富水砂层土压平衡盾构机掘进地表沉降分析与控制

富水砂层土压平衡盾构机掘进地表沉降分析与控制内容提要： 本文结合南宁市轨道交通一号线一期工程西民区间工程实例，从盾构工法特性，同步注浆工艺， 盾构姿态控制及线路走向等方面着手，对土压平衡盾构施工在砂层中掘进过程中产生的地面沉降、原因进行了分析研究，并提出了相应的施工控制对策，对盾构法隧道施工中控地面沉降有很好的借鉴作用。关键词 ：盾构法砂层地表沉降1 前言在盾构掘进过程中，由于土压平衡盾构机的局限性、地层适应性限制，在砂层掘进中，沉降较难以控制。根据一般经验， 在盾构掘进中和盾尾通过后都有较大沉降。根据前期施工中跟踪测量结果显示，盾构在砂层中掘进，盾构前方20m左右有明显沉降，约35mm。掘进过程中刀盘位置沉降约413mm，同步注浆后沉降有收敛，盾尾拖出15m 后沉降基本稳定。地面沉降主要受工程地质、水文地质、管片衬砌注浆质量、盾构机姿态控制等方面的影响。本文结合南宁市轨道交通一号线西民盾构区间地面沉降的工程实例，从盾构工法特性、 同步注浆、盾构姿态及线路走向等方面着手，重点对土压平衡盾构施工过程中产生的地面沉降的现象、影响因素及应对措施进行分析研究，为解决盾构在砂层中地面沉降的问题提供一些参考建议。2 工程概况及地质分析西乡塘客运站民族大学站区间位于南宁市大学西路，西乡塘客运站与民族大学之间路段。区间周边规划用地以商业、教育、居住、军事用地为主。 勘察场地属邕江北岸级阶地，属侵蚀堆积河谷阶地区，地面高程76.04 82.99m，相对高差6.95m。隧道右线长1149.001m，左线隧道长1144.453m 。本区间主要穿越地层为粉质粘土5-2 、粉土 1、粉（细）砂1 -1 、中砂 2-1 、砾砂 4-2 、圆砾1-1 、卵石 1-2 、泥岩、粉砂质泥岩1-1 （ E）泥岩、粉砂质泥岩1 -2 （E）、泥岩、粉砂质泥岩1 -3 （ E）。本区间隧道左线在始发后 145m，里程 ZSK5+825.770 ZSK6+052进入粉（细）砂1 -1 层，且顶部高度逐渐增加，右线在 105m后进入粉（细）砂1 -1 层，里程为 YSK5+302 YSK6+787。隧道埋深约 10-15m，砂层为富水层，具有承压性。具体地质情况见下图：图 1右线砂层段地质剖面图3 地面沉降跟踪及分析3.1 地面累计沉降统计本区间监测控制值为单次沉降 3mm，累计沉降（ -30mm， +10mm）。截至 2014 年 4 月 9日晚上 19 点，隧道上方地表累计沉降统计数据见表1，表 14 月 9 日 17： 00 监测数据汇总表2014-4-8-23:002014-4-9-9:002014-4-9-17:002014-4-9-23:00测点编号对应里程 / 环数刀盘 5676.96刀盘 5670.96刀盘 5669.39本次累计本次变量本次累计本次变量本次累计本次变量本次累计本次变量（ mm）（ mm）（ mm）（ mm）（ mm）（ mm）（ mm）（mm）D133-RYSK5+710（正 326环）-22.580.14-23.11-0.53-21.092.02D132-RYSK5+705（正 330环）-22.220.02-22.70-0.48-21.361.34D131-RYSK5+700（正 333环）-32.26-0.32-33.35-1.09-32.221.13D130-RYSK5+695（正 336环）-38.28-2.00-40.70-2.42-39.381.32D129-RYSK5+690（正 340环）-33.33-1.79-39.41-6.08-38.321.09D128-RYSK5+685（正 343环）-31.27-6.16-40.32-9.05-40.300.02D127-RYSK5+680（正 346环）-17.49-6.07-29.51-12.02-31.52-2.01D126-RYSK5+675（正 350环）-9.04-4.29-21.39-12.35-25.39-4.00D125-RYSK5+660（正 353环）-2.88-1.51-10.68-7.80-14.90-4.22D124-RYSK5+655（正 356环）1.61-0.30-0.78-2.39-3.80-3.02D123-RYSK5+650（正 356环）-0.17-1.08-0.54-0.37-1.15-0.61D122-RYSK5+645（正 360环）4.930.804.66-0.275.390.73D121-RYSK5+640（正 363环）0.203.85-1.33-1.531.012.34D120-RYSK5+635（正 366环）-0.91-0.91-2.00-1.09-5.21-3.21D119-RYSK5+630（正 370环）/0.800.802.401.60D118-RYSK5+625（正 373环）/-1.24-1.24上为初始值备注： 1、上述测试值单位均为“mm”，其中“ +”值表示隆起，“- ”值表示下沉； 2、上述测点均位于盾构右线隧道中线正上方。