卓總：土壓盾構(gòu)地層沉降控制技術(shù)

1、土壓平衡盾構(gòu)施工地層沉降控制技術(shù)卓普周1 概 述土壓平衡盾構(gòu)由盾殼、刀盤及刀盤驅(qū)動裝置、密閉土艙、盾構(gòu)千斤頂、螺旋輸送機、管片拼裝機械手、自動導(dǎo)向系統(tǒng)、盾尾密封裝置和人閘等組成，基本工作原理為：盾殼支承著圍巖并保護著刀盤旋轉(zhuǎn)，在千斤頂推力的作用下，刀盤上被切割、破碎的碴土，經(jīng)過開口進入密閉土艙內(nèi)，當(dāng)密閉艙內(nèi)的泥土壓力與開挖面壓力取得平衡的同時，端部伸入土艙下部的螺旋輸送機排土，控制螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速或者盾構(gòu)機的推進速度，達到土艙內(nèi)的泥土壓力與開挖面壓力的動態(tài)平衡。碴土通過電瓶車拖碴車運至洞外。國內(nèi)外實踐表明，即使在當(dāng)前盾構(gòu)施工技術(shù)日趨完善的今天，在掘進過程中也難以避免地面隆陷及地層水平位移情況的

2、發(fā)生，客觀因素主要有：地質(zhì)勘探資料與土層實際情況存在偏差，且地質(zhì)情況往往復(fù)雜多變；由于規(guī)劃不利，盾構(gòu)隧道經(jīng)常近距離的從大量地面建筑物基礎(chǔ)下面通過；在一些老城區(qū)，隧道上方分布著許多建筑年代久遠的對地層變形十分敏感的地下構(gòu)筑物、地面建筑物；盾構(gòu)施工是一個系統(tǒng)工程，施工中間環(huán)節(jié)多、影響因素多，稍有不慎，容易出現(xiàn)控制不到位的情況；掘進施工本身就是一個主動對圍巖擾動的過程；現(xiàn)在對環(huán)境控制的要求越來越嚴(yán)格等。由盾構(gòu)施工引起的地層沉降過大時，可導(dǎo)致地表建筑物傾斜、開裂、倒塌；地下管線斷裂；地面凹陷、隆起；橋面開裂等。引起的地層水平位移過大時可能引起地下樁基偏移及管線與通道錯位，甚至毀壞，對周圍環(huán)境產(chǎn)生了不利

3、影響。因此有必要對盾構(gòu)施工引起的地層變形情況進行研究，提前采取相應(yīng)的預(yù)防措施，使施工安全順利進行,周圍環(huán)境少受影響。2盾構(gòu)施工引起地面沉降原因分析通過對盾構(gòu)施工過程的分析，可得盾構(gòu)施工引起地面沉降的原因主要有以下3個：21盾構(gòu)掘進時的地層損失掘進時地層損失的產(chǎn)生主要有4個方面的原因：（1）刀盤前方土體的水土壓力沒有得到及時有效地平衡，使盾構(gòu)前方土體被迫處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這種地層損失極為有害，是地面沉降產(chǎn)生的主要原因之一。（2）管片外側(cè)與土層之間的間隙沒有及時有效地充填，產(chǎn)生地層損失，出現(xiàn)地面沉降。1）管片要在盾殼內(nèi)安裝，而盾殼為了抵御周圍地層的水土壓力勢必需要一定的厚度，其鋼殼的剛度才能滿足抵擋

4、水土壓力的要求，此厚度一般為58cm。2）土層可能存在軟硬不均等現(xiàn)象，為降低盾構(gòu)機掘進時的姿態(tài)偏差的影響，在管片安裝時，需在管片與盾殼之間留有一定的間隙，一般約為3cm左右。3）單從機械技術(shù)角度而言，盾構(gòu)機千斤頂?shù)耐屏梢宰龅胶艽?，然而管片砼的抗壓強度是有限的，因此在依靠已拼管片提供反力的情況下，盾構(gòu)機的推力不可能設(shè)計得很大，為了減少推進時周圍地層對盾殼的摩阻力，降低千斤頂推力的設(shè)計，一般將盾體做成梭形，即由刀盤向盾尾做成前大后小的梭子狀，以利于盾機推進時減少摩阻力，盾體前后半徑一般相差在35cm左右。4）盾體長度為8m左右，因此即使在設(shè)計有鉸接裝置的情況下，在轉(zhuǎn)彎時要使盾體能順利完成轉(zhuǎn)彎施工

