土压平衡盾构施工地表沉降分析及控制方法

高文

摘 要 对采用盾构法施工引起地表沉降的一般规律及类型进行了介绍，阐述了地面沉降产生的原因和机理，并对地面沉降量的具体控制方法作了说明，以期指导实践。

关键词 盾构法 地面沉降 规律 控制方法

随着地铁施工的发展，土压平衡盾构机因其施工安全可靠、适应地层广泛、对地层扰动较小、沉降易于控制等特点在城市地铁施工中被广泛应用。如何有效控制地表沉降、减小对地面建构筑物的扰动、降低隧道施工风险成了当今地铁施工领域的重难点。因此，如何认真分析盾构施工中地面沉降产生的原因与发生机理，针对具体情况采取合理措施，尽量减少地面沉降，力求确保施工过程中邻近建筑物的安全，已成为城市地铁工程中盾构法施工隧道成败的关键。

1 施工概况

1.1 地面建筑物概况

北京地铁8号线鼓什区间采用土压平衡盾构机进行施工，区间正穿101栋房屋等建筑，在影响线内近距离穿越389户居民及商铺。穿越建筑物区段总长600余米，占到整个区间总长的70%左右。沿线穿越房屋多为无基础的老式四合院，结构主要以砖木、砖混为主， 为一级风险源，房屋等地面建筑整体情况较差。因此如何正确选择盾构掘进参数，减小房屋沉降，确保平瓦房区房屋、居民安全是本工程的重点和难点。

1.2 水文地质概况

本工程隧道区间隧道覆土厚度15.8m～18.4m，穿越多种地层，主要穿越⑤8层卵石圆砾、⑥层粉质粘土，⑥1层粘土，⑥2层粉土，⑦4层中细砂，⑧层粉质粘土。拱顶地层主要为⑤8层卵石圆砾，⑥层粉质粘土，⑥1层粘土，⑥2层粉土。

在隧道施工范围内主要揭露了4层地下水，第一层为上层滞水，含水层为房渣土①层、粉质粘土③层、粉土③2层、粉细砂③3层，静止水位埋深2.00～9.30m，该层水水位埋深位于隧道顶板以上最小距离约9.7米；第二层为层间滞留水，静止水位埋深15.40～17.00m，主要含水层为粉细砂④4、粉土⑥2、卵石、圓砾⑤8。因粉质粘土⑥层、粘土⑥1层相对隔水形成，该层水不连续，水位埋深位于隧道顶板附近；第三层为层间滞留水，静止水位埋深21.00～24.60m，主要含水层为粉细砂⑦4层和卵石⑧9层，主要因粉质粘土⑧层、粘土⑧1层相对隔水形成，该层水不连续；第四层为潜水，水位埋深较大，因多年干旱及附近施工降水等原因引起潜水水位大幅度下降。

2 盾构机优化选型

结合本工程特点、工程地质、水文情况，本区间采用小松加泥式土压平衡盾构机TM625PMM进行施工，并对盾构机进行相应改造，使其更有利于本区间施工。为减小或降低对地面古老房屋的影响，主要从沉降和振动两方面对盾构机进行改进如下。

（1）刀盘面板增加1个渣土改良注入孔，土仓内增加2个渣土改良注入孔；

（2）增加渣土改良注入系统一套；

（3）螺旋机增加一套后闸门 ；

（4）同步注浆系统注入设备更换为施威英泵；

（5）增加两路盾尾油脂注入系统；

（6）增加两台刀盘驱动电机。

3 地面沉降的一般规律及类型

采用盾构法施工，在隧道纵轴线上所产生的地表变形一般可划分为五个阶段，即刀盘到达前、刀盘到达时、盾体通过中、盾尾脱出时、后期沉降。以监测断面A49-1沉降数据为例，五个阶段的一般变化历时曲线：

