盾构施工中的沉降控制技术探讨

摘要：当前盾构法已成为我国地铁隧道施工中一种重要的施工方法，在大多数地铁中都大量的采用。从过去的施工经验来看，施工过程中所带来的地表沉降是不可避免的。在盾构施工过程中采取相应的控制措施是为了确保地表沉降在合理的范围的，保证盾构施工的安全和地铁线路的正常运营。本文西北黄土地层为依据，探讨了盾构施工中的沉降控制技术。

关键词：盾构；施工；沉降；控制技术

中图分类号：U455 文献标识码： A

0 引言

随着城市人口的不断增多，城市规模的不断扩大，城市交通的拥挤问题曰愈突出，为了解决这一问题，相继开始了地铁工程的建设和使用。随着城市地铁的发展，浅埋隧道施工技术也不断地进步和发展，其中由于盾构技术的优越性和适应性，己逐渐成为城市地铁隧道施工的主要方法。然而盾构施工会引起地层变形和地表沉降，特别是在黄土地层施工时尤其明显，如果不能得到很好控制，就会影响周围的地面建筑安全和使用，影响附近地下设施及随道本身的正常使用，因此控制地表沉降技术备受广泛关注。

1 黄土层中的盾构施工

黄土在我国分布较广。西北大部分地区为我国黄土的主要分布区，这些地区分布的黄土厚度大、地层全且连续，发育亦较典型。黄土是在干燥气候条件下形成的一种特殊土体，一般具有褐黄、灰黄或黄 等颜色，并具有针状打孔，且垂直节理发育。黄土在干燥时，强度很高，稳定性很好，例如黄土地区有许多黄土柱、黄土桥等能长期稳定，在黄土中挖密洞并具有相当的规模，无支护而能长年稳定。黄土的结构性很强，具有很高的结构强度。此外，黄土中竖向节理很发育，水在黄土中渗流时，竖向渗透系数远大于水平渗透系数。黄土浸水后会产生一系列的重大变化，如崩解、结构强度破坏、抗冲刷性低、有微弱膨胀性，承载力大大降低并随之产生很大的塌陷。

2盾构施工中的沉降原因

在城市地铁工程建设中，无一列外不是必须对地层实施开挖、掘进，实际上，在对原始地层进行开挖、掘进的过程，即是对地下水文工程地质环境的破坏过程，它不但改变了地层的应力结构，即使在构建起人工结构后，也强制地层应力进行重新分布、平衡，在这个过程中，必然引起地层变形的发生，严重的引起地面变形沉降、开裂，建筑物变形、开裂。尤其是高地下水位条件下，地层开挖掘进时，大量地下水沿开挖面流失并排出，造成地下水位大面积下降，从而引发一系列地面灾害问题。根据盾构施工引起地表沉降时间先后，可将地表沉降划分为五个阶段：

（1）盾构到达前地表沉降：盾构开挖面尚未到达测点以前的沉降或隆起主要是由密封仓压力波动引起，当密封仓压力偏低时造成盾构开挖面应力释放，引起地面沉降；反之，开挖面土体挤压， 引起地面隆起。

（2）盾构到达时的地表沉降：开挖面到达测点，周围土体因开挖卸荷导致弹性或塑性变形发生， 引起地面沉降；如开挖面设定压力过大时，产生隆起。

（3）盾构通过时的地表沉降：开挖面到达测点至盾尾离开测点期间发生的沉降或隆起.主要是由于盾壳向前移动过程中盾壳对地层的摩擦和剪切作用所引起，盾壳外壳表面在施工过程中被粘附上一层黏土

或浆液，是盾壳体外周尺寸实际增大，从而增大了盾构建筑空隙，亦增加了地表变形。

（4）盾尾建筑空隙引起的沉降：盾尾离开测点后发生的沉降。由于盾构机外径大于管片外径，盾尾离开测点后，在地层中遗留下来的建筑空隙就需要填充，以控制地表变形，但往往因盾尾壁后注浆不及时或注浆量，注浆压力，注浆部位，浆液配比和材料方面不适当，使建筑空隙未能及时填充形成支撑，盾尾脱出后，无支撑能力的软土不能自立，自行填充建筑空隙，造成地层应力释放。

（5）后期地表固结沉降：盾尾脱出约一周后的地表沉降。主要由底土蠕变而产生的塑性变形，包括超孔隙水压消散引起的主固结沉降和土体骨架蠕变引起的次固结沉降之，引起盾构隧道地表沉降的因素很