图 29日 17 点监测累计沉降情况( 单位： mm)3.2 单次沉降统计2014 年 4 月 4 日至 4 月 9 日，盾构掘进过程中盾体前后位置沉降见下图：图3 4月4日至4 月9 日监测情况从图2- 图 3 可以看出，该段沉降有以下规律：（ 1 ）盾构到达前盾构切口前方的影响距离约20m，约等于覆土厚H+盾构直径D=14+6.28=20.28m 。切口前05m，小于5mm；切口前大于5m位置，沉降小于3mm。（ 2）盾构到达位置，在盾构刀盘切削土体位置，由于刀盘掘进的扰动和在盾构掘进位置沉降较大，一般在 5-10mm。（ 3）盾构通过未脱出盾构时，盾体在盾体前进过程中，由于盾体切削土体外径比盾体大 3cm，由于不能同步注浆。在通过刀盘后继续沉降。一般达到5-12mm。（ 4）盾尾脱出时，盾尾脱出后通过同步注浆和二次注浆，沉降逐渐收敛。地面沉降速率明显降低。一般单次测量为1-3mm。（5）盾尾脱出后期沉降。盾尾脱出后10m，沉降速率明显降低，沉降小于1mm。通过二次注浆补强，盾尾15m后地面沉降达到稳定。4 地面沉降的影响因素分析4.1 地表沉降原因在软土地层中开挖隧道，不论采取任何施工技术都将引起地层运动，产生地面沉降。盾构施工中引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。地层损失地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差（地层损失率指地层损失体积占盾构理论排土体积的百分比） 。周围土体在弥补地层损失中发生地层移动，引起地面沉降。引起地层损失的施工及其他因素是：(1) 开挖面土体移动当盾构掘进时，开挖面土体受到的水平支护应力小于原始侧向力，开挖土体向盾构内移动， 引起地层损失而导致盾构上方地面沉降； 当盾构推进时， 如作用在正面的土体的推力大于原始侧向力，则正向土体向上、向前移动，引起地层损失 (欠挖 )而导致盾构前上方土体隆起。(2) 盾构后退在盾构暂停推进中，由于盾构推进千斤顶漏油回缩而可能引起盾构后退，使开挖面土体坍落或松动，造成地层损失。(3) 土体挤入盾尾空隙由于盾尾后面隧道外周建筑空隙中压浆不及时，压浆量不足，压浆压力不恰当，使盾尾后周边土体失去原始三维平衡状态，而向盾尾空隙中移动，引起地层损失。(4) 改变推进方向盾构在曲线推进、 纠偏、抬头推进或叩头推进过程中， 实际开挖面不是圆形而是椭圆，因此引起地层损失。(5)随盾构推进而移动的盾构正面障碍物，使地层在盾构通过后产生的空隙无法及时压浆填充，引起地层损失。(6) 盾构移动对地层的摩擦和剪切。(7) 在土压力作用下，隧道衬砌产生的变形也会引起少量的地层损失。(8) 隧道衬砌沉降较大时，将引起地层损失。受扰动土的固结盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后，便在盾构隧道的周围形成超孔隙水压力区(正值或负值 )。当盾构离开该处地层后，由于土体表面压力释放，隧道周围的孔隙水压力便下降。在超孔隙水压力释放过程中，孔隙水排出，引起地层移动和地面下降。此外，由于盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用的施工因素，使周围地层形成正值的超孔隙水压区。其超孔隙水压力，在盾构隧道施工后的一段时间内复原，在此过程中地层发生排水固结变形，引起地面沉降。土体受扰动后，土体骨架还会有持续很长时间的压缩变形，在此过程中发生的地面沉降称为次固结沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土中， 次固结沉降往往要持续几年以上，它所占的沉降量比例可高达35以上。