盾构机开挖隧道沉降控制

盾构机开挖隧道沉降控制

姚西刚陈震

济南城建集团有限公司山东济南250000

摘要：科学技术的发展以及人们对盾构技术认识的加深，盾构法施工已经有了很大的发展。但是，国内外盾构隧道施工的实际经验表明，盾构施工或多或少会扰动地层而引起地面沉降。地面沉降量过大会影响周围地下管线和地表建筑物的正常运行与安全。因此，盾构施工过程中必须对地表沉降进行及时预测与控制。

关键词：盾构法隧道施工；地表沉降；控制措施

使用盾构法进行隧道施工时，常常会导致隧道上部的地表出现沉降，并在隧道的运营过程中，这种沉降现象依然会持续发展，对隧道的地下设施以及隧道四周的地面建筑都会造成较大的影响。所以，降低施工对周围土体的干扰，分析隧道施工时地表的沉降规律至关重要。

一、地面沉降的规律和特征

在采用盾构法隧道施工过程中,沿隧道纵向轴线所产生的地表变形如下:通常盾构前方的土体受到挤压时有向前向上的移动,从而使地表有微量的隆起,而当开挖面土体因支护力不足而向盾构内移动时,则盾构前方土体发生向下后的移动,从而使地面沉降,开挖面的上方土体,亦因盾构作用于开挖面推力的大小而使地面隆起或沉降。当盾构通过时,盾构两侧的土体向外移动。当隧道衬砌脱离盾尾时,由于衬砌外壁与土壁之间有建筑空隙,地表会有一个较大的下沉且沉降速率也较大。同时隧道两侧的土体向隧道中线移动。这一阶段的沉降通常称为施工沉降,常在1—2个月的时间内完成。由于施工过程中对周围土体的扰动,土中的孔隙水压力上升。随着孔隙压力的消散,地层会发生主固结沉降。孔隙水压力趋于稳定后,土体的骨架仍会蠕变,即次固结,地层还会有一定的沉降。由于土体固结发生的沉降称为固结沉降。总之软粘土地层中的地表运动可分三个阶段:(1)盾构前方隆起或沉降;(2)施工沉降;(3)固结沉降。地层移动是和具体地质和施工条件密切相关的。地面沉降速率、沉降变化的突然性、沉降范围,最大沉降量、沉降槽的几何尺寸、沉降稳定时间等是沉降的特征。在一定的基本盾构施工条件下,这些沉降特征在很大程度上受到施工细节的影响,但在更大的程度上受到地质条件的影响。

二、控制盾构隧道施工地面沉降施工方法的对策

1.盾构机施工前的准备工作。在进行盾构机掘进工作前,对施工现场的地面建筑物、地下管线、地下障碍物、地下设施等要详细调查,制定适当的预防保护措施以保护重要的建筑物。为了实现定期及时的监测，必须建立较严格的隧道沉降量测控制网,当进行隧道施工时，一定要考虑周围的自然环境对工程的影响，深入分析盾构前方监测点的监测数据，若把盾构前方监测点的地面变形情况控制在-5~5mm之间,那么盾构在通过时地面变形情况可控制在-30~l00mm之间，否则为了控制地面沉降的情况，需要调整出土量,如果相关的要求更严格，那么可以重新确定相应的控制值。

2.舱内压力要设定合理。土压平衡式盾构施工法的原理比较复杂，即进行盾构推进时,为了保持开挖面的土体的稳定性，需要保持盾构前方土体压力和舱内土体压力的平衡。根据大量的实际工程经验得知,由于进行盾构推进时，推进速度、排土量和千斤顶顶力等因素对土压产生影响，因此土压会发生波动,所以需要保持土压的平衡状态，但是在实际工作中,很难保持这样的动态平衡状态，所以为了保持开挖面的稳定性，需要对排土量和舱内外土体压力差值的大小实现有效控制，前方土体的松动或挤压造成的土体扰动的减小可以通过增强开挖面的稳定性实现，进行盾构推进时,为了尽可能使开挖面上体扰动的减小，需要保持密封舱内的压力大于正面静止水与土压力之和。开挖的稳定性可以通过监测土舱压力来判断,为了保持开挖的稳定性可以通过控制开挖面的土压实现。控制开挖面的土压,首先，目标土压的确定可以以地层的情况为依据确定；其次，对土压的变化情况进行监测；最后，目标土压值的维持可以通过对螺旋输送机转速的调节来实现。

