土压平衡盾构施工地层沉降控制技术.doc

土压平衡盾构施工地层沉降控制技术

1 概 述
土压平衡盾构由盾壳、刀盘及刀盘驱动装置、密闭土舱、盾构千斤顶、螺旋输送机、管片拼装机械手、自动导向系统、盾尾密封装置和人闸等组成，基本工作原理为：盾壳支承着围岩并保护着刀盘旋转，在千斤顶推力的作用下，刀盘上被切割、破碎的碴土，经过开口进入密闭土舱内，当密闭舱内的泥土压力与开挖面压力取得平衡的同时，端部伸入土舱下部的螺旋输送机排土，控制螺旋输送机的转速或者盾构机的推进速度，达到土舱内的泥土压力与开挖面压力的动态平衡。碴土通过电瓶车拖碴车运至洞外。
国内外实践表明，即使在当前盾构施工技术日趋完善的今天，在掘进过程中也难以避免地面隆陷及地层水平位移情况的发生，客观因素主要有：
①地质勘探资料与土层实际情况存在偏差，且地质情况往往复杂多变；
②由于规划不利，盾构隧道经常近距离的从大量地面建筑物基础下面通过；在一些老城区，隧道上方分布着许多建筑年代久远的对地层变形十分敏感的地下构筑物、地面建筑物；
③盾构施工是一个系统工程，施工中间环节多、影响因素多，稍有不慎，容易出现控制不到位的情况；
④掘进施工本身就是一个主动对围岩扰动的过程；
⑤现在对环境控制的要求越来越严格等。
由盾构施工引起的地层沉降过大时，可导致地表建筑物倾斜、开裂、倒塌；地下管线断裂；地面凹陷、隆起；桥面开裂等。引起的地层水平位移过大时可能引起地下桩基偏移及管线与通道错位，甚至毁坏，对周围环境产生了不利影响。因此有必要对盾构施工引起的地层变形情况进行研究，提前采取相应的预防措施，使施工安全顺利进行,周围环境少受影响。

2盾构施工引起地面沉降原因分析
通过对盾构施工过程的分析，可得盾构施工引起地面沉降的原因主要有以下3个：
2．1盾构掘进时的地层损失
掘进时地层损失的产生主要有4个方面的原因：
（1）刀盘前方土体的水土压力没有得到及时有效地平衡，使盾构前方土体被迫处于不稳定状态。这种地层损失极为有害，是地面沉降产生的主要原因之一。
（2）管片外侧与土层之间的间隙没有及时有效地充填，产生地层损失，出现地面沉降。
1）管片要在盾壳内安装，而盾壳为了抵御周围地层的水土压力势必需要一定的厚度，其钢壳的刚度才能满足抵挡水土压力的要求，此厚度一般为5～8cm。
2）土层可能存在软硬不均等现象，为降低盾构机掘进时的姿态偏差的影响，在管片安装时，需在管片与盾壳之间留有一定的间隙，一般约为3cm左右。
3）单从机械技术角度而言，盾构机千斤顶的推力可以做到很大，然而管片砼的抗压强度是有限的，因此在依靠已拼管片提供反力的情况下，盾构机的推力不可能设计得很大，为了减少推进时周围地层对盾壳的摩阻力，降低千斤顶推力的设计，一般将盾体做成梭形，即由刀盘向盾尾做成前大后小的梭子状，以利于盾机推进时减少摩阻力，盾体前后半径一般相差在3～5cm左右。
4）盾体长度为8m左右，因此即使在设计有铰接装置的情况下，在转弯时要使盾体能顺利完成转弯施工，常常需要进行一定的超挖施工。
5）掘进时刀盘切削土体连带的扩孔效应。
综合以上1）～5），可知管片外侧与土体之间的间隙一般约在11cm左右，这种间隙的存在是必然的，由此产生的地层损失可通过同步注浆等施工措施得到弥补，但如果得不到及时填充、或者填充不饱满等，管片周围地层产生将产生沉降。
（3）改变推进方向：盾构在曲线推进、蛇形纠偏、抬头、栽头过程中，实际开挖断面不是圆而是椭圆，盾构的壳板与围岩之间不均匀摩擦，引起地层损失，出现地面沉降。盾构轴线与隧道轴线偏角越大，则对土体扰动和超挖程度而引起的地层损失也越大。

（4）其他因素：在盾构处于停顿状态或管片拼装过程中由于液压阀止锁作用不好，导致盾构后退，以致盾尾密封装置不佳，导致土砂从盾尾流入隧道内造成砂土或水渗漏，加大了地层损失。或者由于螺旋输送器密封及止水性能不佳、土舱内土体改良不善，致使前方土层中的地下水从螺旋输送器大量涌出，造成地层损失。
2．2 隧道周围地层受到扰动或剪切破坏后的再固结。
比如同步注浆对地层的挤压等。
2．3局部地段存在软弱围岩，使得盾构隧道成型后在车辆荷载等的作用下有可能产生不均匀沉降。

