鞠海峰

（中國能源建設(shè)集團(tuán)南方建設(shè)投資有限公司，廣東深圳518126）

1 引言

盾構(gòu)法是城市地鐵隧道施工中應(yīng)用最廣泛的工法， 具有安全、高效等特點，但在施工期間會對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，若形變過大，會造成一定的風(fēng)險[1]。 特別是近年來盾構(gòu)隧道施工安全事件不斷，例如，某城市地鐵2 號線盾構(gòu)區(qū)間于2018 年2月7 日發(fā)生的大面積地面塌陷， 釀成8 人死亡、3 人失聯(lián)的安全事故，給人民生命財產(chǎn)安全造成巨大損失。 基于此，本文以哈爾濱地鐵2 號線為例， 對盾構(gòu)隧道區(qū)間不均勻沉降及實時監(jiān)測展開分析、研究，對類似地層盾構(gòu)隧道安全施工具有重要意義。

2 工程案例

2.1 工程簡介

哈爾濱軌道交通2 號線人民廣場站—中央大街站—尚志大街站區(qū)間為兩條6 m 外徑圓形斷面隧道，采用盾構(gòu)法施工，由遼寧三三工業(yè)生產(chǎn)的11#、12#盾構(gòu)機負(fù)責(zé)施工。 其中，人民廣場站—中央大街站區(qū)間右線起訖里程為SK16+148.226～SK16+849.813，全長701.587 m，線路最大坡度為21‰，最小坡度為2‰，隧道埋深約為10.2～18.2 m；中央大街站—尚志大街站區(qū)間右線起訖里程為SK16+988.813（XK16+988.813）～SK17+708.800（XK17+708.800），全長719.987 m，線路最大坡度為23.052‰，最小坡度為2‰，隧道埋深約為10.2～15.4 m。人民廣場站—中央大街站—尚志大街站區(qū)間示意如圖1所示。

圖1 人民廣場站—中央大街站—尚志大街站區(qū)間示意圖

2.2 工程水文地質(zhì)情況

人民廣場站—中央大街站區(qū)間盾構(gòu)穿過地層主要為<2-3-1> 中砂、<2-4> 粉質(zhì)黏土、<2-4-1> 礫砂及<2-4-2> 粉質(zhì)黏土層； 中央大街站—尚志大街站區(qū)間盾構(gòu)穿過地層主要為<2-3>細(xì)砂、<2-3-1>中砂、<2-4> 粉質(zhì)黏土及<2-4-2> 粉質(zhì)黏土層。

本區(qū)間位于松花江漫灘區(qū)， 地下水主要為第四系全新統(tǒng)孔隙潛水與下更新統(tǒng)砂礫層孔隙承壓水。

3 富水砂層盾構(gòu)隧道縱向不均勻沉降

3.1 沉降原因分析

根據(jù)沉降規(guī)律總結(jié)，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，沉降發(fā)生于早期沉降、開挖面沉降、盾體通過時沉降、盾尾間隙沉降及后續(xù)沉降5 個階段[2]，具體介紹如下。

3.1.1 早期沉降

當(dāng)盾構(gòu)機掌子面距離某斷面尚有一段距離（3～15 m）時，因盾構(gòu)掘進(jìn)掌子面前地下水流向掌子面， 導(dǎo)致地下水水位下降，進(jìn)而形成地層固結(jié)沉降。

3.1.2 開挖面沉降

盾構(gòu)機掌子面前方3 m 到掌子面位置， 因盾構(gòu)機土倉壓力較小或過大，土壓和地層壓力不平衡，引起掌子面前方土體產(chǎn)生變形，進(jìn)而造成地層沉降或隆起。

3.1.3 盾體通過時沉降

盾構(gòu)機盾尾直徑較刀盤直徑更小， 故盾體和土體之間存在空隙。 因此，在盾構(gòu)機盾體通過掌子面時，會因超挖、糾偏、盾構(gòu)機擾動等因素，較易形成地層沉降，擾動過大也可能形成隆起。

3.1.4 盾尾間隙沉降

盾構(gòu)機穿越某斷面，土體會產(chǎn)生彈塑性變形。 由于同步注漿滯后、壓力較小或注漿量不足等，均會導(dǎo)致注漿效果較差，管片后方和土體之間間隙充填不充分，引起地層釋放應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致地層沉降。 而同步注漿壓力過大或注漿量太多，則會形成附加土壓力，進(jìn)而產(chǎn)生地層隆起。

