城市盾构隧道施工对地表变形影响及对策探讨
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作者: 殷昌海
作者简介：殷昌海（1976-）,男,本科学历,中铁七局集团武汉工程有限公司工程师,研究方向：工程机械及施工。
摘要：在现代化城市地下道路的建设工程中,盾构法施工技术以其施工速度快、机械化程度高、对周围环境影响小等优势而得到越来越广泛的应用。但是由于地质条件和施工工艺的限制,盾构推进过程对地表的改变是不可避免的,如何预测施工引起的地层位移,以及尽量确保地表不致变形,提出了具体的对策分析。
关键词：盾构法;地表变形;对策
中图分类号：TU 文献标识码：A文章编号：1672-3198（2011）05-0266-01
1 引言
城市轨道交通是一座城市融入国家大都市现代化交通的显著标志。它不仅是一个国家的国力和科技水平实力的展现,更是解决大都市交通紧张状况最理想的交通方式。北京、上海、广州等中心城市已形成城市轨道交通网络,其对城市整体发展地提升作用日益显现。
1.1 盾构法
地铁区间隧道建设一般都采用盾构法施工,盾构法施工是在闹市区和水底的软弱地层中修建地下工程较好的施工方法之一,由于盾构法施工具有作业在地下进行,不影响地面交通,减少噪声和振动对附近居民的影响；施工费用受埋深的影响小,有较高的技术经济优越性；盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行,易于管理,施工人员较少；穿越江、河、海时,不影响航运；施工不受风雨等气候条件影响等有利特点。这些优点将对城市地下空间利用的发展起到有力的技术支持作用。
盾构法施工是以盾构机为隧道掘进设备,以盾构机的盾壳作支护,用前端刀盘切削土体,由千斤顶推盾构机前进,以开挖面上拼装预制好的管片作衬砌,从而形成隧道的施工方法。盾构机的类型有多种,目前在上海地铁区间隧道建设中以土压平衡式盾构应用最为广泛。土压平衡盾构工艺原理是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘,将正面土体切削下来的土进入刀盘后面的密封舱内,井使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡,以减少盾构推进对地层土体的扰动,从而控制地表沉降或隆起,在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续的将土渣排出。地铁盾构法隧道施工技术难度大、施工风险高、质量要求高、不可预测因素多。
在城市地下道路的建设工程中,如何预测施工引起的地层位移,确保附近建筑物的正常使用,是盾构法隧道设计及可行性研究中的重要内容盾构法隧道开挖是典型的三维问题。
1.2 盾构法施工的基本条件
盾构法施工的基本条件是：线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井；隧道要有足够的埋深,覆土深度宜不小于隧道直径的1倍；相对均质的地质条件；如果是单洞则要有足够的线间距,洞与洞及洞与其它建（构）筑物之间所夹土（岩）体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m,竖直方向1.5m；⑤从经济角度讲,当工程规模较小时,工程造价相对较高,如对于短于750m的隧道,用统计资料显示,被认为是不经济的。
因此,在地面交通繁忙,地面建筑物和地下管线密布,对地面沉降要求严格的城区,不宜采用明挖法,且地下水发育,围岩稳定性差或隧道很长而又工期要求紧迫,不能采用较为经济的矿山法时,采用盾构法施工才是经济合理的。
1.3 盾构法施工引起的附属问题
（1）由于隧道洞口与盾构之间存在建筑间隙,易造成泥水流失,从而引起地面沉降及周围建筑物、管线位移。
（2）盾构掘进的速度主要受盾构设备进、出土速度的限制,若进出土速度不协调,极易出现正面土体失稳和地表沉降等不良现象。
2 盾构隧道施工地表变形分析
盾构掘进时地面沉降的基本原因是地层损失和隧道周围地层受到扰动或剪切破坏的再固结。地表沉降一般可分为三个阶段：第一阶段是由于开挖过程中各种施工因素引起的沉降,在该阶段地层运动可以认为是在不排水的情况下进行的；第二阶段是由于第一阶段产生的超孔隙水水压力消散而引起的、与时间因素有关的主固结沉降；第三阶段是在超孔隙水压力消散结束后,土层骨架蠕动引起的剪切变形,即次固结沉降。在此仅研究盾构法施工引起的前期沉降,此阶段影响地面沉降的主要因素有：