A49-1断面监测曲线

由A49-1断面监测曲线可以看出，盾构施工引起地表变形主要可分为五种类型，各种类型沉降产生的时间、部位及主要原因：

地层受扰动而引起应力变化，是产生位移的主要原因。盾构法施工的隧道穿越的地层较复杂，变形相对较大，上述的五种沉降类型都有可能发生。

4 地面沉降的原因与产生机理

盾构掘进过程中，导致地面沉降的原因有多种，但其产生的机理不同，主要可分下列五个方面：

（1）开挖时的水、土压力不均衡。

土压平衡式盾构，由于推进量与排土量不等，开挖面水、土压力与压力舱压力产生不均衡，致使开挖面失去平衡状态，从而发生地基变形（开挖面水、土压力小于压力舱压力时产生地基隆起，大于压力舱压力时产生地基下沉）。产生机理：由开挖面的应力释放、附加应力等引起的弹塑性变形。

（2）推进时土体的扰动

盾构推进时，由于盾构机头的壳板与土体摩擦和土体的扰动，引起地基下沉或隆起。尤其是蛇行修正和曲线推进时进行的超挖，是产生土体松动的主要原因。产生机理：压缩变形。

（3）盾尾空隙的发生和壁后注浆不充分

由于盾尾空隙的发生，使盾壳支承的土体朝着盾尾空隙变形而产生地基下沉，这是由应力释放引起的弹塑性变形。地基下沉的大小受壁后注浆材料材质及注入时间、位置、压力、数量等影响，粘性土地层中壁后注入压力过大是引起临时性地基隆起的主要原因。产生机理：弹塑性变形。

（4）衬砌的变形及变位

接头螺栓紧固不足时，管片环易产生变形，盾尾的实际空隙量增大，盾尾脱出后外压不均等使衬砌变形或变位，从而增大地基下沉。产生机理：压缩和蠕变下沉。

（5）地下水位下降

来自开挖面的涌水或衬砌产生漏水时，地下水位下降而使地基下沉，这一现象是由于地基的有效应力增加而引起固结沉降造成的。产生机理：压缩和压密下沉。

5 盾构掘进地面沉降的控制方法

根据地面沉降的原因与发生机理，采取合理有效的对策，将地面沉降控制在最小范围内。施工过程中常采取的方法如下。

5.1 直线段推进的地面沉降控制

5.1.1 土压力设定

防止开挖过程中的水、土压力不均衡，是为了要保持开挖面的稳定，它是控制地面沉降的关键。土压式盾构，以土压和塑流化改良控制为主，辅以排土量、盾构参数控制。开挖面的土压控制值，按"地下水压（间隙水压）+土压+预备压"设定。计算土压控制值时，一般沿隧道轴线取适当间隔，按各断面的土质条件，计算出上限值与下限值，并根据施工条件在其范围内设定。土体稳定性好的场合取低值，地层变形要求小的场合取高值。实施这些开挖面稳定措施的同时，根据需要采取施工辅助措施以保证土体的稳定。

5.1.2 有效的渣土改良

流塑性好的改良土有效的减小了土体与盾体之间的摩擦，保持了周围土体的稳定，同时对盾体周边空隙进行填充。

盾构推进前，首先加入泡沫，转动刀盘，待刀盘扭矩正常稳定后，再向前推进，同时加入泥浆。每环推进完成后，先停止加泥，转动刀盘3min左右再停止加泡沫。本区间主要为圆砾-卵石、粉细砂层，使用浓度3%的泡沫原液，发泡体积膨胀率为10倍，同时加入1：8的膨润土浆液。膨润土浆液掺量以满足底层内细颗粒含量不小于20%为宜。考虑到地层的渗漏损失，对于卵石地层，暂定掺入量为10%。

泥浆和泡沫的流量根据每环设计加量和掘进速度确定：理论流量=每环设计加量×掘进速度/1.2 。在加入过程中，由于土仓的土压会平衡一部分管道的压力，所以操作时泥浆和泡沫流量参数设定应略高于理论值，并根据土压力变化和螺旋机的出渣状况及时调整。

渣土改良效果

5.1.3 嚴格控制盾构姿态，减少盾构机偏转及横向偏移等现象的发生

根据导向系统反映的盾构姿态信息及线路条件，结合隧道地层情况，通过选择盾构机的推进油缸模式来控制掘进方向。同时在曲线段掘进时，按照曲线半径计算铰接角度，调节铰接油缸伸长量辅助曲线施工。

