地鐵盾構(gòu)施工時的地層沉降控制研究

唐超 羅榮

（中交一公局廈門工程有限公司,福建 廈門 361000）

引言

城市軌道交通線路不可避免地在空間上與其他既有結(jié)構(gòu)發(fā)生交叉，其中，盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路路基為典型工況，相關(guān)工程實例越來越多。盾構(gòu)隧道在施工過程中將引起地層擾動，造成地表沉降，進而使既有鐵路結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降變形。鐵路結(jié)構(gòu)微小的沉降變形可能對列車運營安全造成非常大的影響，故列車運行對鐵路結(jié)構(gòu)沉降變形的要求非常嚴格。我們了解到，地質(zhì)沉降從本質(zhì)上來看不可避免，但是在一定范圍內(nèi)可保持地下以及地面空間的安全，為確保安全要研究盾構(gòu)施工的特點，并且找到地層沉降的原因，之后才可以制定相應(yīng)的沉降參數(shù)控制體系，從而讓該系統(tǒng)的運行質(zhì)量獲得保障?；诖?，本文首先分析了地鐵盾構(gòu)施工時的地層沉降成因，接下來對地鐵盾構(gòu)施工時的地層沉降控制方法做具體論述。詳情如下：

一、盾構(gòu)機選型

盾構(gòu)機的選型主要是考慮地層滲透系數(shù)。根據(jù)施工經(jīng)驗，當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)小于10-7cm/s時，可以選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B水系數(shù)在10-7cm/s和10-4cm/s之間時，既可以選用土壓平衡盾構(gòu)也可以選用泥水式盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)大于10-4cm/s時，宜選用泥水盾構(gòu)。泥水平衡盾構(gòu)在主要為高水壓飽和粉細砂地層中對控制開挖工作面穩(wěn)定性、地表沉降方面及保證施工進度方面明顯優(yōu)于土壓平衡盾構(gòu)，更能保證施工安全。從施工場地方面來講，土壓平衡盾構(gòu)不需泥漿處理場，施工占地少，對環(huán)境的影響相對較小，每米綜合價格相對較低。而泥水平衡盾構(gòu)需泥漿處理場，需要較大施工場地，對周邊環(huán)境影響較大，且泥漿處理費用昂貴，故每米綜合價格相對較高。

二、地鐵盾構(gòu)施工時的地層沉降成因

地鐵盾構(gòu)施工時的地層沉降成因主要涉及以下兩個方面：首先是土層擾動沉降。土層擾動沉降是整個施工中最核心的沉降原因之一，盾構(gòu)機通過之前、通過過程和通過之后，土層參數(shù)會產(chǎn)生一定程度上的變化，這一擾動即所謂的土層擾動沉降過程。其次是管片圓環(huán)變形問題沉降。在盾構(gòu)機的推進之中，襯砌結(jié)構(gòu)會在脫出盾尾后，出現(xiàn)受力情況的短時間大幅度變化情況，在土層壓力的作用下，盾構(gòu)的管片圓環(huán)從標(biāo)準圓變成橢圓，這就會導(dǎo)致土層出現(xiàn)一定的沉降，這一情況下，土層的沉降參數(shù)維持在1到4mm之間。然后是管片脫出盾尾后與地層存在間隙，引起地表發(fā)生沉降。

三、地鐵盾構(gòu)施工時的地層沉降控制方法

（一）出渣工作的控制

地鐵盾構(gòu)施工時的地層沉降控制方法之一是出渣工作的控制。出渣速度必須與盾構(gòu)機的掘進速度和掘進進程進行匹配，才能夠防止出渣的速度高于整個系統(tǒng)的運行標(biāo)準。通常情況下，螺旋輸送機的掘進速度決定了整個工作系統(tǒng)中的出渣速度，而盾構(gòu)機的掘進速度決定因素是千斤頂油缸的頂進速度。在出渣速度限定中，通常采用質(zhì)量測量和體積測量兩種方法完成任務(wù)，其中質(zhì)量測量是同時稱取出渣車和渣土的總體質(zhì)量，分析一段時間內(nèi)的實際出渣量，在此基礎(chǔ)上核算速度。體積測量方法則需要測量該過程中渣土的總體體積，以分析出渣的速度，之后通過與實際的設(shè)計參數(shù)進行對比，研究當(dāng)前出渣速度和掘進速度之間是否匹配。需要注意的是，該過程也要按照實際的土層參數(shù)向其中加入相關(guān)的渣土改良劑，尤其是對于沙石土層來說，需要通過發(fā)泡劑、膨脹劑的使用提高土層的實際承力水平，這類材料也要配置在相應(yīng)的出渣控制工作體系內(nèi)。

