盾构法施工引起地面沉降原因分析及防治措施

盾构法施工引起地面沉降原因分析及控制方法进入21世纪，世界经济的迅猛发展使城市化建设得到了大幅度的提速。目前，人口不断地向城市聚集，使城市人口和建筑的密集度快速上升，造成能被利用的地面空间越来越少，因此，当今城市现代化建设的重要课题之一便是开发地下空间，为人类创造价值。但各种用途的管线被布置在地下，这便产生了在地下工程施工背景下的一种最佳方法——盾构法。盾构法施工虽然优点颇多，但是也存在诸多问题。本文就盾构法施工过程中引起的地面沉降问题展开讨论，分析产生的原因及寻找控制方法。一，地面沉降产生原因1、地层隆沉的发展过程盾构推进引起的地面沉降包括五个阶段：最初的沉降、开挖面前方的沉降、盾构机经过时沉降、盾尾空隙的沉降以及最终固结沉降，如图l所示。第一阶段：最初的沉降。该压缩、固结沉降是因为地基有效上覆土层厚度增加而产生的沉降，也是盾构机向前掘进时因为地下水水位降低造成的。指从盾构开挖面距地面沉降观测点还有一定距离(约3～12m)的时候开始，直至开挖面到达观测点这段时间内所产生的沉降。第二阶段：开挖面前方的沉降(或隆起)。这种地基塑性变形是由土体应力释放、开挖面的反向土压力、或机身周围的摩擦力等作用而产生的。它是从开挖面距观测点约几米时开始至观测点处于开挖面正上方这段时间所产生的沉降(或隆起)。第三阶段：盾构机经过时沉降。该沉降是在土体的扰动下，从盾构机的开挖面到达测点的正下方开始到盾构机尾部通过沉降观测点该段时期产生的沉降(或隆起)。第四阶段：盾尾空隙沉降。该沉降产生于盾尾经过沉降观测点正下方之后。土的密实度下降，应力释放是其土力学上的表现。第五阶段：固结沉降，它是一种由地基扰动所产生的残余变形沉降。经前人研究发现，第一阶段沉降占总沉降的0～4．5％，第二阶段沉降占总沉降的0～44％，第三阶段沉降占总沉降的15～20％，第四阶段沉降占总沉降的20～30％，第5阶段沉降占总沉降的5～30％。2、地表沉降的因素影响分析该因素影响分析的平台是当前使用较为广泛的大型三维有限元分析软件ANSYS，盾构开挖面掘进引起的地表沉降的客观因素包括盾构直径、土体刚度、隧道埋深、施工状况等设计条件；而其主观因素包含施工管理、盾构机的选用形式、盾尾注浆、辅助施工方法等。下面对盾尾同步注浆、覆土厚度、管片宽度、掌子面顶进压力、土体弹性模量和盾构直径六个方面的因素进行分析。2.1、盾尾注浆压力的影响地表沉降会受到盾构机尾部注浆压力的影响，且影响较大。本文在ANSYS中通过设置不同的盾尾注浆压力参数值来研究其影响程度的大小。通过模拟分析发现：最大地面沉降随注浆压力的增加而减小。我们知道，压力过小使得浆液不能将盾尾空隙充填完全，过大会造成浆液的流动性较差，主要是因为当盾尾脱空时，土体释放的大部分荷载被注浆压力抵消，注浆压力越大，浆体越能阻碍衬砌上方土体的径向位移，同时盾尾空隙也越能被充填完全，受到的作用也越大。2.2、覆土厚度的影响地面沉降的因素很大一部分也归结于覆土厚度，在盾构机直径不变，而覆土厚度不同的情况下，通过模拟分析发现：最大地面沉降随覆土厚度的增加而减小。也可以从计算结果得出一点帮助：在地层条件允许的情况下，加大隧道设计埋深对减小地面沉降来说是一条有效的措施。原因在于：覆土厚度在地层损失相同时越大的话，沉降槽的范围也会相应的增大，从而使得最大地面沉降值减小。2.3、管片宽度对地表沉降的影响在地铁隧道盾构法开挖中，某一段固定长度内管片的整体刚度是受到衬砌管片的宽度影响的，也就是说管片抵抗外界变形的能力与宽度息息相关。本文在建模中取了不等的管片宽度来比较该因素是如何影响沉降的，计算表明，地表沉降最小的情况是发生在管片宽度越大的时候。究其地层变位更小的原因，如下：特定长度内的管片之间形成的缝隙数量在宽度大的盾构管片时相对来说就少，此时缝隙的总宽度也就更小，致使抵抗外界变形的能力就更强，整体的刚度也就更大。