复合地层土压盾构机施工预防地表建筑物沉降研究

复合地层土压盾构机施工预防地表建筑物沉降研究

摘要：当前，盾构已广泛应用于城市地下隧道开挖工程中，盾构机技术已具先进水平。采用盾构法穿越复合层层时，会造成地面建筑物的沉降，难以保证地面重要建筑物和设施的安全，同时也造成施工成本增加。本文就土压盾构机在复合层中的施工提出降低对地表建筑物影响的措施。

关键字：复合地层；土压盾构机；沉降

Abstract: At present, the shield has been widely used in urban underground tunneling works, the shield machine technology with advanced level. Of Shield through the composite layers, caused by the subsidence of the ground-level structures, is difficult to guarantee the safety of ground buildings and facilities, also caused by the increase in construction costs. The earth pressure shield machine in the composite layer of construction proposed measures to reduce the impact on surface buildings.Keywords: composite stratigraphic; earth pressure shield machine; settlement

一、盾构施工引起的沉降理论

盾构施工必然扰动地层土体,引发地层损失、隧道周围受扰动或受剪切破坏,这是构成地面沉降的根本原因。在软土地层中用盾构法施工隧道,因地层损失和土体扰动, 必然引起地表变形。表现在盾构机掘进的前方和顶部会产生微量的隆起,盾构机部分通过地表开始下沉, 盾尾脱离后地表下沉加快,并形成一定宽度的沉降槽地带,下沉的速率随时间而逐渐衰减,且与盾构经过的地质,施工工况和地表荷载等有密切的关系,并表现出相当大的差异性。土体的扰动或扰动土多是针对原状土而言，大体是指由于外界机械作用造成的土的应力释放，体积、含水量或孔隙水压力的变化，特别是土体结构或组构的破坏和变化等。

土压平衡式盾构

土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构。适用于含水的软土、软岩、硬岩及混合地层的隧道掘进。掘进施工可采用土压平衡、气压平衡和敞开三种模式。掘进操作可自动控制、也可半自动控制或手动控制。盾构机配备了自动导向系统，可控制和稳定掘进方向，具有灵活转向纠偏能力。盾构刀盘结构能满足不同地层的掘进速度要求。盾构配备了同步注浆系统，对控制隧道周围土体沉陷及建筑物保护非常有利。盾构配备了泡沫及膨润土注入系统，有利于碴土改良。配备了压缩空气系统，有利于防止工作面的渗水及控制地表沉降。

三、复合地层的概念

在盾构施工的过程中，围岩岩土力学、基础地质和工程地质等特征的各向均匀性直接影响盾构机的选型、盾构施工工艺的选择等关键性问题。从这个意义上讲，可以宏观地将围岩地层区分为两类，一是均一地层，一是复合地层。

将开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的组合地层，定义为复合地层。

复合地层的组合方式是非常复杂多样的，但总的来说可分为三大类，一类是在断面垂直方向上不同地层的组合，一类是在水平方向上地层的不同组合，另一类是上述两者兼而有之。

1、复合地层在垂直方向上的变化。

最典型的垂直方向上的复合地层就是所谓“上软下硬”地层。即隧道断面上部是第四系的松软土层，而下部是坚硬的岩石地层；或者上部是软弱的岩层而下部是硬岩层；或者是在硬岩层中夹软岩层，或软岩层夹硬岩层，等等。

2、复合地层在水平方向上的变化。

在一施工段当中，可能分布着不同时代、不同岩性或不同风化程度，从而表现出不同岩土性质的地层。比如广州地铁五号线草~陶区间的地层。

3、 在水平方向和垂直方向两者兼而有之的更为复杂的变化。

四、复合地层盾构施工的主要特点

1、经常变换盾构施工模式

在软土地层或以软土地层为主的“上软下硬”地层施工时，一般要采用“闭胸模式”，而在以岩石地层，特别是自稳性较好的（包括风化程度不一）岩石地层施工时则可采用半开胸式（欠土压平衡模式）或开胸模式；在以砂层或以砂层为主的“上软下硬”地层中采用土压平衡模式施工时，可能需要通过加注膨润土等工艺转化为“泥水平衡”模式 ，如此等等。需经常根据地层的变换来转换盾构机模式，是在复合地层中施工的一大特点。

2、盾构机的配置需要做出适当的调整

在硬岩的段施工时，通常要采用全断面滚刀破岩模式，采用的刀盘开口率也会较小；当掘进在软岩或软土地段时，通常都要将部分或全部滚刀换成适应软岩或软土的刮刀，此时的开口率也相应增大。

3、采用的施工工艺和施工参数也要根据地层的变化而变化

这些变化主要表现在不同地层需要的添加剂的种类和数量的不同；需要的辅助设备（比如破岩机、超前钻机）的不同；盾构机姿态控制的不同等等。

4、某些特殊的复合地层，可能需要一些辅助工法

采用辅助工法的主要原因是由于盾构机本身的设计功能的局限性造成的，而这种局限性在目前的技术发展阶段还较难以克服。比如，广州地区白垩系红层的粉砂岩、砂岩一般的单轴抗压强度最大为30~45MPa，但有时在这些区间会碰到几十米或几百米长的坚硬的花岗岩，或花岗岩的球状风化体，其强度一般达到80MPa以上，甚至会超过120MPa。在这种条件下，以软岩为主设计的刀盘和刀具，显然不能适应硬岩的要求，在无法更换新刀盘的情况下，采用其它可行的辅助工法，比如先采用矿山法，开挖通过坚硬岩石段，之后，用盾构机拼装管片完成隧道，事实证明，这将是一种比较好的辅助选择。