3某盾构法隧道施工地层沉降概况
某盾构隧道埋深 8.8 m～ 13.6m，掘进地层以全风化、强风化、中风化地层为主，隧道上覆地层为杂填土、粉质粘土、砂层，地下水位1.5米左右。隧道管片内径5.4m，外径6m，管片宽度1.2m，采用通缝拼装，管片注浆采用注浆孔及时注浆方式，本段采用土压平衡盾构机进行施工。
施工期间地面沉降点如下布置：横向监测断面间距20～30m，特殊地段据实际情况调整。同一断面内在隧顶中心、两隧道中间及隧道侧边以外5～6m布点，此段共主要布设32个测点，测点编号S6040~S6072。施工期间除一点的沉降值达31.5mm，其余绝大部分测点沉降值均在７mm以内，周边建筑物、城市道路等基本未受影响，施工过程中在平均每天8～10米的掘进速度情况下均处于安全状态,产生了良好的社会效益。

4 盾构隧道施工地表沉降量测结果分析
4.1 盾构施工过程中地面沉降的变化规律
（1）就引起的地层变形特征来说，盾构法与其它暗挖法的区别不是很大，且纵向、横向沉降曲线与PECK公式计算的理论沉降曲线比较接近。如图4.1-1、
图4.1-2所示的纵、横向沉降槽曲线特征与矿山法施工的基本相当，也与PECK公式计算的理论沉降曲线特征接近。由于盾构法施工时，直接用钢壳及顶推力来保持围岩的稳定,因此从支护的效果及支护速度方面来讲，比矿山法施工要有效地多、快得多，因此只要控制得当，和以往暗挖法施工引起地面沉降的情况相比较，盾构隧道最大沉降量值比暗挖法施工时的明显要小许多。S6040～S6072测点沉降值反映：在所施工区域以内，除了S6052点、S6053点因为地面以下存在较厚的砂层，沉降值分别达－31.2mm、-14mm以外，其余各点的最大沉降值均在7 mm以内，说明盾构施工控制比较到位，如果采用矿山法等浅埋暗挖施工办法则要达到同样控制效果一般是比较难的。

说明：S6052点沉降过大属于不正常施工引起的。

根据实测发现，盾构施工横向沉降影响范围可达3D。某实测曲线见图4.1-0。

3D3D

3

D=6m D表示隧道外径
隧道
图4.1-2 某盾构隧道横断面地面沉降示意图
（2）地层损失引起的沉降，大都在施工期间呈现出来；而再固结引起的地面沉降，在塑性土中呈现较快，但在粘性土中则要延续较长时间。
（3）当盾构掘进时，若开挖面受到的平衡力小于地层的原始应力，则开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失和地面沉降。反之，当平衡力大于地层的原始应力时，则开挖面土体向上向前移动，引起负地层损失和地面隆起。
（4）隧道正上方某一点的沉降量在盾构通过前后沉降的速率是不一的，当盾构正在通过时，由于盾壳外侧间隙还未回填，围岩很快就因失去平衡产生向内变形，因此在盾头由该点下通过至盾尾从该点下经过的阶段是变形发展最快的阶段。从总体沉降趋势来看，地面沉降速率均在该阶段表现为最大，最大沉降速率可达5.0 mm/d, 盾构经过时的沉降速率为平均沉降速率的1.3—3.9倍。具体见图4.1-3及表4.1-1。

图4.1-3

刀盘经过该点时
盾尾经过该点时
表4.1-1
测点
编号
盾构经过时的沉降量S1（mm）
盾构经过时的沉降速率V1（mm/d）
总沉降量S2（mm）
平均沉降速率V2(mm/d)
S1/S2
(%)
v1/v2
S6048
2.4
2.5
5.9
0.8
41
3.0
S6052
5.2
5.0
29.0
4.1
18
1.3
S6056
2.2
2.2
5.1
0.9
43
2.4
S6060
3.1
3.1
5.6
0.8
55
3.9
因此在盾构推进过程中，盾构经过时是最危险的时段，也是沉降变化最快的阶段，掘进施工要连续进行，否则地层变形最大的阶段的时间将变长，导致沉降量可能变大，尤其在较差地层中掘进时更应注意这一点。
（5）管片外侧注浆效果对控制地层变形影响极大。S6052点在盾构经过时沉降5.2 mm，但在盾构经过后的1天之内又急速沉降了12.1 mm，主要原因之一是注浆效果不理想，后来通过及时补注浆，变形得到控制。
盾构经过时沉降量5.2 mm
注浆后１天之内沉降量12.1 mm