2.4、掌子面顶进压力的影响掌子面顶进压力即盾构推进时切削刀盘对隧道前方土体的作用力，在模型中将其取不同的值来反映对地表沉降的影响，但要保证前方水土压力之和不大于掌子面项进压力的值，警戒值被前方土体隆起超过是由顶进压力值过大造成的。模拟后发现，地表累计沉降值变化量在掌子面顶进压力的增大下略微增大，而它在一般工况下掌子面顶进压力改变时变化较小。2.5、土体弹性模量对地表沉降的影响土体受扰动时抵抗变形的能力体现在土体的弹性模量上，在隧道开挖时对地表沉降总和的贡献很大，为了比较其对地表沉降的影响，在模型中设定了不同的土体弹性模量来查看对比结果。通过模拟分析得知当提高土体弹性模量时，提高了土体抵抗变形的能力，即增大了土体的刚度，结果导致最大地面沉降量相应的减小，因此，要保证土体不发生过大变形，在选择盾构掘路线时，软土层的地带应避开，土质情况较好的区域应优先放在考虑的位置。2.6、盾构直径对地表沉降的影响其它的因素值保持不变，分别改变盾构直径的大小来进行研究。经模拟分析发现，当盾构直径增大时，最大地面沉降值是不断增大的。这是由于：①周围土体会受到盾构机躯体在掘进前行过程中对其产生的扰动，并且躯体越大，扰动越大；⑦在施工过程中，盾构直径越大意味着盾尾建筑空隙越大，增大了地层损失，导致被挖去的土体也就越多，要达到阻止地层产生更大的位移的目的，就须及时将浆体注入到盾尾空隙中：③刀盘开挖半径越大是由越大的盾构直径所致，因此在盾构机的刀盘在切削土体时增大了开挖面前方受扰动土体的范围：从分析得知，在条件允许的情况下，要达到减少土体变位的目的，应在盾构机选型时尽量选用相对较小直径的盾构机。二、地面沉降的控制方法1、优化掘进参数最佳盾构推进是指盾构推进中对周围地层及地面的影响最小，表现在地层的强度下降小、受到扰动小、超孔隙水压小、地面隆沉小以及盾尾脱开后的实沉幅度小，这些理想指标也是盾构施工中控制地面沉降、保护环境的首要条件和治本办法。要达到这一理想状态必须对推进中的参数即对刀盘油压、土舱压力、推进速度、压浆压力、压浆量、盾构坡度、盾构姿态及管片拼装作分析。对隧道上复土地质条件、地面荷载设计坡度及转弯半径、轴线偏差及盾构姿态等选取合理的参量，以指导施工。(1)首100m试推进。其目的是摸索掌握规律，选取确定最佳掘进参数，指导全线施工。首100m试推进又可根据沿线地形地貌条件划分为3个区段：第1区段为30m，在施工场地内，属最初掘进，是对各项推进参数的摸索阶段，推进中设定3组不同的施工参数进行试掘进，通过测量数据的反馈，摸索地层变化轴线控制的规律。第2区段为30m，在路面或人行道下。根据地面条件、建筑物及地下管线情况，对上一阶段试设定的3组参数作慎密调整以取得最佳参数。第3区段为40m，在路面或建筑群下。这是正式掘进的准备阶段，通过本区段的掘进，对地面沉降、隧道轴线控制、衬砌安装质量等基本有了各项控制措施，施工参数也基本掌握，能利用信息反馈指导施工。(2)前舱压力设定。应随隧道上复土厚度的变化而变化，但如单凭理论土压来设定前舱压力显然是不合适的。另外，盾构机内部的土压传感器和自动模式控制器存在系统误差，所以在掘进中有必要将土压力设定值进行调整。根据实际施工经验，盾构机切口前方1．5D十H(D为盾构机外径，H为盾构中心至地面高度)范围内地面的沉降情况与土压力设定值密切相关，所以盾构前方地面沉降监测结果可直接反映土压力设定值与自然土压力的吻合程度。在实际的施工中，可控制盾构机前的地面沉降量在负沉陷0～2mm，如负沉降过大则应适当调低压力设定值，如发生正沉降则应适当调高土压力设定值。合理设定土压力控制值的同时应限制掘进速度，如掘进速度过快，螺旋输送机转速相应值达到极限，密封舱内土体来不及排出，会造成土压力设定失控。