葉晨峰，陽生權(quán)，2，彭進寶

（1.湖南科技大學 土木工程學院，湘潭 411201；2.土木工程施工過程與質(zhì)量安全控制湖南省普通高等學校重點實驗室，湘潭 411201）

0 引 言

地下工程施工引起的地表變形是城市地鐵盾構(gòu)施工中的一個重要問題，國內(nèi)對在軟土地層中地鐵開挖的地面沉降控制已經(jīng)有了比較深入的研究［1－7］.隨著西部地區(qū)地鐵建設(shè)的加快，以及地域特征和相應(yīng)盾構(gòu)技術(shù)的逐漸成熟，在風化砂質(zhì)泥巖等非軟土地層中進行盾構(gòu)施工勢在必行.由于盾構(gòu)開挖對地表產(chǎn)生擾動影響，所以控制地面沉降是安全施工的關(guān)鍵問題.在掌子面掘進時有效控制地面沉降，并尋求其控制因素的定量關(guān)系極其重要.由于在非軟土地層與軟土層盾構(gòu)施工引起的擾動有所不同，因此，加強對在非軟巖地層中盾構(gòu)施工的研究顯得十分迫切.

本文以重慶軌道交通六號線二期TBM施工茶園段區(qū)間地鐵工程為工程背景，通過現(xiàn)場大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較，結(jié)合地面沉降的經(jīng)驗公式，得到在風化砂質(zhì)泥巖地層進行盾構(gòu)施工的注漿量和穩(wěn)定比的控制范圍，可以為類似工程的施工提供借鑒和參考.

1 盾構(gòu)施工引起的地面沉降

在地表土層中進行盾構(gòu)法施工引起的地面沉降通?？蓜澐智捌诔两担ㄊ┕こ两担┡c后期沉降兩個階段.

前期沉降通常是由開挖過程中各種施工因素引起，多為不排水沉降，因此前期沉降階段地層運動可認為是在不排水的情況下進行的.根據(jù)施工推進過程中盾構(gòu)機所處位置的不同，前期沉降又存在明顯三個階段：

（1）盾構(gòu)機前方土體受擠壓，有明顯的向前向上運動，從而地表微量隆起；

（2）盾構(gòu)通過時其上方地表略有下沉；

（3）盾構(gòu)通過后，由于管片外壁與土壁之間存在建筑空隙而引起的沉降.

后期沉降可分為主固結(jié)沉降與次固結(jié)沉降.主固結(jié)沉降是由于前期沉降階段產(chǎn)生的超孔隙水壓力消散而引起，而且與時間因素有關(guān)；次固結(jié)沉降是在超孔隙水壓力消散結(jié)束后，因土層顆粒骨架繼續(xù)有少量變形而產(chǎn)生.

盾構(gòu)法施工中引起地面沉降的因素很多的，實際產(chǎn)生的沉降是各種因素的綜合.根據(jù)盾構(gòu)法地鐵的施工過程和特點，盾構(gòu)法地鐵施工引起地表變形的主要原因一般可歸納為開挖面土體移動、四周土體擠入盾構(gòu)機施工孔隙、土體與襯砌的相互作用、受擾動土體的再固結(jié)等幾個方面.［1，4］

2 地面沉降控制

2.1 開挖面穩(wěn)定比控制

盾構(gòu)法施工引起周圍地層變形的原因是土體初始應(yīng)力狀態(tài)受到擾動.如圖1所示，當開挖工作面逐步接近盾構(gòu)軸線上某一點（A點）時，主應(yīng)力σ3增加速度大于σ1.σ3的不斷增加使得盾構(gòu)前方的土體積聚，并引起地表隆起.當開挖面前方土體沒有及時施加支承，土體應(yīng)力釋放并向盾構(gòu)內(nèi)臨空面滑移，引起地面沉降.

對于土壓平衡式盾構(gòu)施工，一定開挖深度Z的開挖面土體，開挖襯砌過程中要保持開挖面穩(wěn)定，開挖面主動土體側(cè)壓力pz、水壓力pw和密封倉壓力pi應(yīng)滿足：

其中，主動土體側(cè)壓力pz與水壓力pw分別為：

式中，K0為主動土壓力系數(shù)，γe為土體不含水容重（kN／m3），γw為土體中的水容重（kN／m3）.

盾構(gòu)施工過程中開挖面土體松動、坍塌，尤其是地下水位的變化，會導(dǎo)致地層原始應(yīng)力狀態(tài)的改變和土體極限平衡狀態(tài)的破壞，從而引起地表下沉.