3.1.5 后續(xù)沉降

盾構(gòu)穿越某斷面后，因盾構(gòu)掘進(jìn)引起地層擾動、注漿不充分等原因，導(dǎo)致盾構(gòu)機前后方土體水力連通，后方地下水流到刀盤開挖面，造成盾構(gòu)機后方地層水土流失，及土體蠕變壓縮導(dǎo)致地表發(fā)生后續(xù)的長期沉降。 盾構(gòu)在砂層等軟弱地層掘進(jìn)，沉降最為明顯。

3.2 沉降控制措施

3.2.1 掘進(jìn)參數(shù)控制

結(jié)合理論知識，依據(jù)地層及隧道埋深設(shè)計情況，對盾構(gòu)機開展受力分析，具體如圖2 所示。 在實際掘進(jìn)施工期間，結(jié)合理論計算數(shù)據(jù)及以往類似工程經(jīng)驗， 對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)實行實時調(diào)整，掘進(jìn)參數(shù)總結(jié)如表1所示。

表1 盾構(gòu)機掘進(jìn)參數(shù)

圖2 盾構(gòu)機受力示意圖

3.2.2 盾構(gòu)機姿態(tài)控制

盾構(gòu)機掘進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制盾構(gòu)機左右油缸行程差、盾構(gòu)機位置偏差、鉸接油缸行程差等，若偏差大于10 mm，則應(yīng)及時糾偏處理。

3.2.3 同步注漿控制

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中實行同步注漿以填充管片背后空隙，同步注漿進(jìn)行注漿量、注漿壓力雙控制，其中，以注漿壓力控制指標(biāo)為主，注漿量控制指標(biāo)為輔。

對砂質(zhì)土及軟黏土等地質(zhì)條件， 必須及時進(jìn)行管片背后注漿。 同步注漿的質(zhì)量主要從漿液性能(流動性、稠度、析水率、凝膠時間、漿液強度等)、注漿壓力與注漿量等方面進(jìn)行控制，側(cè)穿建筑物段施工時，先通過試驗段確定最佳注漿壓力及注漿量，再進(jìn)行側(cè)穿建筑物段掘進(jìn)施工。

3.2.4 二次注漿控制

若同步注漿不到位，管片背后充填不充分，易造成管片滲漏、地面沉降等，則應(yīng)開展二次注漿。 二次注漿實行少量、多次、多點、均勻的原則，在管片脫出盾尾5 環(huán)后進(jìn)行。 二次注漿漿液配比如表2 所示。

表2 二次注漿漿液配比

3.2.5 渣土控制

1）選用適宜的渣土改良劑

當(dāng)前，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，向土倉注入渣土改良劑，以減小刀盤扭矩，提高渣土流塑性。 在富水砂層地層中，一般適用膨潤土或泡沫劑與膨潤土混合液進(jìn)行改良， 不僅可以起到潤滑作用，還能在一定壓力作用下在掌子面形成泥膜，發(fā)揮更佳的止水效果，并增強掌子面的穩(wěn)定性[3]。

2）控制出渣量

施工期間， 嚴(yán)格控制每環(huán)出渣量， 偏差不超過理論值的5%，保證出渣量與掘進(jìn)行程同步。

3.2.6 增強盾構(gòu)機配置

1）改進(jìn)同步注漿系統(tǒng)：（1）增設(shè)補償注漿裝置，在原有注漿管路系統(tǒng)上增設(shè)注漿管路， 達(dá)到盾尾同步注漿與管片后注漿同步實施的目的， 用最短時間填充施工間隙， 控制地表沉降；（2）增加同步注漿管路疏通系統(tǒng)，在注漿管路上增設(shè)高壓風(fēng)管路，快速解決注漿管路堵塞問題，避免注漿中斷，實現(xiàn)同步注漿的連續(xù)性，達(dá)到控制沉降的目的。

2）改進(jìn)二次注漿系統(tǒng)：（1）將氣動泵更換為機械柱塞泵，提高注漿功效；（2）對二次注漿管路進(jìn)行改造，將鋼注漿管改為高壓膠管，確保二次注漿的靈活性和機動性，達(dá)到對突發(fā)沉降部位及時注漿的目的。

3）將盾構(gòu)單閘門螺旋輸送機更換為雙閘門螺旋輸送機，防止盾構(gòu)機在富水砂層中發(fā)生噴涌，導(dǎo)致地層失水沉降。

4）更換高強度盾尾刷，采用優(yōu)質(zhì)盾尾油脂，確保盾尾無滲漏，防止地層失水，達(dá)到控制沉降的目的。

5）更換優(yōu)質(zhì)的鉸接密封，確保鉸接處不出現(xiàn)滲漏，防止地層失水，達(dá)到控制沉降的目的。

6）配置適合富水砂層及粉質(zhì)黏土地層中掘進(jìn)刀盤刀具，選用耐磨型刀具， 保證盾構(gòu)掘進(jìn)的連續(xù)性， 減少對地層的擾動，達(dá)到控制沉降的目的。

