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盾构掘进地层变形原因分析与施工控制
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内容提示：北京地铁在5号线施工中首次采用盾构法进行地铁区间隧道的掘进, 下穿城市中心区域, 在这些区域中有很多是老旧城区和中心商业区, 对于地层变形和地面沉降的控制要求极为严格, 因此很有必要对盾构掘进过程中地层变形和地面沉降的规律进行细致分析,并采取相应的施工方法与技术措施进行控制, 以满足盾构施工过程中的环境要求。
关键词: 盾构; 地层变形; 掘进参数
北京地铁在5号线施工中首次采用盾构法进行地铁区间隧道的掘进, 下穿城市中心区域, 在这些区域中有很多是老旧城区和中心商业区, 对于地层变形和地面沉降的控制要求极为严格, 因此很有必要对盾构掘进过程中地层变形和地面沉降的规律进行细致分析,并采取相应的施工方法与技术措施进行控制, 以满足盾构施工过程中的环境要求。（参考《建筑中文网》）
1 地层变形原因分析
盾构法隧道施工引起地层变形的基本原因可归纳为以下几个方面。
(1) 开挖面土体的移动: 当隧道掘进时, 开挖面土体的水平支护应力可能大于或小于原始侧压力,开挖面前方土体从而会产生下沉或隆起。
(2) 建筑空隙引起的沉降: 土体挤入盾尾空隙,由于向盾尾后面隧道外围建筑空隙中压浆不及时、注浆量不足、压浆压力不适当, 使盾尾后坑道周边土体失去原始三维平衡状态, 引起地层损失; 盾构在曲线中掘进, 或纠偏掘进过程中实际开挖断面不是圆形而是椭圆形, 故引起地层损失; 盾构在土体中移动, 盾壳表面粘附着一层粘土, 推进时盾尾后隧道外围形成的空隙大量增加, 如不相应增加注浆量, 地层损失将增加。
(3) 衬砌变形和沉降: 在土压力作用下, 隧道衬砌产生的变形也会引起少量地层损失, 当隧道衬砌沉降较大时会引起不可忽略的地层损失, 衬砌渗漏也引起沉降。
(4) 受扰动土体的固结再沉降: 由于盾构掘进过程中的挤压作用和盾尾注浆作用等因素, 使周围地层形成超孔隙水压区, 需经过一段时间后才能消散复原。在此过程中因地层发生排水固结变形引起地面沉降。
2 地层沉降控制方法
2.1 地层状况及沿线建构筑物调查
若要在施工过程中达到有效控制地层沉降的目的, 首要的先决条件就是在盾构隧道掘进之前对隧道施工影响范围内的地层状况及沿线建(构)筑物进行调查, 在获得相关的原始资料后, 对地层条件及沿线建(构)筑物的状态进行评价分级, 并结合相关规范要求,进而确定其在施工过程中为确保地层及建(构)筑物的稳定而应达到的控制标准。
2.2 优化匹配盾构掘进参数
在确定了沿线地层及相关建(构)筑物的控制标准之后, 就要根据控制目标调整盾构掘进参数, 使盾构在施工过程中达到最优控制掘进状态。
盾构最优掘进是指: 掘进时对周围地层及地面的影响最小, 地层强度下降小, 受到的扰动小, 超空隙水压力小, 地面隆沉小, 盾尾脱出时的突沉幅度小, 这些是盾构施工中控制地面沉降、保护环境的首要条件和治本方法。
要达到上述最优状态, 必须在盾构掘进过程中根据隧道埋深、地质条件、地面荷载、设计坡度、转弯半径、轴线偏差及盾构姿态等情况, 选取合理的参数指导施工。为此必须进行沿线监测地表变形值, 据此不断进行优化组合, 指导下一步的掘进施工, 使之真正达到优化施工参数的目的。
2.3 试掘进确定参数指导施工
盾构施工所面对的主要工作介质就是岩土体, 再加上在施工影响范围内建(构)筑物与岩土体的相互作用, 因而很有必要根据沿线地层条件、建( 构) 筑物情况, 以一定的掘进区段作为掘进试验段。
一般来说, 将始发掘进的前100m作为试掘段。在实际掘进过程中, 又可将100m试掘段划分为3个区段: 第一段长15m, 为初掘进, 共设定3组掘进参数, 通过地表监测, 摸索地层变化和轴线控制的规律; 第二区段长35m, 根据地面条件、建筑物、地下管线情况, 对第一阶段设定的3组参数进行调整, 以取得最优参数; 第三区段长50m, 是正式掘进的准备阶段, 通过这一区段的掘进,对地面沉降、隧道轴线控制、衬砌安装质量等制定出控制措施, 基本掌握施工参数, 能利用信息反馈指导施工。通过100m试掘段掘进参数与地层变形规律的摸索,为整个掘进过程中施工参数的确定奠定良好的基础。