這里，風化砂質(zhì)泥巖地層開挖面穩(wěn)定比Nt：

式中，Su為土體不排水抗剪強度，n為折減系數(shù)，土壓平衡式盾構(gòu)，一般取n＝1.

圖1 開挖面前方土體應(yīng)力與開挖面壓力

Nt越大，土體自穩(wěn)性越差，越有可能發(fā)生剪切破壞，從而使正面土體塑流，導(dǎo)致地層損失增加，地面沉陷增大.當Nt很小時，支護壓力很大，導(dǎo)致地面隆起，擾動土體，最終會增大后期沉陷量.

2.2 實例分析

重慶市軌道交通六號線二期復(fù)合式TBM試驗段（茶園段）位于茶園新區(qū)，全長2704.06m，起始樁號為CK0＋626.64～CK2＋330.70，其中YCK0＋626.64～YCK0＋716.64、ZCK0＋626.64～ZCK0＋696.64段與始發(fā)井采用鉆爆法施工，其余均采用TBM法施工.地層巖土體主要以砂巖、泥巖為主，地鐵圍巖多為風化砂質(zhì)泥巖，場區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，施工中要求將地面沉降控制在＋10mm～－20mm范圍內(nèi).

為了研究依托工程地層穩(wěn)定比與地面沉降關(guān)系，針對TBM試驗段，在其它參數(shù)相同的條件下，選取10斷面，運用公式（4）計算出穩(wěn)定比，結(jié)合相應(yīng)斷面實測的最大地面沉降值（見表1），得到二者間變化曲線（見圖2）.

表1 穩(wěn)定比與最大沉降量統(tǒng)計表

圖2 穩(wěn)定比與最大沉降量關(guān)系曲線

可以看出，當穩(wěn)定比Nt為4時，地面最大沉降量超過警戒值（－20mm），因此穩(wěn)定比應(yīng)控制在4以內(nèi).同時，穩(wěn)定比的大小變化主要是由于地鐵埋深增大，使得土體垂直應(yīng)力Pz增大，因此開挖面支撐力必須隨著地鐵埋深的增大逐漸調(diào)整盾構(gòu)倉內(nèi)壓力，二者共同作用，使得穩(wěn)定比控制在4以內(nèi).建議依托工程開挖過程中穩(wěn)定比控制在3～4之間.

2.3 注漿量的控制研究

如前所述，雖然地面沉降受多方面因素的控制，但注漿量的控制能有效控制地面沉降，因為建筑空隙的及時注漿壓密對地面沉降存在影響.

一般將注漿量用充填率來表示，充填率是指注漿量與建筑空隙體積的比值.重慶市軌道交通六號線二期復(fù)合式TBM試驗段（茶園段）使用的盾構(gòu)外徑為6.28m，而襯砌外徑為6.10m，內(nèi)徑為5.40 m，寬為1.00m，因此建筑空隙體積：

為了研究注漿量與地面沉降的關(guān)系，在依托工程選取穩(wěn)定比相同的八環(huán)灌入不同的注漿量，得到實測地鐵軸線上方地表最大沉降量與注漿量（表2）及其關(guān)系曲線（圖3）.

表2 注漿充填率與最大沉降量統(tǒng)計表

圖3 注漿充填率與最大沉降量關(guān)系曲線

從表2與圖3中可以發(fā)現(xiàn)，地面沉降隨注漿填充率增大而減小，且當注漿填充率超過240%時，最大沉降量不超過警戒值（－20mm），并且沉降量隨注漿填充率變化不是很大.因此，宜將注漿填充率控制在240%以上，但出于成本控制，注漿填充率控制在一定范圍內(nèi)，以260%左右為最佳.因此，建議注漿填充率宜控制在240%～260%之間.

3 結(jié)論與建議

通過上述盾構(gòu)地鐵沉降及其控制研究，可以得到以下結(jié)論與建議：

（1）地鐵開挖而引起的地面沉降受多種因素控制，但只要將這些影響因素控制在合理范圍內(nèi)，便能達到控制沉降的目的.

（2）在風化砂質(zhì)泥巖地層非軟土地層中，地鐵盾構(gòu)施工，開挖面穩(wěn)定比宜控制在3～4之間.

（3）注漿填充率是控制地面沉降的關(guān)鍵因素，考慮到注漿量對地鐵軸線上浮的影響，在風化砂質(zhì)泥巖地層非軟土地層中宜控制在240%～260%之間.

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