地下水流失在深埋隧道中，地层损失造成的建筑物的沉降主要影响的是端承桩，而地下水大量流失造成地下水位下降则主要影响的是浅基础和长度较短的摩擦桩，特别是基础以下存在间隙率较大的地层，如中、粗砂层所造成的沉降较大。由于土压平衡式盾构机在掘进过程中，拱顶同步注浆普遍存在不密实情况，导致拱顶处沿隧道方向存在水力连通，当盾构长时间停止掘进时，地下水容易从盾构机后方流至开挖面，引起地下水大量流失，当地层起伏较大的地层或存在地质钻孔封孔质量不好时，容易与上部地层形成水力通道，直接贯通隔水层引起地下水位下降；另外在含水量较大的地层中停机也会造成开挖面较大的水量流失。从盾构法施工引起地面沉陷的原因可以看出，控制盾构施工参数如推力、推速、正面土压、同步注浆量和压力等，可有效地抑制其引起的地面沉陷。5 地面沉降的控制措施5.1盾构机过砂层前的维修与保养保持盾构机的连续、快速掘进是通过砂层地段行之有效的方法，而保证盾构机及配套设备的正常运转是连续掘进的重要前提，因此在通过砂层段前将对盾构机进行全面的维修、保养。 盾尾密封的维护由于砂层段富含地下水，隧道断面上部岩层软弱，为了确保盾尾密封的有效性，在通过砂层段使用质量较好的德国康达特90 盾尾密封脂，并且增大密封脂的使用数量，盾尾密封脂必须在掘进过程中不间断注入。如果密封中缺少润滑脂，则盾尾注浆注入的浆液会透过密封并填充密封间隙，导致密封失效。 如果停驻时间较长，应注意不要让密封件被加注的砂浆所固结。为避免这种情况的发生，有必要在砂浆粘结前，将隧道掘进机向前位移若干厘米，并使用尾部密封脂填充当前间隙。同时还要调整好盾构机姿态，尽量防止盾尾转弯角度过大。 其它部位的维修与保养在盾构到达砂层前要立即对盾构机的液压、电气、水循环、润滑、注脂、注浆、泡沫、铰接等系统进行检修，重点内容包括：空压机的检测与维修、螺旋输送机闸门检测与维修、注脂系统的检测与维修、 管片拼装机的检测与维修、 泡沫系统的检测与维修、 对液压系统进行状态监测。检查泵、阀、马达、油缸、油管路的工作状态，对异常元件提前进行更换。盾构机液压系统的状态监测实际上是液压系统参数的监测， 盾构机液压系统工作状态的参数是系统的工作压力、温度、 流量以及运转时的声音等。液压系统正常工作时， 系统参数都工作在设计和设定值附近。 每天都要对这些参数进行检查， 当这些参数的范围突破后， 可以认为故障已经发生或将要发生，必须采取有效防范措施。5.2通过砂层段盾构机掘进姿态及参数控制本区间盾构过砂层主要有两种工况： 一是盾构隧道断面以上的部分是砂层； 二是盾构隧道局部断面过砂层。 但是无论在那一种工况下过砂层， 若处理不好， 都会造成不同程度的地面沉陷，甚至是塌方。 采用土压平衡模式掘进盾构机通过砂层地段时， 由于砂土具有渗水性大、受到震动容易发生液化的特点，必须采用土压平衡模式掘进， 以确保土仓压力而稳定开挖面，控制地表沉降， 防止地层出现塌陷。盾构机在砂层中通过时， 控制土仓压力的方法有两种： 一是在保持推进速度不变的情况下，调节螺旋输送器的转速或闸门开度（螺旋输送器转速减小或者闸门开度减小均能达到增大土仓压力的效果） ，控制出土量，建立和保持土仓压力；二是保持螺旋输送器的转速或闸门开度不变的情况下，加大盾构机千斤顶的总推力，提高推进速度，增大土仓压力。掘进过程土仓顶部压力控制在1.3bar，掘进速度控制在40mm/min以上，出土量不得大于58m3 。 严格控制盾构机掘进姿态盾构掘进过程中其轴线不可能始终与隧道设计轴线平行，盾构机姿态会随着盾构机的推进而变化。 盾构机姿态包括水平姿态变化及竖直姿态变化，其变化将在盾构四周产生空洞区和扰动挤压区， 对周围土体产生影响。盾构机在砂层段掘进纠偏、上坡推进时，实际开挖断面不是圆形而是椭圆形，因此必然引起地层损失。盾构轴线与隧道设计轴线偏角越大，则对土体扰动和超挖程度及其引起的地层损失也越大；盾构掘进的纠偏量越小， 则对土体的扰动越小。发现盾构机偏差时应逐渐调整，严禁猛烈纠正。在实际控制时，可根据VMT 显示屏上自动测量系统测得值与DTA的差值来调整，即调整图标头部与尾部尽可能靠近坐标原点。 通过砂层段掘进参数盾构机通过砂层段掘进参：上部土压为 1.3 1.4bar，停机时提高上部土压至1.51.7bar ，刀盘转速 11.2rpm ，掘进速度40 50mm/min ，刀盘扭矩2000 3000KNm,推力8000 13000KN, 向刀盘前方注入泡沫（2024m3/ 环），注入膨润土（3 6m3/ 环），出渣量小 55-58方，称重 88-98 吨。