鉴于盾构推进结束后，由于同步注浆浆液需要一段时间才能初凝，因此管片都会有一定程度的上浮。因此掘进姿态宜控制盾构在设计轴线稍靠下位置，并保持一个大致不变的俯仰角。

纠偏时推进油缸油压的调整不宜过快、过大，切换速度过快可能造成管片受力状态突变，而使管片损坏。

5.1.4 出渣量的控制

严格控制出渣量，指定专人对每斗出渣量进行测量，对每斗渣土倾倒情况进行检查，并做好记录，根据估算结果实时调整螺旋机转速及出渣量，按虚方系数=1.2计算，每环出渣量控制在43～44m3。出渣过程中保持推进参数的稳定，以免造成开挖面水、土压力不均衡。

出渣量严格控制

5.1.5 同步注浆

做好盾尾间隙的充填压浆，可从以下四方面着手：

（1）确保压注工作的及时性。尽可能缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间，以防地层塌陷。

（2）改进注浆材料的性能。施工过程中，要严格控制注浆材料的配合比，对其凝结时间、强度、收缩量等通过试验不断改进，提高注浆材料的抗渗性能，既利于隧道防水，又可减小地面沉降。

砂浆质量严格控制

（3）确保压浆数量。注浆材料会产生收缩，因此，压浆量必须超过理论间隙体积，注浆量取环形间隙理论体积的1.3～1.8倍，即每环同步注浆量4.21～5.83m3。但过量的压浆会引起地表隆起或局部跑浆现象，对管片受力状态也有影响。

（4）控制注浆压力。为保证达到对环向空隙的有效充填，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根据经验，注浆压力取值为：2～3bar （注浆压力比土压力高约1bar） 。由于盾构纠偏、局部超挖、地层存在空隙等原因，往往使实际的间隙量无法估算。因此，还应将注浆压力作为衡量充填程度的标准，当压力急骤升高时，说明已充填密实，此时应停止注浆。

5.1.6 二次、多次注浆

注浆材料采用双液浆：即水玻璃+水泥砂浆（水泥：P.O42.5， 水玻璃：30Be）。浆液配比及其相关参数指标如下：

注浆浆液配比：水泥浆水灰比（重量比）：0.8：1；注入时浆液与水玻璃体积比为：水泥浆：水玻璃=1：1，浆液扩散半径0.7m。浆液初凝时间1分30秒；3d抗压强度7.8MPa，7d抗压强度11.2MPa，28d抗压强度13.3MPa。

二次注浆宜在盾构通过8～10环之后进行，同一环管片严格按'先拱顶后两腰，两腰对称'的方法注入，注浆压力控制在0.4～0.6MPa。采用隔环开孔、每环开三个孔（12点、3点、9点位置）的方式进行二次注浆，开孔深度以打穿同步注浆层为宜，约45cm。注双液浆时，先注纯水泥浆液1min后，打开水玻璃阀进行混合注入，终孔时应加大水玻璃的浓度。在一个孔注浆完结后应等待5～10分钟后将该注浆头打开疏通查看注入效果，如果水很大，应再次注入，至有较少水流出时可终孔，拆除注浆头并加盖闷头盖。如监测数据反映沉降仍不稳定，可采取多次补强措施控制沉降。

5.1.7 管片拼装质量控制

本工程所用管片分为标准环、左转环及右转环3种，以适应盾构掘进线型，施工时需根据需要选择合适的管片。管片类型和C块位置根据设计要求和现场情况确定。确定管片选型主要考虑下几个因素：

（1）盾尾间隙

（2）千斤顶油缸行程差

（3）铰接油缸行程差

拼装时注意管片拼装质量，管片拼装允许偏差为：高程和平面±50mm，每环相邻管片平整度4mm，纵向相邻环间平整度5mm，衬砌环直径椭圆度5‰。整环拼装相邻环环面间隙0.6～0.8mm，整环拼装纵缝相邻块间隙1.5～2.5mm。

盾构掘进时，在上一个循环管片脱出盾尾后，及时用风动扳手对所有管片环纵向螺栓进行复紧，确保所有螺栓绝对紧固，保证管片拼装质量。

严格控制管片拼装质量

5.1.8 加强地面变形的预测与监测

为了减少地面变形，推进前根据以往类似工程的经验和有限单元法进行预测，以预测结果为依据来初步设定掘进参数；在推进过程中，对隧道中心线上及其两侧一定范围内设定的观测点进行水准测量，将这一结果应用到后续区段的施工管理中。实践证明，采用"勤测试、勤调整施工参数"的信息化施工方法，可将地面沉降量控制在理论计算出的地面沉降限值范围内。