5、，常常需要進行一定的超挖施工。5）掘進時刀盤切削土體連帶的擴孔效應(yīng)。綜合以上1）5），可知管片外側(cè)與土體之間的間隙一般約在11cm左右，這種間隙的存在是必然的，由此產(chǎn)生的地層損失可通過同步注漿等施工措施得到彌補，但如果得不到及時填充、或者填充不飽滿等，管片周圍地層產(chǎn)生將產(chǎn)生沉降。（3）改變推進方向：盾構(gòu)在曲線推進、蛇形糾偏、抬頭、栽頭過程中，實際開挖斷面不是圓而是橢圓，盾構(gòu)的殼板與圍巖之間不均勻摩擦，引起地層損失，出現(xiàn)地面沉降。盾構(gòu)軸線與隧道軸線偏角越大，則對土體擾動和超挖程度而引起的地層損失也越大。（4）其他因素：在盾構(gòu)處于停頓狀態(tài)或管片拼裝過程中由于液壓閥止鎖作用不好，導(dǎo)致盾構(gòu)后退，以致盾

6、尾密封裝置不佳，導(dǎo)致土砂從盾尾流入隧道內(nèi)造成砂土或水滲漏，加大了地層損失?；蛘哂捎诼菪斔推髅芊饧爸顾阅懿患?、土艙內(nèi)土體改良不善，致使前方土層中的地下水從螺旋輸送器大量涌出，造成地層損失。22 隧道周圍地層受到擾動或剪切破壞后的再固結(jié)。比如同步注漿對地層的擠壓等。23局部地段存在軟弱圍巖，使得盾構(gòu)隧道成型后在車輛荷載等的作用下有可能產(chǎn)生不均勻沉降。3某盾構(gòu)法隧道施工地層沉降概況某盾構(gòu)隧道埋深 8.8 m 13.6m，掘進地層以全風(fēng)化、強風(fēng)化、中風(fēng)化地層為主，隧道上覆地層為雜填土、粉質(zhì)粘土、砂層，地下水位1.5米左右。隧道管片內(nèi)徑5.4m，外徑6m，管片寬度1.2m，采用通縫拼裝，管片注漿采用

7、注漿孔及時注漿方式，本段采用土壓平衡盾構(gòu)機進行施工。施工期間地面沉降點如下布置：橫向監(jiān)測斷面間距2030m，特殊地段據(jù)實際情況調(diào)整。同一斷面內(nèi)在隧頂中心、兩隧道中間及隧道側(cè)邊以外56m布點，此段共主要布設(shè)32個測點，測點編號S6040S6072。施工期間除一點的沉降值達31.5mm，其余絕大部分測點沉降值均在mm以內(nèi)，周邊建筑物、城市道路等基本未受影響，施工過程中在平均每天810米的掘進速度情況下均處于安全狀態(tài),產(chǎn)生了良好的社會效益。4 盾構(gòu)隧道施工地表沉降量測結(jié)果分析4.1 盾構(gòu)施工過程中地面沉降的變化規(guī)律（1）就引起的地層變形特征來說，盾構(gòu)法與其它暗挖法的區(qū)別不是很大，且縱向、橫向沉降曲線

8、與PECK公式計算的理論沉降曲線比較接近。如圖4.1-1、圖4.1-2所示的縱、橫向沉降槽曲線特征與礦山法施工的基本相當(dāng)，也與PECK公式計算的理論沉降曲線特征接近。由于盾構(gòu)法施工時，直接用鋼殼及頂推力來保持圍巖的穩(wěn)定,因此從支護的效果及支護速度方面來講，比礦山法施工要有效地多、快得多，因此只要控制得當(dāng)，和以往暗挖法施工引起地面沉降的情況相比較，盾構(gòu)隧道最大沉降量值比暗挖法施工時的明顯要小許多。S6040S6072測點沉降值反映：在所施工區(qū)域以內(nèi)，除了S6052點、S6053點因為地面以下存在較厚的砂層，沉降值分別達31.2mm、-14mm以外，其余各點的最大沉降值均在7 mm以內(nèi)，說明盾構(gòu)施