2.1 地层损失
主要是南盾构开挖卸载的过量取土和盾尾通过后产生的建筑问隙引起的,地层损失出现后,周围土体会向地层损失方向移动,从而产生相应的土体位移与应力。
2.2 开挖面土体的移动
根据软土地区土压力平衡盾构的施工经验,此时引起的地表变形较小。数值模拟时密封舱土压力的大小根据现场施工条件确定。
2.3 盾构机与土体间的摩擦作用
盾构前进时会受到千斤顶的推力作用,由于盾构与土体之间的接触面积较大,会产生较大的摩擦力,摩擦力的大小与隧道埋深和土质有关,埋深较大,土质越好,此值越大。土体受到的摩擦力沿隧道成椭圆彤,顶部最小,底部最大。
2.4 盾尾注浆作用
盾构法施工中为了减小地面沉降,往往采用同步注浆技术。在实际注浆施工中,衬砌外侧的注浆量并不是均匀的,上部注浆孔的注浆压力很大,而下部注浆压力很小,基本可以忽略不计。
2.5 衬砌自身的变形
盾构机通过并同时向盾尾建筑空隙压注浆液之后,衬砌的受力条件迅速变化,衬砌管片的变形也会导致地表的少量沉降。
3 施工问题的解决方法
3.1 盾构进洞土体加固
盾构进洞区域土体加固一般与出洞区域土体加固是同时进行,对盾构进洞土体加固效果的检验可参照对盾构出洞土体加固。
3.2 盾构接收基座设置
盾构接收基座用于接收进洞后的盾构机,由于盾构进洞姿态是未知的。在盾构接收（进洞）前监理仍需复核接收井洞门中心位置和接收基座平面、高程位置（一般以低于洞圈面为原则）,确保盾构机进洞后能平稳、安全推上基座。
3.3 进洞前盾构姿态监控
在盾构进洞前100环监理对已贯通隧道内布置的平面导线控制点及高程水准基点做贯通前复核测量,是准确评估盾构进洞前的姿态和拟定进洞段掘进轴线的重要依据。监理复核数据应通过与承包方复核数据的比较,分析误差是否在允许偏差之内,从而正确的指导进洞段盾构推进的方向。
3.4 洞门围护结构凿除（进洞侧）
盾构进洞前需对接收井内围护结构背水面钢筋进行割除及砼凿除,通过打探孔实际验证盾构进洞区域土体加固的效果。监理在洞门围护结构凿除后同样需对其后土体自立性、渗漏等情况进行观察,判断进洞区域土体的实际加固效果是否满足盾构安全进洞的要求,否则应督促承包方采取补救措施。
3.5 盾构接收进洞
盾构接收（进洞）准备工作就序后,盾构机向前推进,在前端刀盘露出土体直至盾构壳体顺利推上接收基座的过程称为“盾构接收进洞”。该关键环节监理应进行旁站监督,并重点做好以下工作：
（1）观察进洞洞口有无渗漏的状况,发现洞口渗漏督促承包单位及时封堵。
（2）督促承包方及时安装洞口拉紧装置,并检查其牢固性。
3.6 安装出洞装置
由于隧道洞口与盾构之间存在建筑间隙,易造成泥水流失,从而引起地面沉降及周围建筑物、管线位移。因此需安装出洞装置。一般包括帘布橡胶板、圆环板、扇形板及相应的连接螺栓和垫圈等。监理应重点对帘布橡胶板上所开螺孔位置、尺寸进行复核,对出洞装置安装的牢固情况进行检查,确保帘布橡胶板能紧贴洞门,防止盾构出洞后同步注浆浆液泄漏。
3.7 掘进速度的控制
盾构掘进的速度主要受盾构设备进、出土速度的限制,若进出土速度不协调,极易出现正面土体失稳和地表沉降等不良现象。因此,监理应重点督促承种结构。
3.8 建筑空隙的填充
盾构法工艺施工隧道,由于盾构壳体与拼装管片之间存在“建筑空隙”,如不及时填充,势必产生土层扰动变形,造成地面变形（严重的危及到地面建筑和地下管线的安全使用）或隧道结构变形。注浆作业是盾构法隧道施工控制地面和隧道结构变形主要技术措施之一,通过压浆填充“建筑空隙”控制变形量。施工中的注浆工艺分为同步注浆、衬砌后补注浆,无论采用哪种工艺,监理在监督过程中应通过分析监测资料（以控制地面和隧道结构变形为原则）、审查拌制和注浆施工记录、对每作业班拌制注浆液试块制作见证送检等手段来综合分析注浆作业的效果,判断注浆作业是否达到控制变形的成效,并重点监督浆液配合比、注浆量、注浆压力等主要技术指标。
参考文献
［1］罗云峰.地铁隧道盾构施工引起的地面沉降规律分析［J］.深圳土木与建筑,2008,（1）.
［2］金明,司翔宇.地铁隧道盾构施工参数对地表沉降影响的试验研究, 现代城市轨道交通,2009,（5）.
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