盾構(gòu)施工地面沉降限制技術(shù)摘要：隨著現(xiàn)在對環(huán)境限制的要求越來越高，對盾構(gòu)穿過城市中心重要建筑時的影響要求極為嚴格(一般要求施工時地面沉降限制在+10mm～－30mm之內(nèi))。盾構(gòu)施工不行避開地干擾原土層的平衡狀態(tài)，雖從理論上可實現(xiàn)無沉降施工，但限于目前工藝和施工手段、操作質(zhì)量，幾乎無法做到地面無沉降或隆起。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工；沉降；監(jiān)測一.工程概況大連地鐵2號線201標(biāo)段西安路站～交通高校站區(qū)間隧道起訖里程為DK16+787.331～DK18+443.793，全長1656.462米。區(qū)間出西安路站后，沿西安路方向斜向西南方向行走，穿越大連市發(fā)電廠、馬欄河轉(zhuǎn)向，沿西部大通道側(cè)邊向西北方向走行，再次穿越馬攔河后，穿越大連市自來水集團有限公司后并入黃河路，到達交通高校站，區(qū)間下穿建筑物較多，包括5、6、7層建筑物各1棟，2層2棟和1層3棟及大連市發(fā)電廠、大連市自來水集團有限公司大片廠房。二.沉降的基本規(guī)律依據(jù)盾構(gòu)施工引起縱向地表沉降時間先后,按地表沉降變形曲線的形態(tài),將縱向地表沉降劃分為五個階段：即盾構(gòu)到達前地表沉降、盾構(gòu)到達時的地表沉降、盾構(gòu)通過時的地表沉降、盾尾建筑空隙引起的沉降及后期地表固結(jié)沉降。1.盾構(gòu)到達前地表沉降：盾構(gòu)開挖面尚未到達測點以前的沉降或隆起主要是由密封倉壓力波動引起,當(dāng)密封倉壓力偏低時造成盾構(gòu)開挖面應(yīng)力釋放,引起地面沉降；反之,開挖面土體擠壓,引起地面隆起。2.盾構(gòu)到達時的地表沉降：開挖面到達測點,四周土體因開挖卸荷導(dǎo)致彈性或塑性變形發(fā)生,引起地面沉降；如開挖面設(shè)定壓力過大時,產(chǎn)生隆起。3.盾構(gòu)通過時的地表沉降：開挖面到達測點至盾尾離開測點期間發(fā)生的沉降或隆起.主要是由于盾殼向前移動過程中盾殼對地層的摩擦和剪切作用所引起，盾殼外殼表面在施工過程中被粘附上一層黏土或漿液,是盾殼體外周尺寸實際增大,從而增大了盾構(gòu)建筑空隙,亦增加了地表變形。4.盾尾建筑空隙引起的沉降：盾尾離開測點后發(fā)生的沉降。由于盾構(gòu)機外徑大于管片外徑,盾尾離開測點后,在地層中遺留下來的建筑空隙就須要填充,以限制地表變形.但往往因盾尾壁后注漿不剛好或注漿量,注漿壓力,注漿部位,漿液配比和材料方面不適當(dāng),使建筑空隙未能剛好填充形成支撐,盾尾脫出后,無支撐實力的軟土不能獨立,自行填充建筑空隙,造成地層應(yīng)力釋放。5.后期地表固結(jié)沉降：盾尾脫出約一周后的地表沉降。主要由底土蠕變而產(chǎn)生的塑性變形，包括超孔隙水壓消散引起的主固結(jié)沉降和土體骨架蠕變引起的次固結(jié)沉降.三.區(qū)間隧道監(jiān)測點布置1．監(jiān)測范圍及布點原則主要對地鐵隧道中心軸線兩側(cè)30m范圍之內(nèi)及盾構(gòu)推動施工段前20m、后30m范圍內(nèi)的地表土體進行豎向位移測量，與施工同步進行。在中心軸線上以5m的間距布置土體沉降監(jiān)測點，并且每隔50場面布置一條沉降剖面線，每條沉降剖面線布置7個沉降監(jiān)測點（除中心軸線上監(jiān)測點外，軸線兩側(cè)各設(shè)三個，布設(shè)方法為2m、4m、7m）。對重點管線要加密監(jiān)測點。2．監(jiān)測點埋設(shè)方法首先依據(jù)隧道中心軸線走坐標(biāo)，然后用全站儀及依據(jù)實地地形地物進行中心軸線點的放樣，確定須要埋設(shè)監(jiān)測點的實地位置。剖面線監(jiān)測點布設(shè)方法與軸線監(jiān)測點相同。依據(jù)設(shè)計圖紙現(xiàn)場踏勘，如部分點位有障礙物遮擋，布點有困難，此時可適當(dāng)將監(jiān)測點位置沿中軸線方向前后位移布設(shè)。（1）基點埋設(shè)方法?