多，主要与掘进模式、掘进土压力、注浆方式和时机、注浆量和压力、地层失水等有关。

3 盾构施工中的沉降控制技术

3.1土体加固与改良

土体加固包括隧道周围土体的加固和建筑物地基的加固。前者通过增大盾构隧道周围土体的强度和刚度，以减少或防止周围土体产生扰动和松弛，从而减少对近邻建筑物的影响，保证建筑物的正常使用和安全。后者通过加固建筑物地基，提高其承载强度和刚度而拟制建筑物的沉降变形。这两种加固措施一般采用化学注浆、喷射搅拌等地基加固的方法来进行施工。当地面具有施工条件时，可采用从地面进行注浆或喷射搅拌的方式来进行施工；当地面不具备施工条件或不便从地面施工时，可以采用洞内处理的方式，主要是洞内注浆。土体改良方法不一，这里介绍在土体中添加膨润土和泡沫的方法。司机操作盾构机掘进时，随时观察刀盘螺旋输送机的扭矩及螺旋输送机排出土的状态（即塑流性），对泥浆、泡沫的加入量进行调节控制，始终让刀盘及螺旋输送机油压保持正常的数值；盾构施工中加泥浆和泡沫的数量与土质有着极大的关系，一般说来在粘土、粉质粘土中掘进加泥浆的数量不需要太多且加泥浆的浓度也不要太大，因为粘质土自身有比较强的造泥能力，故对加泥浆的数量和浓度要求不高，土的粘性不是太强时，基本上不需要加泡沫即可以使土体的流塑性得到较大的改善，保证掘进的正常进行；在砂层或卵石层中掘进时，由于土质的原因，地层的空隙率较大，地层的漏失较为严重，且土自身不具有造泥性，故对加泥浆和加泡沫的数量及质量要求较高，通常在掘进时应适当地加大泥浆的浓度，并根据出土的情况适量的加大泥浆的数量，另外在泥浆中适当的加入泡沫，可以较好的改善土体的流塑性，使得盾构前方土压保持稳定，较好的控制地面的隆陷。

3.2前仓压力的设定

前仓压力的设定应随上覆土厚度的不同而变化。根据实践，一般设定为理论值（静止土压+水压）的105%-115%。推进速度的选取应尽量使土体受到的是切削而不是挤压。不同的地质条件推进速度不同。对 于土压平衡盾构，施工中要注意调整掘进速度和排土量，使前仓压力的波动控制在最小幅度。

3.3注浆

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1、盾尾注浆与空隙充填阶段

材料等有关。注浆压力一般在0.2～0.4MPa 范围内。

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2、盾尾离开后沉降阶段

因盾尾脱开，衬砌与土层间的空隙将闭合，如注浆不好，最易发生突沉。该施工阶段的沉降大小依赖于注浆技术。可采用的注浆技术有4 种：同步注浆、半同步注浆、瞬时注浆和滞后注浆。注浆技术的选择还与地层条件、注浆设备、隧道横断面要求以及盾尾结构形式等有关。

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3、固结沉降阶段

注浆材料随时间的凝固以及土体的固结将引起衬砌与地层间的相互作用。一方面，随着浆液材料的凝固，地层的变形渐渐受到约束而将外荷载传递至衬砌结构上；另一方面，地层变形也会因土体的固结而随着时间增长。因此在该施工阶段，外荷载如水土压力和注浆压力等能传递至且大多数作用在衬砌结构上。为了解这种衬砌结构的力学行为，需研究注浆材料的凝固和注浆压力的作用方式。

3.4地表沉降监测

地表沉降测量是在沉降测量区域埋设地表桩，采取常规的水准测量方法。地表桩设置一般沿盾构隧道的轴线每隔3m-5m设一测点，适当布置几排横向地表桩，测量盾构施工引起的横向沉降槽的变化。道路沉降必须将地表桩埋入道面下的土层里，才能比较真实地测量道路的沉降。铁路的沉降测量必须同时监测路基和铁轨的沉降。地下管线的沉降测量，对重点保护的管线，应将测点设在管线上，并砌筑保护井盖，一般管线则可在其周围设置地表桩进行监测。在盾构切口到达前3m 和盾尾过后3d 内，应加密监测频率。

总而言之，通过本文的分析，我们对黄土层地铁隧道盾构施工引起地表沉降的基本原因有了深层次的认识，进一步通过通过有效控制技术降低隧道施工引起地表沉降。