2.4 土仓压力的设定
在整个隧道掘进过程中, 土仓压力的设定是一个非常关键的参数, 土压设定值如果偏小则导致地层下沉量增大, 土压设定值如果偏大则会导致地层发生隆起现象。
在北京地铁五号线17标段的盾构施工过程中, 由于地处老城区, 地面年代久远的房屋多达1000余间,且地下管线密集, 因此地层变形的控制非常严格, 在土压力理论计算结果的基础上, 结合试掘段的经验数据, 土仓压力的设定为理论值的105%～120%。
2.5 确定盾尾同步注浆参数的最佳值
盾构掘进过程中, 以适当的注浆压力和浆量、合理配合比的注浆材料等, 在脱出盾尾的衬砌背面环形建筑空隙进行同步注浆, 这是控制或减小地层变形的关键措施。盾尾同步注浆过程中的关键参数控制主要包括如下几点。
(1) 合理配合比的浆料: 稠度值控制在10.5～11.0, 容重近似于原状土。
(2) 注浆压力: 合适的注浆压力约为5～6bar, 因实际注浆量大于计算注浆量, 超体积浆液必须用适当高于计算注浆压力方可注入盾尾土体空隙。
(3) 注浆时间: 盾尾注浆的压入时间对于注浆施工效果影响明显。浆液的注入时间应以管片拖开盾尾同步为最佳, 匀量注入浆液的时间应与管片推进一环的时间相同。
(4) 注浆量: 一般来说, 盾尾同步注浆量的控制可根据盾尾间隙的计算而求得。但在实际注浆过程中, 由于盾尾土体不密实或存在空隙等情况, 同时由于盾构施工对于周边土体的扰动作用, 从而导致实际的盾尾同步注浆量要远大于理论计算量。根据我单位经验, 在砂卵石地层中合适的注浆量应为理论注浆量的160%～220%; 在粉质土、粘质土地层中合适的注浆量应为理论注浆量的140%～180%。
(5) 注浆位置的分配: 有目的地选择等角度分布于盾尾外壳的注浆管进行注浆, 根据不同的地质条件及控制标准确定各个注浆管的注浆压力与注浆量, 能使“漂浮”于浆液中的隧道尾端产生可控位移, 既可改善隧道轴线原有的偏差, 又可有效改善管片与盾尾的挤卡状况。
2.6 信息化施工的指导
在盾构掘进过程中, 根据监测结果与各项施工参数之间的对照分析, 可对施工参数进行进一步修正, 达到优化匹配掘进参数、有效控制地层变形的目的。
3 工程实践效果
北京地铁五号线是北京首批采用盾构法进行施工的地铁隧道, 该标段区间隧道的盾构掘进具有如下特点。
3.1 地质条件具有代表性
该标段一个区间隧道埋深14.8～15.6m, 隧道上部地层为粉土②3层、粉土②层和中粗砂③1层, 洞身通过地层为中粗砂③1层、圆砾④层、粘质粉土砂质粉土⑤层和粉质粘土重粉质粘土⑤1层, 隧道下部地层为圆砾④层、粘质粉土砂质粉土⑤层和粉质粘土重粉质粘土⑤1层。隧道进入潜水层, 一部分进入承压水层。
而另一区间隧道埋深8.2～9.5m, 隧道上部地层为粘质粉土砂质粉土②层及粉质粘土②1层, 洞身通过地层为粘质粉土砂质粉土②层及粉质粘土②1层、粉细砂③层、圆砾④层, 隧道下部为圆砾④1层和圆砾④层。局部地段隧道底部进入潜水层, 未进入承压水。
3.2 周边环境复杂, 施工制约因素多
该标段两区间地面建筑物情况复杂, 沿线所经地面道路为市区南北向交通要道, 交通量大, 隧道沿线经过繁华商业大街, 该段地面交通繁忙, 地面交通在地铁施工期间不能中断。
地面建筑情况复杂, 隧道从道路东侧密集商业建筑物下穿过, 建筑物大多建设年代较早, 大部分房屋属危房; 地下管线多、人防建筑多, 包括污水、给水、电力、热力、电信等多种管线。
结合这种工程实际条件, 在实际施工过程中, 应用本文所述控制方法很好地达到了有效控制地层变形的施工目标。如在区间掘进过程中穿越的诸多胡同, 地层变形控制效果均较为理想, 地层沉降值基本上在10 mm以内, 远小于规范要求30mm要求。
参考文献
[1] 刘建航, 侯学渊. 盾构法隧道. 北京: 中国铁道出版社, 1991.