五、复合地层土压盾构机施工的地表沉降控制

（一）机器因素

1、盾构机的选型要适应地层的变化；

2、后配套保障能力强大，能与盾构机施工效率相匹配；

3、盾构机的规范操作； 4、对盾构机及后配套设备的结构、工作原理了解透彻，保养维修及时到位，故障排除迅速；设备完好率及使用率高。

5、盾构机正常的消耗配件要配足、配全。

（二）地质因素

1、分析研究工程地质的分布及状态，各地层参数要翔实、可靠；

2、技术方案的制定、掘进参数的设置与调整均以地层实况为依据，抓住地质这一主线，万变不离其宗；

3、紧跟掘进地质情况，不断对前方地层进行比较、预测、分析、判断，及时调整掘进参数；

4、根据先行洞线的掘进地质情况的跟踪，详细确定后行洞线的地质情况，提前预测后序掘进可能发生的情况，并做好充足的应急预案准备。

（三）人的因素

1、施工人员既要掌握一定的土建施工技术，又要掌握一定的机电技术；

2、操作及管理人员的责任心要强、技术素养要高，各岗位人员要配足。施

工自始自终需要实干、奉献、团队、协作精神，加强沟通，排除障碍。推进过程中需要各操作层、各部门都动起来，一切以推进为核心开展工作。

3、制定与盾构法施工相匹配较完善的项目管理制度，并严格执行；

4、实践中不断摸索施工经验，不断学习总结提高。

（四）信息化施工 1、建立监测小组～盾构机操控室～地面监控分析室三位一体的信息流通反馈机构；

2、监测小组全天候对地面沉降、地面建筑物及洞内管片实施动态监测，并将结果及时汇总上报地面监控分析室；

3、地面监控分析室全天候对监测数据及掘进参数进行分析研究，及时向盾构机操控室输入各项操作指令；

4、 盾构机操控室收到地面监控室所输出的地面监测数据及操作指令进行操作，发现与实际情况有差异时，要及时把信息反馈给地面监控室以便调整。

5、其余施工信息融入以上信息流通中，与盾构掘进彼此进行信息交换。

（五）技术因素

1、优化盾构推进参数

盾构推进至复合层之后，盾构机总推力增大，为了减小沉降，原先主要的推进参数如土压力、推进速度、刀盘转速都需要优化重新设定，并根据沉降监测数据及时反馈调整，以期获得满意的效果。

2、合理选择土压力

土压平衡盾构挤土会引起地面隆起和深层土体向远离隧道的方向移动。一方面地面隆起可以部分抵消后期沉降，另一方面，土体受到挤压后土体会变密实，在盾尾通过的瞬间，会减少隧道周围土体向空隙处的塌落，使同步注浆得以顺利进行，从而减小了土体损失的产生。因此，为了增大开挖面支护压力，一定要合理选择土压力。

适当降低推进速度

土压平衡盾构推进速度应与出土量、开挖面土压力值以及同步注浆相协调。为尽可能减少对土体的扰动， 从而达到控制沉降的目的，要对比不同推进速度下的沉降值，适当降低推进速度有利于减小沉降。

4、适当增加同步注浆量、改善浆液配比和控制注浆压力等

同步注浆对于控制沉降具有十分重要和显著的作用。为了实现同步注浆的目的， 注入浆液应迅速、 充分充填盾尾空隙。 为此， 必须首先保证浆液满足下列要求：

①较好的充填性，能充分充填盾尾空隙，不流窜到空隙以外的区域和不漏失到掘削面及周围的土体中去。

②应具有良好的和易性（流动性） 。

③浆液的凝结时间可以控制，既不会太快造成注浆管堵塞，也不能太慢，以至无法约束管片的位移，甚至产生隧道在浆液中漂移的现象。

④具有一定的早期强度，其数值与原状土强度相当。

⑤浆液的凝结过程不会产生泌水现象，硬化后的体积收缩率小，渗透系数小。

⑥应有合适的稠度，不被泥水和地下水稀释。

上述要求中主要的是充填性、 和易性及不向盾尾空隙之外区域流失的特性，只有满足这些特性，才能成功实现同步注浆的目的。

结论：土压盾构机穿越复合层，由于土体易受扰动，因此沉降增大且不易控制。为了有效控制地面沉降，应从施工机器、地质、人员、技术等方面加强控制。技术方面特别注意首先控制好盾构推进参数，特别是土压力的设定。其次是适当增加同步注浆量，充填系数约为 3~4.5 时方能控制沉降。同时调整浆液配比，提高浆液早期强度和控制好注浆压力。

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