所以应根据螺旋输送机转速控制最高掘进速度，一般控制在5errdmin以内。(3)同步注浆。（1）合理配比的浆料。目前广州地铁土压力平衡式盾构采用的是隋性浆液，由黄砂、粉煤灰、膨润土加水经合理配比、充分搅拌而成。常规下浆液性质可用稠度值控制，取值范围为20．5～11．0，每次拌浆必做测试，不达标准不准下料。（2）注浆压力。同步注浆压力，从理论上只需使浆液压人口的压力大于该处水土压力之和，即能使建筑空隙得到足够充盈。压浆压力不能太大，否则会对周围土层造成劈裂，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期沉降及隧道本身的沉降。初始掘进阶段，曾按1．2r0h(r0为土密度，h为隧道上复土厚度)设定注浆压力，以此摸索最佳参量，实践表明该压力根本无法确保浆液全部压入，合适的注浆压力应视隧道的不同埋深，以5～6×105Pa为佳，可见实践与理论计算有较大差距。究其原因，一是浆液管道造成压力损失，二是实际注浆量大于理论注浆量。（3）压浆位置。注浆压力一般取5～6×105Pa，其对管片产生的推力可达到50～60t／m2，选择好分布于盾尾外壳6根浆管的压浆位置，足以使“飘浮”于浆液的隧道尾端产生位移，这样，一可改善隧道轴线原有的偏差，二可改善因管片与盾尾卡壳，不能自若纠偏的状况(以不影响地层变化为前提)。（4）跟踪注浆。从广州地铁盾构施工的地面沉降观测资料可知，盾构施工后期沉降(盾尾后3D十H=19．02m范围外)沉降发展速度虽然较慢，但其累计值还是相当可观的，占到总沉降量的50％左右。后期沉降主要是土体的固结沉降造成。对于地面有较重要的建筑物来说，利用跟踪压注固结浆液的方法来控制后期沉降，是一种效果良好且必须的手段。2、纠偏与衬砌接缝防水盾构法隧道施工引起地表沉降的根本原因是开挖面引起的土体损失与地层的再固结。引起地层损失的原因之一为纠偏，引起地层再固结的原因之一为接缝渗漏。(1)纠偏。广州地铁施工的区间隧道有平面曲线及竖曲线，因此盾构推进时控制运力，以使其推进轨迹与设计轴线保持一致。由于地层的不均匀、管片制作误差及施工操作的差异，直线推进的隧道会产生推进轴线偏差，须进行纠偏，盾构与隧道轴线之间形成一微小夹角，这样盾构开挖出的横断面呈椭圆形，其面积大于圆形断面而产生附加的体积损失。目前广州地铁土压平衡式施工所使用的盾构外径为6240mm，长为6440mm。隧道初砌外径为6100ram。经计算可知，每增加0.1。的纠偏角，就会产生0．2％的附加体积损失，如果一次纠偏为0.8°，则附加体积损失在1.52％，这将使地表沉降增大约33％。纠偏方法：调整盾构推进各区域千斤顶油泵压力，或伸长(缩短)某一区域千斤顶行程，改变盾构姿态并选择合理注浆位置与压浆量，以达到纠偏目的。需要注意的是一次纠偏量不宜过大，纠偏应做到合理，使盾构纠偏轴线和顺，有利于施工及隧道的使用要求。(2)衬砌接缝防水。接缝漏水使隧道周围地层孔隙水流失，土体有效应力增加，引起地层再压缩固结，从而引起地表沉降。因此，施工中有效地控制衬砌接缝的防水抗渗不仅是使用功能上的需要，对于地面沉降控制也是十分必要的。防水措施可采取在衬砌接缝处设氯丁橡胶与遇水膨胀橡胶复合而成的弹性密封垫，另外嵌缝防水是管片的辅助防水线。三、结束语总之，通过对盾构施工中地面沉降研究与分析，能够有效地控制施工中地面沉降，以及可以减小因盾构施工引起地面沉降造成的经济损失和安全事故。因此，要根据现场施工条件与设计要求相互结合，制订出最佳的地面沉降监控量测方案，提高施工的进度与效率。参考文献：吴张中，李丽平等．地铁隧道盾构施工地表沉降的预测分析；周文波．盾构法隧道施工技术与应用；张云盾构法隧道的位移反分析及其工程应用；何阳盾构法施工对地表沉降的影响因素分析；丁国辉盾构法施工地面沉降原因分析及控制方法。