王杜娟

(中鐵隧道裝備制造有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

盾構(gòu)的地表沉降控制是一個(gè)綜合問題，其中施工控制占主導(dǎo)因素。從施工方面對(duì)地表沉降控制的研究文獻(xiàn)已有很多。楊書江等［1］介紹了盾構(gòu)通過重要建(構(gòu))筑物的施工技術(shù)。劉云龍［2］認(rèn)為應(yīng)參照地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整施工過程中的參數(shù)以達(dá)到地表沉降的控制。陳廣亮［3］系統(tǒng)分析了超前、同步、補(bǔ)注漿3種方式改善砂卵石地層的物理力學(xué)性質(zhì)的機(jī)制，并介紹了不同注漿方式的注漿方法和參數(shù)，認(rèn)為通過各階段的注漿能夠有效地控制盾構(gòu)法施工引起的地表沉降。盧瑾［4］以廣州市軌道交通四號(hào)線南延段盾構(gòu)法施工為研究背景，用2種方法分析并預(yù)測(cè)了盾構(gòu)法施工引起的地表沉降，認(rèn)為地表土體產(chǎn)生沉降最主要的原因是盾構(gòu)開挖過程中引起的地層損失。黃春來等［5］通過對(duì)上海地鐵軟土地層盾構(gòu)施工引起的地層變形原因和機(jī)制進(jìn)行分析，結(jié)合派克公式對(duì)地層變形進(jìn)行計(jì)算，引出地層損失率作為沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，并提出了軟土地層盾構(gòu)施工地層損失控制技術(shù)要點(diǎn)。何國(guó)軍［6］分析泥水平衡盾構(gòu)施工引起地表沉降的機(jī)制，結(jié)合超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工實(shí)例，從切口壓力、泥水指標(biāo)控制及同步注漿管理等方面探討超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工地表沉降的控制技術(shù)。鄭淑芬［7］對(duì)盾構(gòu)隧道施工地表沉降進(jìn)行了較為深入的研究，首先，歸納總結(jié)前人研究所得理論，分析了產(chǎn)生地表沉降的機(jī)制和影響地表沉降的因素以及地表沉降的大致規(guī)律;接著，以廣州地鐵三號(hào)線北延段高增站—新機(jī)場(chǎng)南站區(qū)間盾構(gòu)隧道為實(shí)際工程背景，運(yùn)用有限元軟件MIDAS/GTS模擬盾構(gòu)隧道開挖掘進(jìn)過程，分析盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的地表沉降，并將數(shù)值模擬分析結(jié)果與實(shí)測(cè)的地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比;然后，借助MIDAS/GTS軟件，研究上層覆土條件、盾尾注漿、掘進(jìn)壓力和雙線隧道的不同開挖順序等因素對(duì)盾構(gòu)隧道地表沉降的影響規(guī)律;最后，針對(duì)如何將地表沉降控制在合理范圍內(nèi)提出了實(shí)用性的措施。只有考慮施工過程以及不同地區(qū)的土質(zhì)情況才可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地表沉降，但如果和設(shè)計(jì)不匹配，會(huì)給施工帶來很大困難。大部分進(jìn)行盾構(gòu)選型的人員是施工人員，對(duì)盾構(gòu)的設(shè)計(jì)不是非常了解，因此，選型從根本上不適應(yīng)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。本文分別針對(duì)軟土和砂卵石等不同地層進(jìn)行原因分析，并提出有效措施，主要從盾構(gòu)設(shè)計(jì)角度提出選型觀點(diǎn)。

1 地鐵盾構(gòu)法施工地表沉降案例及原因分析

1.1 目前地鐵盾構(gòu)法施工中地表沉降案例

地鐵施工由于主要在城市中進(jìn)行，所以對(duì)地表沉降要求較高，雖然目前大部分地鐵采用盾構(gòu)法施工，較為安全，但其中也發(fā)生了一些事故，如圖1所示。

圖1 地鐵施工沉降導(dǎo)致事故示例Fig.1 Incidents induced by ground surface settlement during Metro work construction

1.2 地表沉降發(fā)生的原因分析

沉降發(fā)生的根本原因是盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)，對(duì)地層擾動(dòng)的多少?zèng)Q定了地表沉降的大小。從原理上來說，泥水平衡盾構(gòu)理論上可以實(shí)現(xiàn)100%的沉降控制，主要原因是:泥水盾構(gòu)有泥膜，可完全隔絕地下水與土倉(cāng)的聯(lián)系，同時(shí)，漿液具有液體傳遞壓力的特性，可準(zhǔn)確達(dá)到壓力平衡，理論上刀盤前部土體幾乎可保持原狀，土層不受擾動(dòng);盾體段，泥漿可完全填充開挖空隙，原狀土不受擾動(dòng);管片段，如注漿做好，理論上可不產(chǎn)生沉降。