9、工控制比較到位，如果采用礦山法等淺埋暗挖施工辦法則要達到同樣控制效果一般是比較難的。說明：S6052點沉降過大屬于不正常施工引起的。根據(jù)實測發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)施工橫向沉降影響范圍可達3D。某實測曲線見圖4.1-0。 3D3D 3D=6m D表示隧道外徑 隧道圖4.1-2 某盾構(gòu)隧道橫斷面地面沉降示意圖（2）地層損失引起的沉降，大都在施工期間呈現(xiàn)出來；而再固結(jié)引起的地面沉降，在塑性土中呈現(xiàn)較快，但在粘性土中則要延續(xù)較長時間。（3）當(dāng)盾構(gòu)掘進時，若開挖面受到的平衡力小于地層的原始應(yīng)力，則開挖面土體向盾構(gòu)內(nèi)移動，引起地層損失和地面沉降。反之，當(dāng)平衡力大于地層的原始應(yīng)力時，則開挖面土體向上向前移動，引起負地層

10、損失和地面隆起。（4）隧道正上方某一點的沉降量在盾構(gòu)通過前后沉降的速率是不一的，當(dāng)盾構(gòu)正在通過時，由于盾殼外側(cè)間隙還未回填，圍巖很快就因失去平衡產(chǎn)生向內(nèi)變形，因此在盾頭由該點下通過至盾尾從該點下經(jīng)過的階段是變形發(fā)展最快的階段。從總體沉降趨勢來看，地面沉降速率均在該階段表現(xiàn)為最大，最大沉降速率可達5.0 mm/d, 盾構(gòu)經(jīng)過時的沉降速率為平均沉降速率的1.33.9倍。具體見圖4.1-3及表4.1-1。圖4.1-3 刀盤經(jīng)過該點時盾尾經(jīng)過該點時表4.1-1 測點編號盾構(gòu)經(jīng)過時的沉降量S1（mm）盾構(gòu)經(jīng)過時的沉降速率V1（mm/d）總沉降量S2（mm）平均沉降速率V2(mm/d)S1/S2(%)v1

11、/v2S60482.42.55.90.8413.0S60525.25.029.04.1181.3S60562.22.25.10.9432.4S60603.13.15.60.8553.9因此在盾構(gòu)推進過程中，盾構(gòu)經(jīng)過時是最危險的時段，也是沉降變化最快的階段，掘進施工要連續(xù)進行，否則地層變形最大的階段的時間將變長，導(dǎo)致沉降量可能變大，尤其在較差地層中掘進時更應(yīng)注意這一點。（5）管片外側(cè)注漿效果對控制地層變形影響極大。S6052點在盾構(gòu)經(jīng)過時沉降5.2 mm，但在盾構(gòu)經(jīng)過后的1天之內(nèi)又急速沉降了12.1 mm，主要原因之一是注漿效果不理想，后來通過及時補注漿，變形得到控制。盾構(gòu)經(jīng)過時沉降量5.2 m

12、m注漿后天之內(nèi)沉降量12.1 mmS6052點沉降突變示意圖（6）盾構(gòu)掘進過程中，經(jīng)實踐驗證，將地層變形控制在30mm10mm以內(nèi)能有效地控制建筑物及地下構(gòu)筑物的變形而不致產(chǎn)生不良后果，再大時則將極有可能產(chǎn)生不良的影響。S6040S6072測點區(qū)域以內(nèi)，絕大部分地面沉降值均在7 mm以內(nèi)，沿線密集的建筑物，均保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常情況。（7）經(jīng)過分析，實際施工過程中地表沉降還表現(xiàn)有這樣的規(guī)律：當(dāng)某點處在盾前時的沉降量超過10mm時，則該點處在盾尾時沉降往往會接近30mm，既又多沉其原先2倍的量，當(dāng)脫離盾尾時，則將很有可能超過30mm，之后再過后推一點，沉降值可能有所回升。而當(dāng)盾構(gòu)前方的沉降控制在

