砂卵石地层盾构施工地表沉降分析及对策

摘 要 盾构法隧道施工时地表沉降仍然是施工控制中的突出问题之一。砂卵石地层中，由于地质条件的特殊性，地表沉降具有滞后性、隐蔽性、突发性，危害极大，是工程中急待解决的问题。结合成都地铁 1 号线盾构隧道的工程实践，对地表沉降进行监控量测，并对监控数据进行统计分析，找出变化规律，有针对性地采取相应的治理措施，较好地解决了富水砂卵石地层地表沉降问题。
关键词 盾构施工 砂卵石地层 地表沉降 对策

1 概述
      盾构法隧道施工技术以其施工速度快、施工安全性好、工程质量有保障、对周边环境影响小而成为城市地铁隧道施工最佳的工法选择。随着盾构制造技术的逐步国产化，盾构法隧道成本进一步降低，近年来该工法在城市地铁施工中得以大面积推广。但在盾构法隧道施工过程中，地表沉降控制由于受地质水文条件、盾构选型、施工参数、施工经验、施工工艺控制等条件的影响仍然是施工控制中的突出问题之一。特别是在砂卵石地层中，由于地质条件的特殊性，地表沉降具有滞后性、隐蔽性、突发性，为工后埋下了重大安全隐患，处理不当易造成较严重的安全事故。

2 工程实例
2． 1 工程概况
      成都地铁 1 号线 2 标工程起于人民北路站南端，止于天府广场站北端，共三个盾构区间，隧道总长 4 750.21 单线延米。处于成都市区西侧，为川西平原岷江水系Ⅰ级阶地，冲洪积地貌，地形平坦，地面高程 522.37 ～530.60 m。
2． 2 工程水文地质特点
      地铁区间隧道主要穿越卵石土层，局部有砂层透镜体存在。该地层卵石含量 60% ～80%，粒径以20 ～ 80 mm 为 主，夹 零 星 漂 石 ( 最 大 粒 径 约600 mm) ，填充物为中砂及砾石，含量 15% ～ 30% ，具弱泥质胶结及钙质胶结。主要有以下特点: 渣土具有不均匀性，卵石含量高; 渣土内摩擦角较大，流动性差; 单块卵石强度高; 黏聚力小，结构松散，不连续，地层内靠点对点传力，稳定性差。
      成都地下水主要为赋存第四系砂卵石地层中的孔隙型潜水，具有埋藏浅，季节性变化明显，地下水位较高( 约 1.2 m) ，透水性强，地下水不具有承压性等特点。
2． 3 地表沉降现象
      成都地铁1 号线盾构施工实践表明，砂卵石地层受盾构掘进扰动后除表现出正常的掘进后自然沉降外，还存在明显的滞后沉降特点。通常表现为: 盾构施工正常掘进，地层随后发生自然沉降，随着掘进工作面远去，地层沉降逐步稳定，并长期处于无变化状态; 但经过相当长一段时间后，受各种外因诱发，该处地层又突然再次发生沉降，导致地面沉陷、坍塌。
      实际施工中发现，各处发生滞后沉降时间不等，有的地段时隔 1 ～ 2 个月，有的地段则长达半年乃至一年后，沉降现象产生的时间规律性不强，随机性较大。
2． 4 影响及危害
      由于采用现有探测手段难以精确查探出松散砂卵石层位置，因而对盾构掘进过后地层实际疏密状态得不出最直观、最准确的判断，导致砂卵石地层滞后沉降具有明显的隐蔽性、突发性、随机性。由于地铁隧道上方主要为市政道路、管线、房屋建筑等，一旦没有及时将问题地段处理好，地层发生滞后沉降就极易发生地面沉陷、坍塌，引发安全事故。