S6052点沉降突变示意图
（6）盾构掘进过程中，经实践验证，将地层变形控制在－30mm～＋10mm以内能有效地控制建筑物及地下构筑物的变形而不致产生不良后果，再大时则将极有可能产生不良的影响。S6040～S6072测点区域以内，绝大部分地面沉降值均在
7 mm以内，沿线密集的建筑物，均保持稳定，未出现异常情况。
（7）经过分析，实际施工过程中地表沉降还表现有这样的规律：当某点处在盾前时的沉降量超过10mm时，则该点处在盾尾时沉降往往会接近30mm，既又多沉其原先2倍的量，当脱离盾尾时，则将很有可能超过30mm，之后再过后推一点，沉降值可能有所回升。而当盾构前方的沉降控制在5mm以内，即在盾构还没有到达以前，控制沉降不超过5mm，或者稍微隆起一点，比如隆起5mm，该点的沉降值控制在－30mm以内一般是没有问题的要做到这一点主要有两点：A:对盾头前面10米、20米及盾头上方的沉降点严密观测，及时提供反馈信息；B:及时根据反馈信息调整设定土压力及顶推千斤顶参数。
（8）当处于隧道正上方的建筑物桩基底距隧道顶距离大于3m时，盾构隧道施工对地表建筑物的影响较小，施工时着重从盾构掘进方面加强控制即可安全从其下通过。当该距离小于3m时，则需要慎重考虑，必要时要考虑一定的附加措施，如事先桩基托换、注浆加固等才能安全通过。
（9）隧道埋深及地层情况对沉降大小的影响是不一样的,地层情况的好坏比隧道埋深对沉降的影响要大。
（10）盾构施工是一个复杂的系统工程，引起地表沉降的因素相当复杂，除与地层条件密切相关外，还与盾构掘进时的平衡土压、掘进速度、推进压力、注浆时间、压力、注浆量等有关，很难准确计算及预测，理论计算值为预测提供了强有力的工具，但实际施工时也仅仅是指导性的，必须在施工过程当中实行实时监测与实时控制。
4.2 盾构法施工时影响地面沉降的主要因素
从盾构法施工时，地面沉降的产生原因、变形机理及变化规律，并结合盾构法施工技术本身，得出影响地面沉降大小的主要因素有以下8个方面：
（1）地层本身的状态
岩土软硬程度，尤其是砂层、淤泥等不良地质现象的存在。
地下水位高低及土层渗透系数，地下水补给来源。
地层分层情况。主要是软硬土层分界线位置、软土层厚度及纵向分布等。

土层软硬不均现象，主要是软硬交接面的倾斜度、长度、上覆土层情况等。
（2）隧道埋深大小。尤其是隧道埋深在1～2倍隧道直径的情况下。
（3地面建筑物荷载大小、分布密度及与盾构隧道的相对关系。
（4）掌子面的前方土层的水土压力是否得到了有效平衡，主要在于：
1）土压力、水压力设计值的设定。
2）千斤顶的推进速度。
3）螺旋输送器出土的速度。
（5）盾尾注浆的效果（及时性、有效性、密实性）。
（6）盾构机掘进轴线偏差的控制、纠偏的影响。
（7）盾构密封性及防水效果。
（8）盾构推进过程中是否连续、顺畅。
5 盾构施工地面沉降的控制措施
（1）保持盾构开挖面稳定的措施。
1）对掘进地层的掌握分析要做足做细，此乃保证掘进安全顺利的关键之一。
2）针对不同的地层，采取合适的掘进工况模式，即首先要选择正确的掘进模式进行掘进。
复合式土压平衡盾构机可以通过自身的转换即能实现（EPB）土压平衡，半敞开式、敞开式三种模式。不同模式对应不同的出土速度、刀盘扭矩及土舱压力的设定。由于地质条件千变万化，故在施工当中，首先要根据详勘及补勘地质资料，并运用诸如地质雷达、超前钻孔预报等措施，提前做好掘进模式的选择与相应的准备。
3）设定足够的土压力
在设定土压力时，要考虑：①土层土压力、地下水压力；②由于施工当中存在着不可预见的因素，因此需要考虑一定的预备压力；③能维持开挖面土体稳定，不致因土压设定偏低引起沉降或土压偏高引起地表隆起；④为了降低掘进扭矩、推力，提高掘进速度，降低土压力对刀具的磨损，尽量采取设定较低的土压力。
土压力主要以静止土压力为计算依据，并取值偏大的静止土压力（计算值的
120％）作为土舱压力控制值较合适。
掘进时土压力的设定即要考虑设定的问题，同时要考虑保持土压的问题，以下几点需要着重考虑：
A.土压力的设定主要在于掘进速度、螺旋输送器出土速度之间的匹配，是一个动态的且随时需要调整的过程。
B. 要严格控制出土量。
正常情况下每一类土层掘进后的松散系数是一定的，即对同一类土在正常情况下每环出土量基本一致。当大于正常情况出土时要引起警觉。故而在掘进过程中，除了对土质随时观察外，每环出土量的统计及控制很关键，要严格控制出土量。
C. 务必要保证连续掘进。
盾构机及后配套的维修、保养要跟上，保证设备的完好率；对机械故障的处理要及时，确保不因机械故障因素长时间停机。另外碴土外运、管片供应、砂浆供应及掘进组织要紧凑，即务必要保证连续掘进，尤其在软土中掘进更是这样。长时间的停机将不可避免的导致土舱压力的消散。
D.土压的适时补偿。
长时间停机之前土压力要建足，在停机的中间时期，盾构机适当前推10厘米左右，补偿土压力。
E.泡沫及膨润土碴土改良系统要注意防止堵塞，要密切注意碴土改良对建压的影响。
为了施工参数优化，必须熟练掌握盾构机的操作，根据地面变形曲线进行实测反馈，以验证选择施工的合理性或据以调整优化施工参数。
（2）及时、足量、有效的同步注浆及二次注浆
（3）注意盾构在曲线上推进及盾构纠偏，加强盾构的方向控制。
盾构在曲线上推进时，土体对盾构和隧道的约束力差，盾构轴线较难控制，因此推进速度要放缓，纠偏幅度不要过大，加大注浆量，加强纠偏量测等工作，以减少地层损失。