（二）地表沉降變形控制

地鐵盾構(gòu)施工時的地層沉降控制方法之二是地表沉降變形控制。盾構(gòu)隧道通常使用單層鋼筋混凝土管片作為襯砌結(jié)構(gòu)。由于環(huán)境問題和人口密度的增加，為了保護盾構(gòu)隧道施工的安全，可以在混凝土管片襯砌內(nèi)再作一層整體式現(xiàn)澆鋼筋混凝土內(nèi)襯，形成雙層襯砌結(jié)構(gòu)，以共同承受外力減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形。根據(jù)有限元模擬得出的結(jié)果，采用雙層襯砌，結(jié)構(gòu)的安全性會大大提高，但考慮到理論與實際之間存在差異，仍然需要采取一定的地表沉降控制措施?？筛鶕?jù)實際施工條件及施工環(huán)境，采取嚴格控制土倉壓力、保持開挖面內(nèi)外土壓力平衡、調(diào)整刀盤扭矩及掘進速度、渣土改良以及二次注漿等措施控制地表變形。

（三）土壓的合理設(shè)置

地鐵盾構(gòu)施工時的地層沉降控制方法之三是土壓的合理設(shè)置。壓力核算過程需要考慮底層的土壓、地下區(qū)域的水壓以及預(yù)壓力三個部分，對于地層的土壓力，需要通過對于土層的各類參數(shù)以及不同土層的運行情況完成相應(yīng)的核算工作。對于地下水壓，使用觀測井法可進行測定。對于預(yù)壓力的計算過程，要考慮實際的工作誤差和各類設(shè)定參數(shù)的實際作用水平。通常情況下，這一參數(shù)維持在20到30kPa之間，地層壓力的計算過程需要考慮地層的成拱能力，在地層具有成拱能力時，按照Terzsghi壓力公式進行計算，而不具備這一能力，則按照垂直土柱載荷公式進行計算。此外也要分析該區(qū)的土層是否為粘性土，是這一類型的土壤時，按豎直方向的擴展運動進行相應(yīng)的核算工作。而對于沙石土，由于沉降的增量以及垂直的擴展速度在整個盾構(gòu)機上方處于最大狀態(tài)，所以要按照實際的測量經(jīng)驗完成研究工作。通常情況下，砂石土中隧道的深度處于1到1.5D狀態(tài)時，可確定該區(qū)域存在成拱能力；粘性土的深埋深度處于1.5到2D狀態(tài)時，可認為該區(qū)域的覆蓋土層具有成拱能力。通過對這類參數(shù)的核算，防止在后續(xù)的具體參數(shù)設(shè)定過程中出現(xiàn)地表土層大范圍隆起和沉降現(xiàn)象。

（四）沉降觀測

地鐵盾構(gòu)施工時的地層沉降控制方法之四是沉降觀測。盾構(gòu)隧道施工過程中必定會對附近地表和周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，因此，為確保施工安全和周圍環(huán)境的穩(wěn)定，施工中建立全面、嚴密的監(jiān)測體系是非常必要的，通過全面、及時的監(jiān)測信息反饋指導(dǎo)施工，不僅可保證主體結(jié)構(gòu)自身的安全穩(wěn)定，還可對周邊環(huán)境影響進行有效控制，減少施工對周邊建(構(gòu))筑物、路面及管線等周圍環(huán)境的影響，從而有效地將施工控制在安全范圍之內(nèi)。

盾構(gòu)法施工或多或少都會擾動地層而引起地表沉降，即使采用目前先進的盾構(gòu)技術(shù)，要完全消除地面沉降也是不太可能的。地面沉降量達到某種程度就會危及周圍的地下管線和建筑物。因此要了解：

