盾构过砂层沉降预测及控制

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摘 要：地表沉降是隧道施工中一项重要风险。盾构掘进引起土体沉降有开挖时水土压力不平衡等多种原因。笔者所在项目在过砂层施工中采取了控制排土量、紧凑衔接各工序、及时同步注浆与二次补浆等控制措施，大大减小了土体沉降量。

关键词：盾构隧道，沉降控制，砂层，沉陷槽理论

中图分类号： U45 文献标识码： A

1 工程概况

本专题主要针对盾构机过半断面或全断面沙层。隧道半断面或全断面位于冲积―洪积粉细砂层、冲积―洪积中粗砂层、冲积―洪积土层及局部冲积―洪积砾砂层。、、是透水层，渗透性强，为主要含水层，地下水主要第四系孔隙水，由于本段砂层分布广泛，且厚度大，连通好，和地表水水力联系密切，富水性强。由于各种管线、机场雕塑等建筑物基础埋深较浅，而勘察资料揭示该地段地层以冲积―洪积中粗砂层及冲积―洪积砾砂层为主，当盾构施工通过该段时，施工扰动可能会导致其周围土体沉降或隆起超限，即可能造成管线或雕塑基础局部沉降不均，甚至造成局部坍塌，如果大范围沉降则可能导致管线受拉破裂，导致航油或供水管路中断，后果严重。为安全通过该特殊段，项目部编制了一套详细、针对性强的施工专题，并在施工中逐一落实，最终盾构机安全到达吊出井。

图1 右线地质断面图 图2 地表沉降分析示意图

2 地表变形分析

在软土层中采用盾构施工时,隧道横向所产生的地表变形范围受隧道的埋深和其所处的地质土层状况影响较大,基本上接近土的破坏棱体范围,大致上近似于peck提出的沉陷槽形状,即概率论中的正态分布曲线。同时隧道纵向所产生的地表变形可分为五个阶段,即初始沉降、开挖面前变形、盾尾沉降、盾尾空隙沉降、后续固结沉降,见图2。

3 地表横向沉降预测

（1） ①

式中S(x)为地面沉降量沿横向的分布，mm;x为所求沉降点距盾构中心线的水平距离，mm；

为沿盾构掘进中心的最大地面沉降，mm；且＝，其中为地面沉陷体积；

i＝为沉陷槽宽度系数，即隧道中心线至沉降曲线反弯点的距离，其中为各土层加权平均后的摩擦角，H为地面至隧道中心的深度。见图2

图3 沉陷槽理论

（2）计算地面沉陷体积的公式见②式：

②

因此，地面沉陷的横向分布公式可改写为③式：

③

（3）隧道地表沉降槽宽度B则按下式计算：

B＝2*2.5i④

由上述Peck沉陷槽计算公式计算地表沉降值如下：

表1Peck法预测地表横向沉降计算值

4 过砂层控制措施

根据实测沉降值，画出测量断面沉降曲线。通过表2、3分析，得出如下规律：

（1）当盾构机工作面在测量断面前大约15m之前，各个测点的沉降值基本为0，即在盾构机前方2.5D（D为盾构机直径）以上时基本无沉降。

（2）当盾构机通过测量断面后10～25m之间位移增加值变小，这说明从这之后盾构机的推进对该断面的影响不大。

（3）位移增加最快的点一般位于盾构机通过测量断面0～12m。在这段距离内，产生的沉降值在5～10mm之间。因此，在该区间（盾尾空隙沉降）要加强观测，以防发生大的沉降。

（4）沉降标准正态分布曲线不是在沉降最初阶段出现，而是在沉降发生的图4所示的第2、3、4阶段出现，大致与正态分布曲线（即Peck公式）描述相符。

在盾构机推进过程中，有时由于其它因素（二次注浆）的影响地表位移还会发生反弹。综合上述表格，可以发现，盾尾空隙沉降、长期延续沉降占到地表沉降的50％以上。

表2地表沉降横向分布图 表3地表沉降分阶段统计

图4 地表沉降纵向分布图

5 地表纵向沉降统计与分析

5.1、施工措施

无论是斜穿机场高速路，还是下穿航油管线、供水管线，以及从雕塑附近穿过，控制的要点均是严格控制地表沉降，保证路面安全及管线、机场标志雕塑安全。故相应施工措施须以保证地表沉降不超限为重点。以下将详细讲述施工准备措施、施工技术措施。

5.1.1检查盾构设备、刀具检查与更换、检查同步注浆系统、泡沫注入系统、聚合物注入系统，确保能用。

5.1. 2 材料准备

做好管片壁后二次注浆准备工作，做到随时可以启动二次注浆措施。对地上搅拌站进行全面检修。对二次（双液）注浆设备进行检修，确保可用。准备6~8个注浆头，准备10~15m长的注浆管并能与注浆头、注浆机连接完好，管片开注浆孔用冲击钻2把。水泥日常储备不少于20t，水玻璃日常储备不少于2t，并确保能随时联系厂家供货。注浆用逆止阀及手孔塞若干。

5.1.3 掘进模式、掘进参数选择及聚合物使用参数

沙层掘进时采取土压平衡掘进模式，遵循微扰动、连续快速通过的原则。

掘进参数：

表4 各项掘进参数具体可参考如下表：

注浆压力：控制在2.0～4.0bar之间，以地表隆起和盾尾漏浆为限制条件。

注浆量：注浆量取环形间隙理论体积的1.2～1.6倍，则每环(1.5m)注浆量Q=4.9～7.0m3。初步确定注浆量为5.6方/环。

（2）二次注浆

为防止赋水沙层造成土仓内水压过高致使螺旋输送机出土时“喷涌”，根据实际情况每10环或20环进行一次二次注浆（双液浆）。水灰比=1.5：1；水泥浆：水玻璃溶液=1：1。

5.2、加强监测信息反馈指导

监测信息既包括现场工程师在掘进过程中严密监控实际土仓压力、实际出土量是否正常、注浆量与注浆压力是否正常，也包括监测人员对地表沉降的监测。当实际土仓压力未达到理论土压力时，则存在掌子面失稳的可能，此时应停止出土，建立土压平衡；当出土量明显大于理论出土量或注浆量增大且注浆压力达不到设定值时，则可以判断盾构掌子面存在坍塌可能或成型管片背后注浆未密实，此时需立即关闭螺旋机出土口停止出土，继续向前推进，建立起土压平衡，同时加大同步注浆量，条件允许时及时进行二次（双液）注浆，以尽早实现管片背后浆液凝结、密实，降低地表沉降风险；当地表沉降监测显示沉降量过大时，亦需暂停出土，建立土压平衡，加大同步注浆或进行二次注浆，道理同上。

6 小结

盾构施工过程确保同步注浆量的充足，及时跟进二次注浆，均可以有效的控制地表沉降值，同时建立平衡模式掘进，严格控制出土量至关重要。

参考文献

[1] 朱伟,秦建设,卢廷浩.砂土中盾构开挖面变形与破坏数值模拟研究[J].岩土工程学报.2005(08):897-902

[2] 张云,殷宗泽,徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析[J].岩石力学与工程学报.2002(03):388-392