3 砂卵石地层地表沉降原因及规律
      在盾构隧道施工中，影响地表变形的主要因素大致有线形、盾构外径、覆土厚度等设计条件，此外，施工引起的开挖面崩塌、地下水位变动、推力频繁变动、掘进过程中的超挖、偏离中线、周边地基的扰动、盾壳与土体之间的摩擦、盾尾后的空隙、璧后注浆压力、衬砌变形、衬砌漏水等都可引起地层变形，导致地表沉降的发生。
3． 1 砂卵石地层地表沉降的影响区域
      在砂卵石地层条件下，通过实际沉降监测发现，盾构施工引起的沉降变形范围在纵向上有超前的可能，即在盾构到达的前方土体可能会产生沉降，横向地表沉降基本在盾构掘进上方范围内，而非沿一定的影响线分布。砂卵石地质条件下盾构扰动造成地层损失，呈现一个砂卵石逐层剥离堆积在下层，地表出现一定程度的沉降，通过一定时间的运动变化，外界因素的干扰，会发展到地面，若损失的土体较大，可能会在地表形成一定的沉陷甚至形成一定大小的空洞。
3． 2 沉降过程分析
      盾构掘进时，刀盘前方、上前方的土体经刀盘的切削、扰动松散进入土仓，掌子面上方土体出现空隙、空洞，从而形成地层损失。同时，由于地砂卵石地层内摩擦角较大，土层具有一定的成拱性，形成的空洞会暂时保持一段时间。
      受重力等因素影响，盾体附近空洞顶部土体逐步松散、不断剥落，逐渐填满下方位置，从而使地层损失由盾体附近向上方发展。随着地层损失的不断向上发展，越来越多的密实土体变为较松散土层，空洞大小因而越来越小。正常掘进状态下，空洞在到达地面前就已消失，此时导致地面发生沉降; 当掘进异常，超挖量大、多出渣时造成的地层损失多，空隙在到达地面时还有富余，此时就会致使地面发生塌陷、坍塌事故。此阶段产生的地面沉降具有即时性、一次性，沉降完成后地面迅速趋于稳定。此阶段形成的相对松散地层土体颗粒排布并非最佳，卵石颗粒间含有空隙，但其层内承力卵石骨架体系较连续，土体具有相对的稳定性，在无外因诱导时可长期保持稳定。
      初期沉降后，土体相对稳定，但随着施工掘进面远去或大量降雨过后，地层水位逐渐上升，不断浸泡、冲刷地层。松散地层中的细颗粒在地下水流搬运作用下被不断分解填充到下层松散土体的颗粒空隙中，逐渐将下层松散土体填充密实。而上层松散土体由于细颗粒被不断搬运，其土颗粒间间隙越来越大，最终再次出现较大空隙甚至空洞，并在地下水流作用下快速向上发展，再次在地面释放地层损失，造成地面再次沉降、塌陷。
      沉降受地表水、雨水浸入冲刷影响极大。根据成都地铁 1 号线统计发现，这种再次发生的滞后沉降通常在大雨、暴雨过后发生，发生频率高，沉降量大。一般而言，受强降水影响而产生的滞后沉降，沉降后地层损失基本消除; 而受地下水位自然上涨或轻微降水影响产生的滞后沉降，沉降后地层还可能保留有少量地层损失未释放，甚至可能产生第三次、第四次沉降。地层损失通过滞后沉降释放后，原松散土层受“水夯”密实，土体重塑，可压缩量小，重新满足城市道路承载要求。
3． 3 地面监测资料分析
      以下仅随机抽取两组测量监测数据进行沉降分析。
      ( 1) 采样数据一
      监测点位置: 里程 ZDK23 +950 线路中心线处。掘进到该里程时间: 2010 年 2 月 25 日夜间。其沉降速率如图 1 所示。

      图 1 中，掘进至监测里程前地面稳定，基本无沉降发生; 掘进至监测点位后 1 d 内地面沉降迅速，并以稳定沉降速率沉降，沉降速率约为 5． 5 mm/d; 持续沉降 3 d 后曲线收敛，地面迅速稳定。
      ( 2) 采样数据二
      监测点位置: 里程 ZDK24 +010 线路中心线处。掘进到该里程时间: 2010 年 3 月 5 日白天。其沉降速率如图 2 所示。

      图 2 中，掘进至监测里程前地面稳定，基本无沉降发生; 掘进至监测点位后 1 d 内地面沉降迅速反应，并以稳定沉降速率沉降，沉降速率约为 5． 7 mm/d; 持续沉降 1． 5 d 后曲线收敛，地面迅速稳定。
      通过分析可知，正常掘进状态下，地层第一次沉降( 即时沉降) 反应迅速，掘进后 1 d 内地面就会发生明显沉降，并保持较稳定速率持续沉降。本阶段沉降速率曲线近似于直线，属于匀速沉降; 根据统计资料得出此段匀速沉降时间通常为 2 ～5 d，沉降速率为 5 ～7 mm/d。匀速沉降后，沉降速率曲线迅速收敛，恢复匀速沉降前状态，沉降基本停止，地层已暂时处于较稳定状态。由此可见掘进后第一次沉降即时性强，地层反应快，地层损失释放均匀。根据实际施工记录，第一次沉降后到后期再次沉降( 滞后沉降) 前，地面不再发生沉降，路面等车辆通行不受影响。结合沉降速率曲线收敛后平稳、无起伏现象，可见掘进后如无外界诸如强降雨、外部荷载( 机动车等) 等诱发因素，地面将长期保持平稳、安全。