1.盾構(gòu)施工過程中地表隆陷情況及其規(guī)律性；

2.盾構(gòu)掘進過程因地表隆陷而引起的建筑物、地下管線下沉及傾斜情況，確保建筑物、地下管線的安全；

3.施工過程中地層不同深度的垂直變形與水平變形情況；

4.圍巖與結(jié)構(gòu)物的相互作用力以及管片襯砌的變形情況，實現(xiàn)信息化施工。

盾構(gòu)施工監(jiān)測貫穿工程施工全過程，各監(jiān)測項目在施工開始前取得初始值，施工開始后按要求的頻率進行監(jiān)測。影響范圍內(nèi)建（構(gòu)）筑物沉降、傾斜監(jiān)測項目監(jiān)測范圍取區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)邊緣兩側(cè)各1.0～2.0H（H為隧道埋深）范圍內(nèi)；

影響范圍內(nèi)的地下管線對給水、污水、雨水等管線按實際監(jiān)測；監(jiān)測范圍取區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)邊緣兩側(cè)各2.0H（H=Hi+D，Hi為區(qū)間盾構(gòu)隧道埋深，D為洞徑）范圍；影響范圍內(nèi)地表沉降測點布置范圍為區(qū)間盾構(gòu)軸線外側(cè)3m、6m、6m布置，其中最后一個測點位置根據(jù)隧道埋深調(diào)整。當(dāng)工程施工結(jié)束后2個月，施工影響安全的因素消除，本工程隧道本體工程完工且周邊環(huán)境沉降（變形）穩(wěn)定后（即地表沉降速率1mm/30d，建筑物速率為4mm/100d），并滿足設(shè)計圖紙、相關(guān)規(guī)范要求，由施工監(jiān)測單位提交監(jiān)測工作停測申請單，附監(jiān)測項目成果報表至第三方監(jiān)測單位復(fù)核，附第三方監(jiān)測項目成果復(fù)核報表，審核完成后報監(jiān)理單位審核對兩方數(shù)據(jù)進行比對分析，比對無誤后，由監(jiān)理單位召集相關(guān)參建單位商定，形成停止監(jiān)測會議紀要。相應(yīng)的監(jiān)測工作即結(jié)束。

（五）在地鐵盾構(gòu)施工中應(yīng)用遠程監(jiān)控技術(shù)

地鐵盾構(gòu)施工時的地層沉降控制方法之五是在地鐵盾構(gòu)施工中應(yīng)用遠程監(jiān)控技術(shù)。在實際盾構(gòu)施工過程中，由于地下與地面信息不暢，若只通過電話通訊無法將地下施工情況實時的反饋給地面管理人員及其他相關(guān)單位，遠程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)被用來有效反饋地下施工狀況及掘進參數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)異常，比如施工過程中出現(xiàn)掘進參數(shù)失衡、涌水涌沙等情況，地面管理人員及相關(guān)單位可以通過遠程監(jiān)控技術(shù)及時了解情況采取措施糾正。同時，施工監(jiān)測及第三方監(jiān)測實施將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控平臺，可以讓參建各方及時了解地面沉降情況，并根據(jù)地表沉降情況設(shè)置合理的掘進參數(shù)，以便有效地控制地表沉降，提高地鐵隧道施工的安全。

結(jié)語：

綜上，隨著城市的發(fā)展，地鐵在城市公共交通系統(tǒng)中的地位愈發(fā)重要。隨著地鐵里程的不斷增大，地鐵覆蓋范圍越來越廣，地鐵已不單單是城市中心區(qū)域獨有的交通方式。在向城市周邊及郊區(qū)擴展的過程中，地鐵線路下穿鐵路路基的情況時有發(fā)生盾構(gòu)法是修建地鐵的常用方法，其優(yōu)點是施工速度快，自動化程度高，對地面交通不造成影響等.研究發(fā)現(xiàn)，在下穿鐵路路基施工過程中，各盾構(gòu)掘進參數(shù)對路基沉降變形的影響程度由大至小依次為注漿層厚度、注漿壓力、盾構(gòu)推力、注漿層彈性模量。在盾構(gòu)推進過程中，應(yīng)及時填充盾尾間隙，并保證相對充足的注漿量。同時，通過沉降觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來確定合理的掘進參數(shù)，控制合理的出土量，對渣土進行改良來降低地層損失率，以保障施工過程中地表沉降在可控范圍之內(nèi)，提高地鐵盾構(gòu)施工的安全技術(shù)水平。希望本文研究所得的對之后的項目設(shè)計以及開展提供有意義的價值。