[2] 刘仁鹏. 土压平衡盾构技术综述. 世界隧道,2000(1):1～7.
[3] 徐永福. 盾构推进引起地面变形的分析. 地下工程与隧道,2000(1):21～25. 来源: 《建筑中文网》.
北京地铁在5号线施工中首次采用盾构法进行地铁区间隧道的掘进, 下穿城市中心区域, 在这些区域中有很多是老旧城区和中心商业区, 对于地层变形和地面沉降的控制要求极为严格, 因此很有必要对盾构掘进过程中地层变形和地面沉降的规律进行细致分析,并采取相应的施工方法与技术措施进行控制, 以满足盾构施工过程中的环境要求。（参考《建筑中文网》）
1 地层变形原因分析
盾构法隧道施工引起地层变形的基本原因可归纳为以下几个方面。
(1) 开挖面土体的移动: 当隧道掘进时, 开挖面土体的水平支护应力可能大于或小于原始侧压力,开挖面前方土体从而会产生下沉或隆起。
(2) 建筑空隙引起的沉降: 土体挤入盾尾空隙,由于向盾尾后面隧道外围建筑空隙中压浆不及时、注浆量不足、压浆压力不适当, 使盾尾后坑道周边土体失去原始三维平衡状态, 引起地层损失; 盾构在曲线中掘进, 或纠偏掘进过程中实际开挖断面不是圆形而是椭圆形, 故引起地层损失; 盾构在土体中移动, 盾壳表面粘附着一层粘土, 推进时盾尾后隧道外围形成的空隙大量增加, 如不相应增加注浆量, 地层损失将增加。
(3) 衬砌变形和沉降: 在土压力作用下, 隧道衬砌产生的变形也会引起少量地层损失, 当隧道衬砌沉降较大时会引起不可忽略的地层损失, 衬砌渗漏也引起沉降。
(4) 受扰动土体的固结再沉降: 由于盾构掘进过程中的挤压作用和盾尾注浆作用等因素, 使周围地层形成超孔隙水压区, 需经过一段时间后才能消散复原。在此过程中因地层发生排水固结变形引起地面沉降。
2 地层沉降控制方法
2.1 地层状况及沿线建构筑物调查
若要在施工过程中达到有效控制地层沉降的目的, 首要的先决条件就是在盾构隧道掘进之前对隧道施工影响范围内的地层状况及沿线建(构)筑物进行调查, 在获得相关的原始资料后, 对地层条件及沿线建(构)筑物的状态进行评价分级, 并结合相关规范要求,进而确定其在施工过程中为确保地层及建(构)筑物的稳定而应达到的控制标准。
2.2 优化匹配盾构掘进参数
在确定了沿线地层及相关建(构)筑物的控制标准之后, 就要根据控制目标调整盾构掘进参数, 使盾构在施工过程中达到最优控制掘进状态。
盾构最优掘进是指: 掘进时对周围地层及地面的影响最小, 地层强度下降小, 受到的扰动小, 超空隙水压力小, 地面隆沉小, 盾尾脱出时的突沉幅度小, 这些是盾构施工中控制地面沉降、保护环境的首要条件和治本方法。
要达到上述最优状态, 必须在盾构掘进过程中根据隧道埋深、地质条件、地面荷载、设计坡度、转弯半径、轴线偏差及盾构姿态等情况, 选取合理的参数指导施工。为此必须进行沿线监测地表变形值, 据此不断进行优化组合, 指导下一步的掘进施工, 使之真正达到优化施工参数的目的。
2.3 试掘进确定参数指导施工
盾构施工所面对的主要工作介质就是岩土体, 再加上在施工影响范围内建(构)筑物与岩土体的相互作用, 因而很有必要根据沿线地层条件、建( 构) 筑物情况, 以一定的掘进区段作为掘进试验段。
一般来说, 将始发掘进的前100m作为试掘段。在实际掘进过程中, 又可将100m试掘段划分为3个区段: 第一段长15m, 为初掘进, 共设定3组掘进参数, 通过地表监测, 摸索地层变化和轴线控制的规律; 第二区段长35m, 根据地面条件、建筑物、地下管线情况, 对第一阶段设定的3组参数进行调整, 以取得最优参数; 第三区段长50m, 是正式掘进的准备阶段, 通过这一区段的掘进,对地面沉降、隧道轴线控制、衬砌安装质量等制定出控制措施, 基本掌握施工参数, 能利用信息反馈指导施工。通过100m试掘段掘进参数与地层变形规律的摸索,为整个掘进过程中施工参数的确定奠定良好的基础。
2.4 土仓压力的设定
在整个隧道掘进过程中, 土仓压力的设定是一个非常关键的参数, 土压设定值如果偏小则导致地层下沉量增大, 土压设定值如果偏大则会导致地层发生隆起现象。
