富水砂層中盾構(gòu)掘進地面沉降控制

張斌

（中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，越來越多的城市開始修建地鐵，而城市地鐵隧道埋深一般較淺，隧道上方的地面建筑及周邊的地下管線設(shè)施較多。盾構(gòu)法施工時盾構(gòu)機刀盤切削土體會對周圍地層造成不同程度的擾動，加之一些地層本身自穩(wěn)性差、地下水系密布，盾構(gòu)法施工不可避免的會對地面造成沉降。地面沉降則可能導(dǎo)致地面建筑物開裂、倒塌，地下管線錯位乃至破裂，嚴重影響其正常使用，甚至造成地鐵隧道透水坍塌的嚴重事故。因此，在盾構(gòu)法隧道施工過程中，選擇合理的施工技術(shù)及盾構(gòu)施工參數(shù)，制定完善的應(yīng)對措施至關(guān)重要。本文對某地鐵1 號線海盤區(qū)間右線在富水砂層中盾構(gòu)施工時地面沉降控制技術(shù)進行分析和總結(jié)，為同類地層中盾構(gòu)施工的地面沉降控制提供有效的技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

根據(jù)某地鐵1 號線海盤區(qū)間初勘及區(qū)域地質(zhì)資料，本標段沿線的地下水類型主要為潛水及第Ⅰ承壓水。潛水主要賦存于淺部①層填土、②層砂質(zhì)粉土、③-1層粉砂夾砂質(zhì)粉土、③-2層粉砂層和③-4粉細砂層中。第Ⅰ承壓水主要賦存于④層以下的⑤-1粉砂夾砂質(zhì)粉土、⑤砂質(zhì)粉土夾粉砂和⑥粉砂層中，局部賦存于夾層④-1砂質(zhì)粉土夾粉砂層中，其主要補給來源為地下水側(cè)向補給，排泄途徑為人工開采及地下水側(cè)向徑流。

1.2 沉降概況

根據(jù)《某市軌道交通1 號線一期工程地質(zhì)災(zāi)害危險性評估報告》，本標段線路沿線累計地面沉降量均小于200mm，地面沉降速率均小于5mm/A，綜合評價屬于地面沉降災(zāi)害危險性較小區(qū)。但由于淺層承壓水含水層廣泛發(fā)育，水量豐富，工程建設(shè)及鄰近工地抽采地下水也會誘發(fā)地面沉降，對工程建設(shè)及周邊環(huán)境造成影響。

2 地面沉降分析

2.1 沉降數(shù)據(jù)

在海盤區(qū)間右線始發(fā)試掘進階段，通過對地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析并通過分析得出的結(jié)論調(diào)整掘進各項參數(shù)，從而對后續(xù)盾構(gòu)施工過程中的地面沉降控制起到了積極地作用。2019 年8 月27 日早上7 點，隧道上方發(fā)生地面沉降，此時隧道內(nèi)掘進至85 環(huán)，切口環(huán)位置為93 環(huán)左右。

從地面監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，該段地面沉降有以下規(guī)律：盾構(gòu)掘進在盾構(gòu)切口前方的影響距離約5m，切口前0～5m，地面沉降小于5mm；切口前大于5m 位置，地面沉降小于3mm；在盾構(gòu)機刀盤切削土體位置，由于掘進刀盤的擾動和盾構(gòu)機土倉建立土壓平衡的影響，在盾構(gòu)機刀盤切口的位置沉降較大，一般累計變化量在5～8mm；地面監(jiān)測點通過但未脫出盾構(gòu)時，盾構(gòu)機在盾體前進過程中，造成的地面沉降一般達到3～5mm；地面監(jiān)測點在盾尾脫出時，地面沉降速率明顯降低，一般單次測量為1～3mm；盾尾脫出后10m，沉降速率明顯降低，沉降小于1mm。

2.2 沉降原因

從盾構(gòu)施工的整個施工工序來看，盾構(gòu)掘進造成的地面沉降過程大致可分為四個階段：

（1）第一階段為盾構(gòu)切口到達前0～5m，因受前倉壓力以及盾構(gòu)掘進時刀盤在土體內(nèi)擾動的影響，地面變化受土倉壓力值的影響一般呈隆起或下沉狀態(tài)。

（2）第二階段為盾構(gòu)盾體上方沉降，隨著切口前移，盾構(gòu)機刀盤及盾構(gòu)土倉土壓影響消失，由于刀盤切削土體外徑比盾體外徑大，且盾體上一般不能進行同步注漿。在盾體通過時盾構(gòu)切口處地面會有較快回落，且如果繼續(xù)沉降，一般達到5～8mm。

（3）第三階段為出盾尾后的沉降，刀盤開挖面外徑比盾構(gòu)拼裝完成的管片外徑要大，導(dǎo)致開挖面的土體與管片外側(cè)之間存在一定的間隙，且富水砂層土體自穩(wěn)性差、易變性，如果出盾尾后開挖面與盾構(gòu)管片外徑之間的空隙得不到及時有效的填充，地面會出現(xiàn)明顯沉降。