；c應(yīng)埋設(shè)在沉降影響范圍以外的穩(wěn)定區(qū)域，并且應(yīng)埋設(shè)在視野開闊、通視條件較好的地方；基點數(shù)量依據(jù)須要埋設(shè)，基點要堅固牢靠。（2）隆陷測點埋設(shè)用沖擊鉆在地表鉆孔，然后放入長200mm～300mm，直徑20mm～30mm的圓頭鋼筋，四周用水泥砂漿填實。3.地面監(jiān)測在盾構(gòu)施工中的作用和具體操作（1）作用盾構(gòu)法施工是在地表面以下暗挖隧道的一種施工方法。近年來，由于盾構(gòu)法在技術(shù)上的不斷改進，機械化程度越來越高，對地層的適應(yīng)性也越來越好。由于其埋置深度可以很深而不受地面建筑物和交通的影響，因此在水底馬路隧道、城市地下鐵道和大型市政工程等領(lǐng)域均被廣泛采納。隨著城市隧道工程的增多，在道路、橋梁、建筑物下進行盾構(gòu)隧道施工，就必須要求將地層移動削減到最底程度。為此，通過檢測駕馭由盾構(gòu)施工引起的四周地層的移動規(guī)律剛好實行必要的技術(shù)措施改進施工工藝，對于限制四周地層位移量，確保接近建筑物的平安是特別重要的。（2）監(jiān)測方法、內(nèi)容盾構(gòu)法進出洞工程的施工監(jiān)測與進出洞的方法有關(guān)，大多可參考基坑工程的監(jiān)測方法。盾構(gòu)法施工隧道時所需的監(jiān)測內(nèi)容可分為兩大類：巖土介質(zhì)和四周環(huán)境的監(jiān)測及隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測。其中巖土介質(zhì)和四周環(huán)境的監(jiān)測內(nèi)容包括：盾構(gòu)正面土壓力、地表沉降和位移、土體沉降和位移、土體應(yīng)力和孔隙水壓力、構(gòu)筑物沉降和傾斜等項目。隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測包括拱頂沉降和凈空收斂。四．地面沉降緣由和預(yù)料1.地面沉降的緣由分析無論是在施工階段還是在基本營運階段，隧道都會有發(fā)生沉降，而且由于地質(zhì)條件和施工條件沿隧道線路的改變，隧道沉降又往往是不勻稱的，其對地鐵或交通隧道的長期正常工作的影響是不利的。影響盾構(gòu)隧道地表沉降因素許多,盾構(gòu)施工時影響地表沉降的因素涉及土層基本條件、設(shè)計基本要素、盾構(gòu)型式及規(guī)格尺寸、盾構(gòu)施工的操作限制質(zhì)量等諸多因素。具體來說，主要有地層性質(zhì)、覆土厚度、開挖模式、壓力倉壓力、出土量及盾構(gòu)推動速度、掘進中的地層損失、盾尾注槳起先時間、注漿量和注漿壓力、隧道襯砌在土壓力作用下產(chǎn)生變形及沉降引起少量的地層損失，受擾土體的固結(jié)等，地表沉降是這些因素綜合影響的結(jié)果。2.地面沉降的防治措施對地面沉降限制技術(shù)分述如下:（1）掘進模式選擇盾構(gòu)掘進依據(jù)不同的地質(zhì)條件有放開式、半放開式、土壓平衡式和泥水加壓平衡式以及混合掘進模式等多種掘進模式，以適應(yīng)硬巖、軟硬混合地層和含水軟巖以及含水松軟地層,特殊是在飽和含水、靈敏度較高的軟土等地區(qū)的掘進。本標(biāo)段地層絕大部分是全斷面的中風(fēng)化鈣質(zhì)板巖，適合軟巖盾構(gòu)的掘進，且施工場地狹小故選用土壓平衡盾構(gòu)，由于考慮到地下水豐富故選用土壓平衡復(fù)合型盾構(gòu)。采納土壓平橫模式時，碴土應(yīng)有良好的流塑狀態(tài)、良好的粘稠度、低的內(nèi)摩擦角和低的透水性.當(dāng)滿意不了需求時，需給開挖面、混合倉和螺旋輸送機內(nèi)注入外加劑對碴土進行改良，使開挖土具有流淌性和止水性。另外，壓縮的土體止水性差，當(dāng)?shù)叵滤畨焊邥r，易出現(xiàn)噴發(fā)覺象，這時要注入添加劑，使開挖土具有流淌性和止水性，平衡開挖面的土壓和水壓。施工中采納的外加劑是泡沫和膨潤土，泡沫通過盾構(gòu)機上的泡沫系統(tǒng)注入，膨潤土以懸乳液的形式通過膨潤土系統(tǒng)注入到開挖倉和輸送機進口，當(dāng)必要時向盾殼上注入，及早充填盾殼背空隙，限制地表沉陷。