在北京地铁五号线17标段的盾构施工过程中, 由于地处老城区, 地面年代久远的房屋多达1000余间,且地下管线密集, 因此地层变形的控制非常严格, 在土压力理论计算结果的基础上, 结合试掘段的经验数据, 土仓压力的设定为理论值的105%～120%。
2.5 确定盾尾同步注浆参数的最佳值
盾构掘进过程中, 以适当的注浆压力和浆量、合理配合比的注浆材料等, 在脱出盾尾的衬砌背面环形建筑空隙进行同步注浆, 这是控制或减小地层变形的关键措施。盾尾同步注浆过程中的关键参数控制主要包括如下几点。
(1) 合理配合比的浆料: 稠度值控制在10.5～11.0, 容重近似于原状土。
(2) 注浆压力: 合适的注浆压力约为5～6bar, 因实际注浆量大于计算注浆量, 超体积浆液必须用适当高于计算注浆压力方可注入盾尾土体空隙。
(3) 注浆时间: 盾尾注浆的压入时间对于注浆施工效果影响明显。浆液的注入时间应以管片拖开盾尾同步为最佳, 匀量注入浆液的时间应与管片推进一环的时间相同。
(4) 注浆量: 一般来说, 盾尾同步注浆量的控制可根据盾尾间隙的计算而求得。但在实际注浆过程中, 由于盾尾土体不密实或存在空隙等情况, 同时由于盾构施工对于周边土体的扰动作用, 从而导致实际的盾尾同步注浆量要远大于理论计算量。根据我单位经验, 在砂卵石地层中合适的注浆量应为理论注浆量的160%～220%; 在粉质土、粘质土地层中合适的注浆量应为理论注浆量的140%～180%。
(5) 注浆位置的分配: 有目的地选择等角度分布于盾尾外壳的注浆管进行注浆, 根据不同的地质条件及控制标准确定各个注浆管的注浆压力与注浆量, 能使“漂浮”于浆液中的隧道尾端产生可控位移, 既可改善隧道轴线原有的偏差, 又可有效改善管片与盾尾的挤卡状况。
2.6 信息化施工的指导
在盾构掘进过程中, 根据监测结果与各项施工参数之间的对照分析, 可对施工参数进行进一步修正, 达到优化匹配掘进参数、有效控制地层变形的目的。
3 工程实践效果
北京地铁五号线是北京首批采用盾构法进行施工的地铁隧道, 该标段区间隧道的盾构掘进具有如下特点。
3.1 地质条件具有代表性
该标段一个区间隧道埋深14.8～15.6m, 隧道上部地层为粉土②3层、粉土②层和中粗砂③1层, 洞身通过地层为中粗砂③1层、圆砾④层、粘质粉土砂质粉土⑤层和粉质粘土重粉质粘土⑤1层, 隧道下部地层为圆砾④层、粘质粉土砂质粉土⑤层和粉质粘土重粉质粘土⑤1层。隧道进入潜水层, 一部分进入承压水层。
而另一区间隧道埋深8.2～9.5m, 隧道上部地层为粘质粉土砂质粉土②层及粉质粘土②1层, 洞身通过地层为粘质粉土砂质粉土②层及粉质粘土②1层、粉细砂③层、圆砾④层, 隧道下部为圆砾④1层和圆砾④层。局部地段隧道底部进入潜水层, 未进入承压水。
3.2 周边环境复杂, 施工制约因素多
该标段两区间地面建筑物情况复杂, 沿线所经地面道路为市区南北向交通要道, 交通量大, 隧道沿线经过繁华商业大街, 该段地面交通繁忙, 地面交通在地铁施工期间不能中断。
地面建筑情况复杂, 隧道从道路东侧密集商业建筑物下穿过, 建筑物大多建设年代较早, 大部分房屋属危房; 地下管线多、人防建筑多, 包括污水、给水、电力、热力、电信等多种管线。
结合这种工程实际条件, 在实际施工过程中, 应用本文所述控制方法很好地达到了有效控制地层变形的施工目标。如在区间掘进过程中穿越的诸多胡同, 地层变形控制效果均较为理想, 地层沉降值基本上在10 mm以内, 远小于规范要求30mm要求。
参考文献
[1] 刘建航, 侯学渊. 盾构法隧道. 北京: 中国铁道出版社, 1991.
[2] 刘仁鹏. 土压平衡盾构技术综述. 世界隧道,2000(1):1～7.
[3] 徐永福. 盾构推进引起地面变形的分析. 地下工程与隧道,2000(1):21～25. 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200806/1371.htm
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