（4）第四階段為滯后沉降，實測資料表明，滯后沉降是個相對較長的階段，且一般沉降量較小。

3 沉降控制措施

3.1 合理控制土倉壓力

在盾構(gòu)掘進時，主要通過調(diào)整螺旋機出土和刀盤開挖的速度來建立一個土壓平衡，土倉內(nèi)土壓過低會造成盾構(gòu)前方沉降。在富水砂層施工中，由于砂土在水的作用下更具流動性，在刀盤位置更易出現(xiàn)沉降。因而在富水砂層中盾構(gòu)施工為保證地層穩(wěn)定性，減少因地層損失、水土流動、盾構(gòu)土倉內(nèi)壓力變化和外界擾動等原因，導(dǎo)致的地層變形引發(fā)地面沉降，土倉壓力設(shè)定一般要大于理論土壓力0.2MPa 左右，具體數(shù)據(jù)要根據(jù)實際施工中的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整。

3.2 優(yōu)化泡沫的使用

在富水砂層中注入泡沫劑使其在刀盤開挖面形成泥膜，能起到比較好的止水效果，可以在一定程度上增加刀盤開挖面的穩(wěn)定性。同時，土倉中的砂土和泡沫劑攪拌后，會增加碴土中細顆粒的比重，改變碴土的級配，使其流塑性更好，更有利于土倉中土壓平衡的建立和碴土的排出，減小螺旋輸送機的扭矩。但是，在富水砂層中，泡沫劑中的氣體會導(dǎo)致土體內(nèi)的氣壓較大，同步注漿壓力大，而且氣壓的流失更快容易造成土倉內(nèi)壓力波動，因此，在富水砂層中在保證泡沫發(fā)泡效果的情況下要盡量減少泡沫中氣體的注入量。

3.3 停機過程及時保壓

在盾構(gòu)施工中要盡量保持施工連續(xù)。盾構(gòu)掘進時合理的控制土壓平衡可以有效控制地面沉降，但是在停機拼裝管片或設(shè)備檢修時，停機時間長易造成土倉內(nèi)的水土流失，因而在停機關(guān)閉前，確保土箱中充滿壓載土，土箱壓力值必須比正常開挖施工大0.2MPa 左右。停機關(guān)閉時，應(yīng)派專人隨時觀察棄土車的壓力變化。如果土壓力降低，及時用膨潤土填滿土箱，保持垃圾中土壓力平衡。

3.4 保證注漿

在盾構(gòu)試掘進階段，綜合分析本地層同步注漿量與管片剛脫出盾尾對應(yīng)的地面監(jiān)測點單次沉降的定性關(guān)系，確定了合適本區(qū)間的同步注漿參數(shù)。設(shè)計適宜高富水砂層的同步漿液配合比，砂（kg）：粉煤灰（kg）：膨潤土（kg）：石灰（kg）：添加（SK-6）（kg）：水（kg）=900：300：70：100：3：380，漿液性能比重>1.8g/cm3，坍落度14±2cm，坍落度經(jīng)時變化≥5cm（20H），屈服強度>800Pa（20H）。

同時，在同步注漿過程中，對注漿壓力和注漿量雙控，考慮到漿液在富水砂層中會擴散到土體中且容易被地下水稀釋，實際注漿量應(yīng)為理論注漿量的2 倍。在理論上注漿壓力只須使?jié){液在盾尾預(yù)埋鐵管出口的壓力大于該處水土壓力之和，即能使建筑空隙得以填充飽滿。但注漿壓力不能太大，否則會使周圍土層產(chǎn)生劈裂，管片外的土層將會被漿液擾動而造成較大的后期沉降及隧道本身的沉降，因而將注漿壓力控制在6BAR 左右為宜。

3.5 合理糾偏

在盾構(gòu)施工過程中，嚴格執(zhí)行“慢改慢改”的原則，最大限度地減少因操作人員操作不當?shù)仍蛞鸬谋Ｗo機轉(zhuǎn)向。施工中對偏差的過度修正施工中過大的糾偏量會引起盾構(gòu)機過量的超挖，從而導(dǎo)致地面沉降增加。

4 總結(jié)

由于南通地下水豐富和砂層的地質(zhì)特性地面沉降、塌陷的事故也偶有發(fā)生。加之盾構(gòu)施工刀盤的擾動，富水砂層在水動力和盾構(gòu)掘進作用下，土體自穩(wěn)能力極差，因而隧道掘進施工引起的土體變形反應(yīng)迅速，易造成安全質(zhì)量事故。

但是在通過對富水砂層地面沉降科學的分析和制定合理的技術(shù)措施實施后，該盾構(gòu)施工區(qū)間地面監(jiān)測單次沉降不超過3mm，累計不大于10mm，沉降控制效果良好。