（2）掘進壓力選擇當(dāng)盾構(gòu)掘進時，若開挖面受到的水平支護應(yīng)力小于地層的原始側(cè)向應(yīng)力，則開挖面土體向盾構(gòu)內(nèi)移動，引起地層損失而導(dǎo)致盾構(gòu)上方地面沉陷。反之，當(dāng)作用在正面土體的推應(yīng)力大于原始側(cè)向應(yīng)力時，則開挖面土體向上向前移動，引起負地層損失而導(dǎo)致盾構(gòu)前上方土體隆起。依據(jù)試掘進段60環(huán)到100環(huán)管片姿態(tài)測量成果，管片穩(wěn)定后水平方向浮動在-10～10mm，豎直方向浮動在30～40mm，故將盾構(gòu)機姿態(tài)限制調(diào)整為水平偏差-10～10mm，豎直偏差-45～-30mm。進入正常掘進段，確定提高掘進速度，故適當(dāng)提升總推力，同時加大刀盤轉(zhuǎn)速至1.8～2.0r/min，以提高破巖速度，螺機轉(zhuǎn)速調(diào)整到15～18r/min，保證出渣速度，泡沫注入率由盾構(gòu)司機在掘進過程中，依據(jù)實際狀況調(diào)整。施工中反映，假如推動土壓力小于主動土壓力，當(dāng)隧道埋深不大時，土體會向下滑移，導(dǎo)致地表沉陷。當(dāng)沉降要求較為嚴格時，應(yīng)使盾構(gòu)的推動力大于靜土壓力，以使土體產(chǎn)生向前進方向的變形成滑移，以達到減小地表沉陷的目的。加強監(jiān)測和（3）壁后注漿壁后注漿主要是為了防止由盾尾空隙引起的隧道四周圍巖變位，限制地表沉陷，同時可以提高隧道的止水性，使隧道管片與四周土體形成整體保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，確保管片的早期穩(wěn)定。因此管片壁后注漿的勻稱和充分也是很重要的。3.注漿方式:同步注漿和二次注漿（1）同步注漿。盾構(gòu)推動時，盾尾形成短時間無支護狀態(tài)的盾尾空隙變形，干脆影響地表沉陷的大小。采納同步注漿系統(tǒng)及盾尾的注漿管在盾尾空隙形成的同時，采納盾構(gòu)邊掘進邊注漿的同步注漿方式，快速注漿充分填實空隙并盡早獲得設(shè)計強度，剛好防止圍巖變形，限制地表沉陷。閱歷表明，壁后注漿的起先時間越早，充填率越高。采納EPB模式時，由于地層自穩(wěn)實力差，同步注漿方式特別重要。（2）二次注漿。為提高壁后注漿層的防水性和密實勻稱，必要時在同步注漿結(jié)束后進行二次注漿。若管片背后注漿不足，將產(chǎn)生明顯漏水，不僅影響隧道運用，還會產(chǎn)生因地下水的流淌或水位下降，造成地表沉降。通過注漿孔鉆孔入士體2m，對土體進行加固，有效止水，限制地表沉降。（3）漿液的性能注漿漿液要流淌性好，便于盾構(gòu)移動過程中續(xù)持不停的注漿；一環(huán)注漿結(jié)束后，漿液凝固有較好的強度，具有微膨脹性，避開后期收縮變形；二次注漿材料要可注性強，能補充同步注漿的缺陷，對同步注漿起充填和補充作用。當(dāng)?shù)叵滤厥庳S富時，須要對地下水封堵。同時為了及早建立起漿液的高粘度，以便在漿液向空隙充填的同時將地下水疏干，獲得最佳充填效果，須要將漿液的凝膠時間調(diào)整至l～4min，必要時二次注漿可采納水泥一水玻璃雙液漿。施工前應(yīng)進行具體的漿液配比試驗，選定合適的注漿材料，添加劑及漿液配比，保證所選漿液配比、強度、耐久性等物理力學(xué)指標(biāo)滿意工程的設(shè)計要求。（4）施工限制同步注漿以注漿壓力與注漿量進行雙重限制，二次補強注漿量依據(jù)地質(zhì)狀況及注漿記錄狀況，分析注漿效果，結(jié)合監(jiān)測狀況，由注漿壓力限制。1）注漿壓力同步注漿時要求在地層中的漿液壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補同時又不產(chǎn)生劈裂。注漿壓力過大，管片四周土層將會被漿液擾動而造成后期地層沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑漿，對剛拼裝完成的管片影響也大；而注漿壓力過小，漿液填充速度過慢，填充不足夠，會使地表變形增大，通常同步注漿壓力一般為1.1～1.2倍的靜止土壓力，二次注漿壓力為0.2～0.4MPa。