4 沉降監(jiān)測方法研究

4.1 監(jiān)測目的

區(qū)間隧道應(yīng)用盾構(gòu)法施工，對沿線周圍環(huán)境、建構(gòu)筑物必然產(chǎn)生影響。 為確保盾構(gòu)隧道施工安全、順利實施，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中積極改進(jìn)作業(yè)方法、工藝及參數(shù)，最大限度地降低地層形變，確保盾構(gòu)隧道施工安全，并對周圍環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，需對盾構(gòu)隧道施工全過程開展監(jiān)測[4]。施工監(jiān)測的主要目的包括以下幾方面。

1）掌握各種因素對地面和地層形變的影響，便于有針對性地改進(jìn)盾構(gòu)隧道施工工藝及參數(shù)，降低地表及土體形變，確保盾構(gòu)隧道工程施工安全。

2）預(yù)測盾構(gòu)隧道施工導(dǎo)致的地表及土體變形，根據(jù)地表變形的發(fā)展趨勢及周邊建（構(gòu)）筑物、地下管線的沉降情況，決策是否需實施保護(hù)措施， 為明確經(jīng)濟適用的保護(hù)措施提供依據(jù)、經(jīng)驗。

3）檢查盾構(gòu)隧道施工導(dǎo)致的地表沉降及建（構(gòu)）筑物是否超出設(shè)計允許值范圍，并在發(fā)生問題后便于提供仲裁依據(jù)。

4）為研究地層、地下水、盾構(gòu)施工參數(shù)和地表及土體形變之間的關(guān)系積累經(jīng)驗及數(shù)據(jù)， 為研究地表沉降及土體形變的分析預(yù)測方法等積累資料，并為改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)。

4.2 監(jiān)測項目

為確保盾構(gòu)掘進(jìn)及周邊環(huán)境安全， 在施工過程中需要進(jìn)行沉降監(jiān)測的項目包括地表沉降、 建筑物沉降、 地下管線沉降。 具體如表3 所示。

表3 沉降監(jiān)測項目列表

4.3 實時監(jiān)測方法研究

盾構(gòu)施工期間，沉降監(jiān)測后及時開展監(jiān)測數(shù)據(jù)整理及分析，判斷其穩(wěn)定性，并及時反饋至施工現(xiàn)場以便進(jìn)一步指導(dǎo)盾構(gòu)隧道施工。 在盾構(gòu)區(qū)間建筑物沉降中，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法是利用精密幾何水準(zhǔn)測量，雖技術(shù)可靠、精度較高，但監(jiān)測勞動強度大且非實時連續(xù)監(jiān)測，可能受人為干擾較大。 當(dāng)前，實時遠(yuǎn)程自動監(jiān)測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用， 其主要利用計算機與無線通信等技術(shù)，由靜力水準(zhǔn)器、電磁式位移傳感器、巡檢儀、計算機和GPRS 模塊等組成。 該系統(tǒng)的主要工作原理為：在建筑物監(jiān)測點布置靜力水準(zhǔn)器， 各靜力水準(zhǔn)器之間使用連通管連接， 并將摻有防凍液的純凈水裝入各靜力水準(zhǔn)器和連通管內(nèi)，在重力作用下，液面高度保持一致，當(dāng)建筑物出現(xiàn)沉降或提升時，液面會出現(xiàn)變化，該變化通過電磁式位移傳感器精確反映，并通過巡檢儀實時傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)[5]。 具體如圖3 所示。

圖3 自動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

綜上所述，隨著我國城市化水平的提升，城市地鐵工程全面開展，作為區(qū)間隧道運用最廣的施工工法，盾構(gòu)具有諸多優(yōu)點，但是在施工期間也極易出現(xiàn)地面、建（構(gòu)）筑物及管線等不均勻沉降問題，給周邊環(huán)境帶來一定的安全風(fēng)險。 本文依托哈爾濱地鐵2 號線盾構(gòu)隧道施工，對盾構(gòu)在富水砂層地質(zhì)中施工不均勻沉降展開分析， 提出相應(yīng)的控制措施，并對實時監(jiān)測方法展開研究，對我國類似地層盾構(gòu)施工具有一定指導(dǎo)意義。