘土層中， 次固結沉降要持續(xù)幾年以上，所占總沉降量比例達 35%以上。為此應 根據(jù)地面實施監(jiān)測結果進行及時控制， 在管片襯砌背后實施跟蹤回填 與固結注漿，尤其是對拱部 120范圍進行地層固結注漿非常重要。（3）盾構暫停推進時，推進千斤頂可能漏油回縮引起盾構后退， 而使開挖面土體松弛造成地表沉陷，此時應作好防止盾構后退措施， 并對開挖面及盾尾采取封閉措施。（4）在土壓力作用下， 隧道襯砌產(chǎn)生的變形或沉降也會引起少量 的地層損失。隧道襯砌沉降