3.将压浆充填到盾尾建筑的空隙。盾构施工的关键因素之一是管片施工质量，

为了保证盾构的良好抗渗性，及时进行注浆工作，必须严格控制管片的强度、尺寸和预留孔道位置等，同时做好防水处理工作,避免因为衬砌暴露的时间过长而导致洞体出现坍塌的情况。控制注浆数量与注浆压力。为了防止注浆材料出现收缩的情况,必须保证注浆量大于理论上的建筑空隙的体积,通常情况下与理论值相比，要大于其约10%；若将膨胀剂掺加在注浆材料中,那么实际注浆量与理论注浆量将可能大致相同。实际的工程中,很难准确确定建筑空隙的理论数据,所以确定其有没有被完全填充可以利用控制注浆压力来确定，当注浆数量与原定的标准基本相同,注浆压力出现快速升高的情况,这代表填充得比较密实,所以要停止压注工作；若注入数量与规定的标准一致，但是注浆的压力显示比较低,代表空隙比较大,此时需要将注入的数量增加,标准是压力升高的规定值；若注入数量与建筑空隙的估计值相比较大，但是压力偏低,代表浆液有流失的情况,此时需要以水文地质资料为依据,做勘测工作,处理水道封堵、重新压浆等工作，使压浆材料的性能得到改进。拌浆站进行施工工作时,要检测浆体的强度、凝结时间和收缩量等,确定适当的配合比，隧道的防水性能与注浆材料的抗渗性息息相关。卸荷产生的扰动与盾尾间隙都对土体产生影响，土体扰动程度的减小可以通过注浆与二次注浆的同步进行实现。进行盾构向前推进工作时,为了实现沉降的有效控制，要对注浆参数及时调整。为了防止出现因压力过大引起的填充土体间隙被劈裂现象，在进行同步注浆工作时,注浆压力要被严格控制，因为如果注浆的压力过大，会导致土层被劈裂,进而导致后期管片出现沉降的情况,注浆压力过小，则会导致浆液的填充速度变慢,因而不能完全填充间隙。根据实际施工经验总结,最合适的注浆压力可以设定为1.1~1.2倍静止土压力。

4.开挖面地层扰动的减少。施工之前需要将准备工作准备充足，如施工区域内地质概况的调查,特别是地下水的来源、流量以及流向，控制地表变形与防水的预防措施要提前制定好。为了应对突发事件，必须制定具体的堵水方案及坍塌应急处理方案。保持施工的速度与连续性，如果盾构机的向前推进工作停止,盾构机会因为正面土压力出现后退的情况,虽然可以用支撑或者加固的方法尽量减少其后退量,但是并不能杜绝此现象的发生。因此，为了防止盾构机停止运作，提高开挖工程的施工速度，必须要做好组织工作。若在施工过程中，需要对盾构机进行检修，或其出现暂停作业的情况，必须采取措施防止其后退,封闭其正面和盾尾,尽最大努力使暂停作业期间地表的沉降被减少。为了防止超量，盾构机向前掘进时,开挖面的出土量必须要控制好。出土量被严格控制，严格控制盾构机向前推进时的纠偏量以及施工测量。为了避免出现偏斜情况，必须保证盾构不能与隧道的设计断面发生偏离,因此地层中盾构机不会摆动,也不会扰动土层。为了保证开挖面的稳定性，施工过程中应使用合理的正面支撑控制土体的坍塌。如果条件允许,采用土压平衡式盾构技术可以使地下水位不会被改变,应尽量避免发生土体扰动。

总之，盾构隧道技术的进步使施工过程中地层损失合理控制成为可能，可以通过减小盾构超挖间隙、及时注浆控制土体移动时间、足够的注浆量和较大的注浆压力补偿地层等控制盾构隧道引发的地面沉降。工程施工过程中，有效控制了地表沉降，最大限度地降低了盾构隧道施工对周围建筑的影响，为类似工程施工提供了参考经验。

参考文献：

[1]金纲．盾构法隧道施工引起的土体变形预测．2017.

[2]施立敏．浅谈盾构机开挖隧道沉降控制.2017.