1）推进油缸油压的调整不宜过快、过大。
2）正确进行管片选型，确保拼装质量与精度，以使管片端面尽可能与计划的掘进方向垂直。保证已拼装成环管片的质量。
3）施工过程中及时进行专业化精密测量，及时、连续、缓慢的纠偏，直到纠正为止。
（4）盾构机掘进前，详细掌握施工影响范围内的地面建筑物、地下管线、地下障碍物、地下设施等。
（5）将前100m设为初始掘进试验段，对盾构施工所采用的参数不断优化调整，以使盾构在全线掘进中，随地质、埋深、环境的变化而动态、合适的确定施工参数。
（6）盾构始发、到达时，若洞口地基土较差，采取注浆加固措施，确保离、进洞口的安全。施工中在盾构快进入加固土体时严格控制盾构机的操作，低速钻进，低速转动，刀盘等措施。在此保证加固体的加固质量极为关键的。
（7）施工时尽量减少超挖。
（8）对建筑物基础进行注浆加固及托换保护。
（9）对局部软的土层地段，掘进前事先采取加固措施对软基础进行处理。
（10）做好防水施工，防止地下水位下降。
1） 设计的螺旋输送器必须具有良好的密封性。
2）同步注浆浆液不能凝固盾尾密封刷，同时要经常及时向盾尾密封内注油脂，以保证盾尾密封刷能正常工作，防止失效漏水。
3）管片安装时严格控制环面平整度，K块插入时止水条表面涂减摩剂，保证止水条的安装质量。
4）掘进过程中控制管片的开裂。
（11）应将盾构掘进前后各30米为重点监测地段，建立严格的隧道沉降监测控制网，及时定期进行监测，注意对盾构前方地面沉降的控制，力争将盾构前方的地面变形控制在（-5mm～+5mm）以内。掘进过程中，监测队伍要精干、高效，监测数据要及时、真实、有效，并建立盾构机操作室－监测组－地面监控室全封
闭、全天候、全方位的信息采集及反馈环，确保在第一时间内对各种掘进参数进行调整。
(12)当围岩不稳定,有可能发生开挖面坍塌,地表沉降时,可根据围岩条件环境、盾构机等因素采用化学加固法、高压旋喷法或这几种方法并用用以维持围岩的稳定，控制地面沉降的发生。
6 结论
（1）、盾构法施工是一门复杂的系统工程，地面沉降的产生因素是各方面的，但是只要掌子面平衡控制得及时有效，盾尾间隙能得到及时有效充填，地面沉降能够得到有效控制。
（2）、盾构法施工中，对地层变形的控制不仅涉及到土建方面的知识，而且对盾构机本身的机械性能的了解是十分重要的，只有这2个方面都做得好，才能在实际中及时将土建技术的需要转化为盾构机的相关操作，控制好盾构机，使沉降得到有效控制。
（3）、工程实践表明，即使在比较好的地层情况下，如果施工控制不好，则地面沉降值也会很大，因此监测工作在控制地面沉降的过程中极为重要。
（4）、地层变化的复杂性加大了对地层详细认识的难度，目前缺乏一种十分有效的在推进过程中能随时准确预测掌子面前方地层情况的一种简便、准确、实用的方法及设备，需要在以后的实践中不断摸索寻找。