4 控制措施及对策
      根据以上分析可知，成都砂卵石层滞后沉降产生周期长、突发性强、后期难以发现和监控。因此，必须确立“防控为主，监测巡视为辅，建立有效应急机制”的治理方针，一是掘进过程中严格控制参数，最大限度减小施工过程对地层的扰动，二是掘进中和掘进后的各种注浆措施及时到位。
4． 1 掘进前控制
      掘进前必须做好地面原始高程测量和记录，对盾构即将通过地段的水文地质进行分析，并根据地质条件及地层的物理力学参数，设定盾构掘进参数参考值，确定掘进控制重点、难点。同时，根据地质分析实际情况，做好同步浆液配比调整。在进入重点及困难地段前，提前调整好盾构掘进姿态。
4． 2 掘进中控制
      ( 1) 盾构掘进施工中要保持盾构不停机匀速掘进，尽可能减小对地层的扰动，掘进速度控制在设备能力比较适中的范围，并根据盾构机掘进状态和地层地质情况，对设定的土仓压力、泡沫注入量、刀盘转速扭矩等施工技术参数进行合理的调整，以达到最佳状态。
      ( 2) 施工中严格控制出渣量，设定合理的渣量偏差值，派专人监控分析实际出渣量与理论出渣量差距，同时采用渣土承重方法判断出渣量是否正确。对渣土方量及重量均少于理论数据的要更加重视，及时发现由于地层本身就存在严重松散或空洞导致出渣量少的现象，并加强该范围注浆管理。
      ( 3) 保证同步注浆饱满，采用结合出渣量判断注浆需求量和控制注浆压力方法，最大程度利用同步注浆填充满管片背后的间隙和地层损失，盾构掘进施工的同时，采用双液浆或单液浆进行洞内二次注浆，进一步补充地层空隙; 二次注浆要及时，一般在盾尾 4 ～6 环即开始二次注浆。二次注浆时注浆管尽量穿透同步注浆层，使二次注浆能够到达松散地层中。
      ( 4) 盾构掘进过程中，加强对盾构机主机和后配套设备进行检查、保养和维修，防止设备故障造成盾构停机时间过长，着重对铰接密封以及盾尾密封进行检修，防止密封效果不佳导致注浆浆液压力和注浆量不足。
      ( 5) 盾构掘进过程中控制好盾构姿态，轴线纠偏要做到“勤纠、少纠”，避免大幅度纠偏，以减少过度纠偏造成的土体超挖及对地层的扰动，并严格控制管片拼装偏差，提高隧道成型质量，确保盾尾密封作用，以提高注浆效果，尽量采用耐磨性较高的刀具，减少换刀次数，制订合理换刀计划，选择合适的换刀位置和方案，缩短单次换刀时间。
4． 3 掘进后控制
      盾构通过后要综合分析地质条件、出渣量、注浆量、沉降量、掘进状态等数据，判断某段或某处地层是否存在风险，若判断存在出渣量多、同步和二次注浆效果不佳、沉降量迅速或累计沉降量大等情况，则要对地层采取补充注浆填充和加固的措施，以控制地层稳定和地表沉降。
盾构掘进通过后注浆需要在地面或洞内进行钻孔跟踪注浆，地面可采用袖阀管钻孔注浆、洞内采用顶管注浆方式，地面也可预留袖阀管注浆孔进行注浆。注浆压力和注浆控制根据出渣量情况控制。
4． 4 建立应急机制
      由于滞后沉降隐蔽性强、具有突发性特点，必须建立健全地面滞后沉降处理应急救援机制，预备专用抢险物资及设备，加强全天候地面监测和巡视，发现异常及时处理，以确保安全。

5 结束语
      富水砂卵石地层在盾构掘进后容易发生滞后沉降，施工中必须高度重视，确保地面安全。本文针对滞后沉降形成机理和防治措施进行了一些初步探索和总结，但治理滞后沉降工作任重道远，对完全控制滞后沉降方法还有待进一步探索和研究。

参考文献
1 张凤祥． 盾构遂道施工手册［M］． 北京: 人民交通出版社，200
2 朱永全． 隧道工程［M］． 北京: 中国铁道出版社，2007