2）注漿量同步注漿量理論上是充填盾尾建筑空除，但同時要考慮盾構(gòu)推動過程中的糾偏、漿液滲透及注漿材料固結(jié)收縮等因素。依據(jù)地質(zhì)及線路狀況，注漿量一般為理論注漿量的1.4～2.5倍，并應(yīng)通過地面變形觀測來調(diào)整。3）注漿速度剛好間依據(jù)盾構(gòu)機推動速度，以每循環(huán)達到總注漿量而勻稱注入，盾構(gòu)機推動起先時注漿起先，推動完畢注漿結(jié)束。注漿速度應(yīng)與盾構(gòu)機的掘進速度相適應(yīng)。過快可能會導(dǎo)致堵管，過慢則會導(dǎo)致地層的坍塌或使管片受力不均，產(chǎn)生偏壓。4.限制循環(huán)出碴量嚴格限制掘進速度，限制每循環(huán)的出碴量，保持開挖土量和出土量的平衡，親密關(guān)注出碴碴土的物理性能。不同的地層考慮相應(yīng)的松散系數(shù)來限制碴土量。5.限制地層失水地下水的流淌使土粒產(chǎn)生位移，土粒間空隙壓縮，水位下降使土體內(nèi)有效應(yīng)力增加而發(fā)生固結(jié)現(xiàn)象，造成地表沉降。就止水性而言，粘性土的滲透系數(shù)較小,砂性土滲透系數(shù)大。對于土壓平衡盾構(gòu)機僅靠土倉和螺旋輸送機的壓縮效應(yīng)不能有效止水。掘進時親密關(guān)注開挖面的出水狀況，當(dāng)發(fā)覺碴土太稀、水量增大，開挖面有地下水涌出時，馬上關(guān)閉螺旋輸送機倉門，給開挖面或土室內(nèi)注入泡沫或膨潤土外加劑以補充微小顆粒的不足或置換微小顆粒中的空隙水，使開挖土體具有止水性，同時實現(xiàn)氣壓或土壓平衡模式掘進。6.其他限制措施（1）盾構(gòu)糾偏、在曲線推動。盾構(gòu)在曲線推動、糾偏、抬頭或叩頭推動過程中，實際開挖斷面不是圓形而是橢圓，從而會引起附加變形，此時應(yīng)調(diào)整掘進速度與正面土壓，達到削減對地層的擾動和削減超挖的效果，從而削減地層的變形。（2）固結(jié)沉降限制。盾構(gòu)推動中的擠壓作用和盾尾后的壓漿作用等施工因素，使隧道四周地層形成正值超孔隙水壓力區(qū)，隨著盾構(gòu)的離開，土體表面應(yīng)力釋放，超孔隙水壓力漸漸消逝，引起地層固結(jié)變形而帶來地面沉降。超孔隙水壓力消逝后，土體骨架還會因蠕變而引起次固結(jié)變形，在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑性粘土層中，次固結(jié)沉降要持續(xù)幾年以上，所占總沉降量比例達35%以上。為此應(yīng)依據(jù)地面實施監(jiān)測結(jié)果進行剛好限制，在管片襯砌背后實施跟蹤回填與固結(jié)注漿，尤其是對拱部120°范圍進行地層固結(jié)注漿特別重要。（3）盾構(gòu)暫停推動時，推動千斤頂可能漏油回縮引起盾構(gòu)后退，而使開挖面土體松弛造成地表沉陷，此時應(yīng)作好防止盾構(gòu)后退措施，并對開挖面及盾尾實行封閉措施。（4）在土壓力作用下，隧道襯砌產(chǎn)生的變形或沉降也會引起少量的地層損失。隧道襯砌沉降較大時，會引起不行忽視的地層損失。總之，引起盾構(gòu)隧道地表沉降的因素許多，主要與掘進模式、掘進土壓力、注漿方式和時機、注漿量和壓力、地層失水等有關(guān)，施工時要依據(jù)地質(zhì)特性綜合考慮，遵守“模式正確、土壓合理、防范失水、快速掘進、剛好注漿、注漿充分、嚴密監(jiān)測、快速反饋”的原則，通過對影響地表沉降的要素嚴格限制，加強嚴密監(jiān)測和嚴格管理，地面沉降是能得到很好限制的，可達到小于規(guī)范的允許值。嚴格限制盾構(gòu)施工中的偏差量，盾構(gòu)施工偏差增大，不但影響地下鐵道線路、限界等運用要求，還會過多擾動地層而導(dǎo)致地面沉降量的增加。五．結(jié)束語盾構(gòu)施工必定對隧道沿線的地表四周環(huán)境造成肯定的影響，因此，在施工過程中必需對四周環(huán)境進行主動有效地愛護，并將施工處于信息化的限制之下，所