13、5mm以內(nèi)，即在盾構(gòu)還沒有到達以前，控制沉降不超過5mm，或者稍微隆起一點，比如隆起5mm，該點的沉降值控制在30mm以內(nèi)一般是沒有問題的要做到這一點主要有兩點：A:對盾頭前面10米、20米及盾頭上方的沉降點嚴(yán)密觀測，及時提供反饋信息；B:及時根據(jù)反饋信息調(diào)整設(shè)定土壓力及頂推千斤頂參數(shù)。（8）當(dāng)處于隧道正上方的建筑物樁基底距隧道頂距離大于3m時，盾構(gòu)隧道施工對地表建筑物的影響較小，施工時著重從盾構(gòu)掘進方面加強控制即可安全從其下通過。當(dāng)該距離小于3m時，則需要慎重考慮，必要時要考慮一定的附加措施，如事先樁基托換、注漿加固等才能安全通過。（9）隧道埋深及地層情況對沉降大小的影響是不一樣的,地層情況

14、的好壞比隧道埋深對沉降的影響要大。（10）盾構(gòu)施工是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，引起地表沉降的因素相當(dāng)復(fù)雜，除與地層條件密切相關(guān)外，還與盾構(gòu)掘進時的平衡土壓、掘進速度、推進壓力、注漿時間、壓力、注漿量等有關(guān)，很難準(zhǔn)確計算及預(yù)測，理論計算值為預(yù)測提供了強有力的工具，但實際施工時也僅僅是指導(dǎo)性的，必須在施工過程當(dāng)中實行實時監(jiān)測與實時控制。4.2 盾構(gòu)法施工時影響地面沉降的主要因素從盾構(gòu)法施工時，地面沉降的產(chǎn)生原因、變形機理及變化規(guī)律，并結(jié)合盾構(gòu)法施工技術(shù)本身，得出影響地面沉降大小的主要因素有以下8個方面：（1）地層本身的狀態(tài)巖土軟硬程度，尤其是砂層、淤泥等不良地質(zhì)現(xiàn)象的存在。地下水位高低及土層滲透系數(shù)，地

15、下水補給來源。地層分層情況。主要是軟硬土層分界線位置、軟土層厚度及縱向分布等。土層軟硬不均現(xiàn)象，主要是軟硬交接面的傾斜度、長度、上覆土層情況等。（2）隧道埋深大小。尤其是隧道埋深在12倍隧道直徑的情況下。（3）地面建筑物荷載大小、分布密度及與盾構(gòu)隧道的相對關(guān)系。（4）掌子面的前方土層的水土壓力是否得到了有效平衡，主要在于：1）土壓力、水壓力設(shè)計值的設(shè)定。2）千斤頂?shù)耐七M速度。3）螺旋輸送器出土的速度。（5）盾尾注漿的效果（及時性、有效性、密實性）。（6）盾構(gòu)機掘進軸線偏差的控制、糾偏的影響。（7）盾構(gòu)密封性及防水效果。（8）盾構(gòu)推進過程中是否連續(xù)、順暢。5 盾構(gòu)施工地面沉降的控制措施（1）保持

16、盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定的措施。1）對掘進地層的掌握分析要做足做細，此乃保證掘進安全順利的關(guān)鍵之一。2）針對不同的地層，采取合適的掘進工況模式，即首先要選擇正確的掘進模式進行掘進。復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機可以通過自身的轉(zhuǎn)換即能實現(xiàn)（EPB）土壓平衡，半敞開式、敞開式三種模式。不同模式對應(yīng)不同的出土速度、刀盤扭矩及土艙壓力的設(shè)定。由于地質(zhì)條件千變?nèi)f化，故在施工當(dāng)中，首先要根據(jù)詳勘及補勘地質(zhì)資料，并運用諸如地質(zhì)雷達、超前鉆孔預(yù)報等措施，提前做好掘進模式的選擇與相應(yīng)的準(zhǔn)備。3）設(shè)定足夠的土壓力在設(shè)定土壓力時，要考慮：土層土壓力、地下水壓力；由于施工當(dāng)中存在著不可預(yù)見的因素，因此需要考慮一定的預(yù)備壓力；能維持開挖面