掘进参数可以根据实际地质状况和测量监测情况通过技术交底做以适当的调整。5.3同步注浆及二次注浆管理由于砂土的渗透性较好，实际注浆量应大于理论计算量，以保证注浆质量。必要时调整砂浆配合比，增加水泥用量，缩短砂浆的初凝时间，加快管片周围土体的固结，避免地面沉降超限。 在砂层段掘进时， 注浆遵循 “同步注入， 快速凝结， 信息反馈， 适当补充” 的原则。 注浆材料选用可注性强、 经久耐用、 结石体强度高，对地下水和周围环境无污染，价格相对低廉的水泥砂浆。 初凝时间初凝时间 4 小时 8 小时。在盾构机掘进过程中对浆液进行动态管理，摸索浆液在砂层中适应性 ,不断进行信息化调整。 注浆压力注浆压力是注浆施工主要的控制指标。 理论上对于自稳性差的地层， 注浆压力应与开挖面的水土压力之和平衡。 实际注浆压力应比理论值稍大， 根据本砂层段地质和隧道的覆土厚度情况，注浆压力控制在 0.2 0.4MPa。 注浆量盾构机在推进过程中，除了排出洞身断面上的土体外，还存在着其它方面的土体损失，这些土体损失主要来源于以下几个方面： 一是盾尾管片安装后形成的空隙； 二是曲线地段推进时超挖引起的土体损失； 三是盾构机纠偏产生的土体损失； 四是盾构机蛇形运动产生的土体损失。 在盾构机掘进通过砂层施工时， 为了弥补地层损失， 我们将每环管片背后同步注浆量不小于 6.0 m3 。届时注浆量还应根据地表隆陷监测情况随时进行调整和动态管理。 同步注浆配合比盾构机掘进通过砂层段同步注浆浆液配合比如下表表 4-1同步浆液配合比表（4-1 所示：kg/m3）名称水泥细砂膨润土粉煤灰水高效减水剂重量/ 每方180kg533.33kg50kg383.33kg500kg2kg 二次注浆盾构机通过砂层段掘进的同时，在脱出盾尾4 5 环的管片上，及时通过吊装孔在1、10 点位对每环管片进行二次补注双液浆回填，二次注浆因无法计算衬背空隙量，现场注浆时以注浆压力来控制， 超过控制压力即停止注浆。 注浆压力控制在 4 5bar，最大不超过 5bar ，以免造成管片外周围压力过大， 对管片造成破坏。 二次注浆必须保证管片背后空隙充填密实，防止地面产生过大的沉降。5.4出渣控制措施 盾构机掘进过程中出渣量控制盾构机在掘进通过砂层地段的过程中要严格控制每环的出渣量，安排专人监督记录每环的出渣量，以防出现超挖造成临近建筑物破坏。 盾构机掘进施工中防止地层失水本区段隧道上覆层分布有富含地下水的粉细砂层。地层大量失水造成沉降易导致地面沉降过大。盾构机掘进施工中采取以下措施防止地层大量失水：一环掘进完停机等待拼装管片时，土仓堆满渣土以减少地下水向土仓汇集。在管片脱出盾尾4 5 环处利用管片吊装孔进行二次补注双液浆封闭管片背后向土仓汇水。5.5盾构机通过砂层段掘进其他技术措施1、及时掌握开挖面的地质情况，严格控制每环出渣量，盾构机在此砂层段掘进期间，盾构司机对每一斗渣量及其油缸行程进行一次记录，防止超挖而造成地表塌陷。2、注意土体改良，使用膨润土来改良渣土，每环用量3-6 方，同时在中盾超前探孔注入膨润土。增加止水效果，控制地面沉降；同时增大泡沫剂的使用量。3、尽量快速通过，掘进速度加快能够及早为管片背后注浆创造条件，有利于隧道稳定和控制地表沉降。 在条件允许的情况下，应尽量提高掘进速度，避免刀盘转动对地层扰动时间过长而造成上部砂土液化。4、二次注浆要及时, 沉降监测控制要全面及时。5、由于砂层地段的透水性强，所以尽量避免排水，以免引起地表沉降超限。6、预留安全通道，安全通道不能堆放杂物；出现紧急情况时人员立即撤出。7、当道路两旁建筑物出现开裂、倾斜时，应立即停止施工，组织紧急疏散，并做好各项加固措施，同时上报上级主管部门。6 结论隧道顶部存在富水砂层， 地层等掘进方式的易导致地面沉降， 给地面建筑物和管线及行人等带来危害， 通过一系列控制措施，地面沉降控制较好，均在规范及设计控制值以内。在施工中在施工中针对复杂多变的地质情况， 准确预测地质， 对各种施工信息进行动态分析及控制， 通过技术与经济的比较， 适时作出合理的适应不同地质条件的浆液配合比， 动态管理浆液， 同时，不断收集总结盾构机掘进过程中的各种掘进参数， 摸索出不同地质条件下与之相适应的掘进参数的变化规律， 最大程度地控制隧道地面在施工过程阶段的变形， 以满足设计和规范要求。参考文献 ：李华义，庞征富水砂层土压平衡盾构机掘进地表沉降控制技术