土壓平衡盾構(gòu)即使在理論上也做不到100%地表沉降。原因是:在刀盤前部，開挖面無(wú)泥膜，即使土倉(cāng)有壓力，也制止不了地下水向土倉(cāng)滲透，渣土改良理論上可止水，但也只能減緩不能杜絕地下水流失，由于地下水的流失，會(huì)引起原狀土性狀改變，就算是輻條式刀盤，刀盤在掌子面的剛性支撐在開挖過程會(huì)產(chǎn)生或大或小的空洞，形成局部坍塌;盾體段存在開挖空隙，回填渣土松散，地層的沉降是不可避免的，開挖空隙越小，沉降越少;盾尾段與泥水盾構(gòu)相同，只要注漿合理，理論上此種沉降在設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮。

由以上分析引發(fā)了土壓平衡盾構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的共性問題:

1)刀盤在條件允許時(shí)盡可能采用輻條式，開口率盡可能大。

2)開挖空隙在條件允許時(shí)盡可能小。

2 沉降分析及設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)措施

地表沉降理論上主要分4種，每種沉降產(chǎn)生的原因和大小不同，且可控程度不同，如圖2及表1所示。

圖2 地表沉降理論分析示意圖Fig.2 Sketch of theoretical analysis on ground surface settlement

目前國(guó)內(nèi)土壓平衡施工典型地質(zhì)主要分為軟土(含淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉細(xì)砂等)、砂及砂卵石層(含細(xì)砂、中粗砂、砂礫、砂卵石、卵石層等)及巖石(各類巖石及不同風(fēng)化程度的巖層)。

地表沉降在土壓平衡盾構(gòu)施工中是一個(gè)非常重要的控制因素，但具體到不同的地質(zhì)，地表沉降的表現(xiàn)又不同。以上3類地層中以巖石，尤其是穩(wěn)定圍巖的地表沉降最小，基本可以忽略不計(jì);而以砂卵石層地表沉降最難控制;在軟土中，淤泥質(zhì)土地表沉降也較難控制;而粉細(xì)砂層則是最容易出大事故的地層，目前地鐵幾次較大事故均發(fā)生在軟土層施工中。以下分2種地質(zhì)分別探討設(shè)計(jì)中的一些考慮因素。

2.1 軟土層地表沉降分析及應(yīng)對(duì)措施

就地層來說，在軟土層中土壓平衡更容易建立，地表沉降應(yīng)該容易控制，但由于地層不能自然成拱，理論上來說，盾構(gòu)的開挖會(huì)對(duì)整個(gè)開挖面及以上地層產(chǎn)生擾動(dòng)，因此地表沉降較難控制。軟土盾構(gòu)的設(shè)計(jì)，在轉(zhuǎn)彎半徑允許的范圍內(nèi)，應(yīng)盡量減少盾尾間隙進(jìn)而減少開挖直徑與管片外徑間的空隙，減少地層擾動(dòng)，防止地表沉降。主要措施有:

1)減少盾尾間隙，注漿管外置，進(jìn)而減少開挖直徑，如圖3所示。

2)刀盤加大開口，使土壓真實(shí)反應(yīng)。

3)配置較大的理論注漿量，可到2～2.5倍。

4)配置雙液注漿系統(tǒng)。

表1 地表沉降理論分析表Table 1 Theoretical analysis on ground surface settlement

2.2 砂卵石層地表沉降分析及應(yīng)對(duì)措施

在砂卵石層，雖然很多致密地層無(wú)水時(shí)可基本自穩(wěn)，但由于地層細(xì)顆粒含量少，渣土改良不易，則對(duì)地層的擾動(dòng)大;另外，由于砂卵石層攪拌扭矩大與建立土壓的矛盾，施工中常常欠壓掘進(jìn)，這是砂卵石層地表沉降的主要原因。另外，砂卵石層為強(qiáng)透水層，如地層富水，由于圓礫及礫砂層細(xì)顆粒成分含量少，不易自然形成能夠止水的流塑狀渣土，在渣土改良不到位時(shí)極易發(fā)生噴涌，導(dǎo)致土倉(cāng)失壓引起地層沉降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生“塌坑”現(xiàn)象。砂卵石地層沉降地理分析如圖4所示。

砂卵石層地表沉降控制主要考慮能夠?qū)崿F(xiàn)土壓平衡掘進(jìn)模式，而要實(shí)現(xiàn)土壓平衡，從盾構(gòu)設(shè)計(jì)上需考慮以下4個(gè)方面。

1)設(shè)備需具備足夠的驅(qū)動(dòng)扭矩。

2)刀盤需有合理的開口率保證渣土順暢流動(dòng)。

3)螺旋機(jī)需有一定的卵石通過粒徑。

4)具備足夠的渣土改良能力。

圖3 軟土刀盤及盾尾設(shè)計(jì)Fig.3 Design of cutter head and tail of shield machine used in soft ground