17、土體穩(wěn)定，不致因土壓設(shè)定偏低引起沉降或土壓偏高引起地表隆起；為了降低掘進扭矩、推力，提高掘進速度，降低土壓力對刀具的磨損，盡量采取設(shè)定較低的土壓力。土壓力主要以靜止土壓力為計算依據(jù)，并取值偏大的靜止土壓力（計算值的120）作為土艙壓力控制值較合適。掘進時土壓力的設(shè)定即要考慮設(shè)定的問題，同時要考慮保持土壓的問題，以下幾點需要著重考慮：A.土壓力的設(shè)定主要在于掘進速度、螺旋輸送器出土速度之間的匹配，是一個動態(tài)的且隨時需要調(diào)整的過程。B. 要嚴(yán)格控制出土量。正常情況下每一類土層掘進后的松散系數(shù)是一定的，即對同一類土在正常情況下每環(huán)出土量基本一致。當(dāng)大于正常情況出土?xí)r要引起警覺。故而在掘進過程中，除了

18、對土質(zhì)隨時觀察外，每環(huán)出土量的統(tǒng)計及控制很關(guān)鍵，要嚴(yán)格控制出土量。C. 務(wù)必要保證連續(xù)掘進。盾構(gòu)機及后配套的維修、保養(yǎng)要跟上，保證設(shè)備的完好率；對機械故障的處理要及時，確保不因機械故障因素長時間停機。另外碴土外運、管片供應(yīng)、砂漿供應(yīng)及掘進組織要緊湊，即務(wù)必要保證連續(xù)掘進，尤其在軟土中掘進更是這樣。長時間的停機將不可避免的導(dǎo)致土艙壓力的消散。D.土壓的適時補償。長時間停機之前土壓力要建足，在停機的中間時期，盾構(gòu)機適當(dāng)前推10厘米左右，補償土壓力。E.泡沫及膨潤土碴土改良系統(tǒng)要注意防止堵塞，要密切注意碴土改良對建壓的影響。為了施工參數(shù)優(yōu)化，必須熟練掌握盾構(gòu)機的操作，根據(jù)地面變形曲線進行實測反饋，以

19、驗證選擇施工的合理性或據(jù)以調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)。（2）及時、足量、有效的同步注漿及二次注漿。（3）注意盾構(gòu)在曲線上推進及盾構(gòu)糾偏，加強盾構(gòu)的方向控制。盾構(gòu)在曲線上推進時，土體對盾構(gòu)和隧道的約束力差，盾構(gòu)軸線較難控制，因此推進速度要放緩，糾偏幅度不要過大，加大注漿量，加強糾偏量測等工作，以減少地層損失。1）推進油缸油壓的調(diào)整不宜過快、過大。2）正確進行管片選型，確保拼裝質(zhì)量與精度，以使管片端面盡可能與計劃的掘進方向垂直。保證已拼裝成環(huán)管片的質(zhì)量。3）施工過程中及時進行專業(yè)化精密測量，及時、連續(xù)、緩慢的糾偏，直到糾正為止。（4）盾構(gòu)機掘進前，詳細掌握施工影響范圍內(nèi)的地面建筑物、地下管線、地下障礙物、地

20、下設(shè)施等。（5）將前100m設(shè)為初始掘進試驗段，對盾構(gòu)施工所采用的參數(shù)不斷優(yōu)化調(diào)整，以使盾構(gòu)在全線掘進中，隨地質(zhì)、埋深、環(huán)境的變化而動態(tài)、合適的確定施工參數(shù)。（6）盾構(gòu)始發(fā)、到達時，若洞口地基土較差，采取注漿加固措施，確保離、進洞口的安全。施工中在盾構(gòu)快進入加固土體時嚴(yán)格控制盾構(gòu)機的操作，低速鉆進，低速轉(zhuǎn)動，刀盤等措施。在此保證加固體的加固質(zhì)量極為關(guān)鍵的。（7）施工時盡量減少超挖。（8）對建筑物基礎(chǔ)進行注漿加固及托換保護。（9）對局部軟的土層地段，掘進前事先采取加固措施對軟基礎(chǔ)進行處理。（10）做好防水施工，防止地下水位下降。1） 設(shè)計的螺旋輸送器必須具有良好的密封性。2）同步注漿漿液不能凝固盾尾密封刷，同時要經(jīng)常及時向盾尾密封內(nèi)注油脂，以保證盾尾密封刷能正常工作，防止失效漏水。3）管片安裝