5.2 曲线段地面沉降控制

本隧道的最小曲线半径为350m，属于小半径曲线施工，因其固有的施工特点，对地面沉降有一定的影响。在掘进过程中需加强控制，防止超限事故发生。小半径隧道的施工难度在于：轴线比较难于控制；管片出盾尾后，易受到水平分力的影响，隧道向圆弧外侧偏移；盾构推进时，纠偏量较大，对土体扰动的增加易发生较大沉降量。采取的措施如下：

5.2.1 选用带有铰接装置的盾构，预先推出弧线态势

用于本标段的盾构铰接装置采用主动式铰接，在盾构将进入缓和曲线段处，调节交接角度，在其后的缓和曲线段掘进行程中将水平张角逐渐调节到设计铰接角度，以符合隧道轴线要求的曲率半径。其后在小半径的圆曲线隧道掘进中将基本保持这个张角，直至走完曲线全程。

5.2.2 采用超挖刀在曲线内侧位置进行超挖，有利于纠偏

在盾构刀盘上设计安装超挖刀，本段区间将采用超挖刀在曲线内侧位置进行超挖，以有利于纠偏。

5.2.3 盾构沿弧线内侧（割线方向）掘进，使得轴线留有预偏量

由于受水平分力影响，"大曲率小半径"隧道易向弧线外侧平移，因此盾构掘进时，将盾构沿弧线内侧（割线方向）掘进，使得轴线留有预偏量。

5.2.4 进行二次注浆，提高土体强度，抵抗水平分力

为减小盾构掘进时对已成隧道受到水平分力的影响，在R=350m圆曲线范围内利用管片注浆孔对弧线外侧土体进行注浆，提高土体强度，抵抗水平分力。

5.2.5 勤测勤纠，精确控制盾构方向

提高监测频率，每环分小段（30～40cm）进行测量，对比左右侧千斤顶的行程差是否达设计要求，以便及时调整左右侧的压力差，用最新的施工参数指导下一段施工。

5.2.6 正确的管片选型

准确测量盾尾间隙，正确选用管片拼装环（标准环、左弯环或右弯环），减小管片环在盾尾中转弯的阻力，而且保证推进油缸的推力支撑环面与隧道轴线基本垂直，有利于使用推进油缸调向和减小曲线段上调向推力并保持管片在曲线段上的稳定。

5.2.7 信息化施工。

信息化施工主要是通过设置仪器进行定时监测，并将其结果与施工管理标准值和容许值做比较，进而反馈到下一步施工中的保护措施。它的主要内容有：

（1）建立完善的变位监测系统，在隧道的两侧埋设沉降观测点进行系统、全面的跟踪监测。注意对盾构前方监测点监测数据的分析，盾构前方监测点地面变形控制在-5 mm～5 mm之间；

（2）根据地面建筑物的结构形式以及与隧道的间距等关系，制定最大沉降和沉降差的警界值；

（3）通过对盾构初始掘进时地面变形情况的分析，不断调整、优化掘进参数，以验证所选施工参数的合理性，保持盾构开挖面的稳定，实现信息化反馈施工。

6 施工工序優化控制

通过对各工序消耗时间的分析，查找工序衔接中存在的问题，通过设备正常保养、减小管片拼装时间、提前做好同步浆液搅拌等办法，减少施工，提高功效，缩减盾构掘进对土体的扰动时间。

7 结语

（1）对盾构隧道地表沉降的因素做了较为全面的分析，引起地表沉降主要与盾构掘进土压控制，注浆方式和注浆材料、注浆量和注浆压力，以及地层失水等有关，阐明了这些因素引起地表沉降产生的机理。

（2）根据产生地表沉降的因素对控制沉降提出了相对应的控制措施，通过施工实际情况证明，既保证了施工进度又保证沉降量控制在允许沉降值之内。

（3）对采用土压平衡盾构法施工隧道产生地表沉降提供了相应的理论分析，并提出相应的控制措施，对相似盾构法施工隧道的地表沉降控制有一定的借鉴意义。

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