3 典型沉降控制案例

北京地鐵施工是國(guó)內(nèi)幾個(gè)施工較困難的案例之一，主要原因是地層卵石含量高、粒徑大，如圖5所示。土壓平衡較難實(shí)現(xiàn)，地表沉降非常難控制，但中鐵裝備公司在研究了北京地質(zhì)及已有施工設(shè)備后，以“以排為主，排破結(jié)合”的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了2臺(tái)復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)(如圖6)，輔以適當(dāng)?shù)脑粮牧即胧?，施工地表沉降可控制? mm以內(nèi)。

圖4 砂卵石地層沉降地理分析示意圖Fig.4 Analysis on settlement of sandy cobble strata

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多種不同組合和配比的渣土改良試驗(yàn)，如圖7所示。在北京卵石地層同時(shí)添加泡沫及膨潤(rùn)土，掘進(jìn)參數(shù)為:總推力13 000～19 000 kN、刀盤扭矩4 000～5 200 kN·M、速度20～48 mm/min、上部土壓60～90 kPa、同步注漿量4～6 m3、泡沫用量35～60 L、膨潤(rùn)土用量2～3 m3、出渣量42～48 m3(1.2 m管片)。

圖7 北京地鐵盾構(gòu)渣土改良試驗(yàn)照片及改良效果照片F(xiàn)ig.7 Ground conditioning of shield machine used in Beijing Metro

目前2臺(tái)設(shè)備已分別完成了192 m和2 196 m的掘進(jìn)，貫通2個(gè)區(qū)間，最高單班進(jìn)度為10環(huán)，最高日進(jìn)度為20環(huán)，最高月進(jìn)度330環(huán)。地表沉降情況最大點(diǎn)為7 mm，累計(jì)平均沉降為3 mm。

刀盤開口率為40%，在土倉(cāng)上部保壓80 kPa壓力情況下掘進(jìn)，中鐵盾構(gòu)能夠持續(xù)掘進(jìn)，地表沉降情況控制較好。

對(duì)地表沉降要求嚴(yán)格的地區(qū)，中鐵盾構(gòu)表現(xiàn)出了較強(qiáng)的適應(yīng)性，得到了業(yè)主和北京市政府的一致好評(píng)。

4 結(jié)論與建議

本文對(duì)地表沉降原因進(jìn)行了分析，并從盾構(gòu)設(shè)計(jì)選型角度給出了一些有效措施，但由于地下施工不確定性因素很多，本文并不能從根本上完全解決此問題，這方面的研究將不斷發(fā)展進(jìn)步，希望本文的觀點(diǎn)可以對(duì)施工單位在盾構(gòu)選型方面有一些參考。本文僅從盾構(gòu)設(shè)計(jì)角度談此問題，所有理論是建立在理想施工控制基礎(chǔ)上。同時(shí)，由于地表沉降主要還要靠施工控制，如果施工控制不好，再好的設(shè)備也不能避免地表沉降產(chǎn)生，建議施工單位加強(qiáng)施工管理，多方面避免地表沉降的產(chǎn)生，最大限度地保證地鐵施工安全。

［1］ 楊書江，孫謀，洪開榮.富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］ 劉云龍.盾構(gòu)在淺層軟土中穿越城市快速路及地下管線的地表沉降控制［J］.鐵道建筑技術(shù)，2010(2):23－26.(LIU Yunlong.Control on surface subsidence of shield crossing urban freeway and underground pipeline in shallow soft soil［J］.Railway Construction Technology，2010(2):23－26.(in Chinese))

［3］ 陳廣亮.注漿技術(shù)在盾構(gòu)穿越砂卵石地層施工中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2010(31):311 －313.(CHEN Guangliang.Application of grouting technology in shield crossing sandy cobble bed construction［J］.Shanxi Architecture，2010(31):311 －313.(in Chinese))

［4］ 盧瑾.軟土地層中盾構(gòu)法開挖引起的地表沉降研究［D］.南京:河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，2007.(LU Jin.Analysis of Ground Settlement Due to Tunnel Construction with Shield in Soft Soil［D］.Nanjing:College of Civil and Transportation Engineering，HoHai University，2007.(in Chinese))

［5］ 黃春來，張映根.軟土地層盾構(gòu)施工地表沉降分析及措施［J］.山西建筑，2010(10):223 －225.(HUANG Chunlai，ZHANG Yinggen.Ground subsidence analysis and controlling measures in soft soil shielding［J］.Shanxi Architecture，2010(10):223 －225.(in Chinese))

［6］ 何國(guó)軍.超大直徑泥水平衡盾構(gòu)地表沉降控制關(guān)鍵技術(shù)［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(S1):124 －127.(HE Guojun.Key techniques of controlling earth subsidence by superdiameter slurry-pressure balanced tunnel boring machine［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2011(S1):124 －127.(in Chinese))

［7］ 鄭淑芬.盾構(gòu)隧道施工地表沉降規(guī)律及控制措施研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)土木工程學(xué)院，2010.(ZHENG Shufen.Study on laws and control measures of ground settlements caused by shield tunneling［D］.Changsha:College of Civil Engineering，Central South University，2010.(in Chinese))