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摘要：本文讲述了地铁盾构施工如何通过有效的措施将地层沉降控制在规范允许的范围内，避免对地上地下的建（构）筑物、管道、光缆电缆和周围环境等造成损害。对引起的沉降的原因进行分析，掌握沉降的变化规律，制定并实施有效的预防和控制技术措施。
关键词：盾构施工；地层沉降；预防及控制
一、前言
盾构施工已经广泛应用于地质较差地段的隧道施工,但地层沉降一直以来都是盾构施工风险控制的重点。如何通过有效的措施将地层沉降控制在规范允许的范围内，避免对地上地下的建（构）筑物、管道、光缆电缆和周围环境等造成损害是盾构施工的重中之重。要做好地层沉降的预防与控制，就必须首先对引起的沉降的原因进行分析，掌握沉降的变化规律，制定并实施有效的预防和控制技术措施。
二、地层沉降影响因素
在盾构隧道施工中，由于施工改变了原有地层的应力状态，扰动了周围岩体或土体，从而导致地层发生沉降。然而引起地层沉降的因素很多，并且随着施工情况的改变而发生变化。通过对以往施工的总结，地层沉降影响因素主要归纳如下：
1、穿越地层情况较差。地层中含有丰富的地下水、孔隙率大、裂隙发育、开挖面土体自稳性差或遇水容易软化等一般情况；还有地层中存在暗河、溶洞等特殊情况。
2、土压或泥水压力不足。在施工前，通常会对地层做初勘和补勘，但由于受地面条件的影响，不能准确反映地层的详细情况，往往会导致理论计算的压力与实际所需的压力产生偏差。
3、泥膜质量不达标。泥膜质量包含泥浆的质量和泥膜的制作工艺，现场把控的技术难度较大。
4、扰动刀盘部位土体。在盾构推进过程中，出现刀盘刀具损坏较为严重、刀盘结泥饼和洞体土体裹住盾体等情况，导致推进速度慢，刀盘反复转动而扰动刀盘正面或周围土体。
5、盾构机频繁纠偏。测量偏差和盾构机操作手不熟练都有可能造成盾构姿态反复调整，频繁纠偏。
6、管片背后注浆不密实。浆液的质量存在问题、注浆量和注浆压力控制不佳、对超挖量与注浆量的判定不准确、盾尾漏浆情况等都有可能导致管片背后注浆不密实。
7、衬砌管片漏水。在正常段隧道内一般为渗水，但在联络通道部位和进出洞端头常常会出现较大量的漏水现象。
三、地层沉降变化规律
地层沉降分为纵向沉降和水平沉降。其中纵向沉降是盾构施工关注的重点。根据盾构掘进过程中所处的位置纵向地层沉降变化分为前期沉降、开挖面前沉降、通过时沉降、尾部空隙沉降、后续沉降等五类。如下图所示
前期沉降：发生在盾构到达断面之前，由于地下水位降低产生，原有地层发生固结沉降。
开挖面前沉降：盾构通过该断面前，如果盾构控制土压或泥水压不足，开挖面正前方会产生土体弹塑性变形引起地层沉降或隆起。
通过时沉降：发生在盾构通过该断面时，由于超挖、纠偏、盾体外壁与盾体周围土体的摩擦等原因而发生地层沉降或隆起。
尾部空隙沉降：盾构通过该断面后，由于间隙填充不饱满产生的弹塑性变形引起地层沉降或隆起。
后续沉降：盾构通过该断面后长时间，由于盾构掘进造成的地层扰动和松弛引起后续沉降。
四、地层沉降预防与控制技术措施
根据盾构施工的不同阶段，地层沉降预防与控制技术措施划分为事前预防、事中预防与控制和事后控制。
（一）事前预防即在盾构施工前进行的预防措施，在盾构达到前（含影响范围）已经施工完成。事前预防包含地层加固、地层降水或两者结合，一般采用以地层加固为主的措施。
地层加固方法有高压旋喷桩、袖阀管注浆加固、水泥搅拌桩、大管棚注浆加固、素混泥土桩、钢筋混泥土隔离桩、冷冻等等。根据工程的特点、地质情况、场地情况选择适用的方法进行地层加固。加固施工应根据现场试验调整施工参数和浆液配比，注浆材料应根据施工需要选择适合的材料，常用的注浆材料包含水泥浆、双液浆、聚氨酯、AB液等化学浆液。
（二）事中预防与控制即在掘进施工中所采取的预防和控制措施。事中控制是掘进施工中最关键的过程控制，应根据掘进时的实际情况采取有针对性的应对措施。
1、洞内超前土体加固。洞内超前加固土体的方法在国内应用较少，但在广深港高铁826标穿越溶洞区（长200m）应用比较成功，截止目前为止左线已穿越溶洞区38%，右线已经完全穿越溶洞区，取得良好的成果和施工经验。超前加固注浆的方法：采用超前钻探孔，将钻杆退出，换成注浆管，采用盾构机自带砂浆泵向刀盘前上方注入水泥浆进行地层加固，注浆压力从低到高，间歇、反复压浆。超前注浆加固如下图所示
2、土压或泥水压力应设置准确。压力设置对盾构施工至关重要，应依据地下水的水位高度和岩层特性进行理论压力计算，但在计算过程中采取的地下水位会在不同时段不同季节都会产生变动，岩层的勘测情况不够准确，因此计算的压力只能作为压力的参考值。在施工过程中，必须通过地面监测的沉降变化情况对压力不断进行修正，得出比较准确的压力值。在掘进过程中泥水盾构注意控制泥浆密度和粘度，土压盾构注意渣土改良，使盾构机在掘进中能对排渣进行良好的控制，以避免压力的波动。
3、泥膜效果必须达到良好。泥膜的质量控制在于泥浆指标的控制和泥膜制作工艺的控制。例如在广深港客运专线ZH-4标小盾构施工中的应用，泥浆在新浆置换后保压前，开挖舱内泥浆的控制指标如下：
泥膜制作工艺应按照制作规程，严格把控洗舱标准、设置刀盘转数和转动时间、设置保压压力和保压时间。
4、对出渣量必须进行严格控制。土压盾构出渣量的控制方法为重量控制和容积控制两种。重量控制是通过龙门吊的称重装置，对每环的出土重量进行计量；容积控制是通过渣土车标上刻度，能比较准确的统计每环渣土的体积。泥水盾构采用进排浆流量和密度对出渣量进行计算，与盾构机PDV内的物料开挖量进行对比，判定是否有超挖现象。
5、尽量减小对刀盘部位土体的扰动。刀盘部位土体扰动是掘进速度过慢而引发的，导致速度过慢的因素主要有两种，一种是刀盘刀具损坏较为严重、刀盘结泥饼，处理措施：①采用泡沫、膨润土、高分子聚合物等添加剂改良渣土的和易性，防止损坏刀盘刀具和刀盘结饼。②加强对掘进参数进行分析，发现异常及时进舱检查刀具和清理泥饼，防止情况进一步恶化。另一种是盾体周围土体裹住盾体，总推进力不足以使盾构机快速前进，处理措施：通过盾构机前盾和中盾的径向注浆孔向盾体四周注入克泥效、膨润土浆液、油脂等润滑剂，减小盾体外壁与盾体周围土体之间的摩擦，从而提高有效推力，推进与润滑剂同步进行为最佳。例如在广深港826标和550大盾构施工中，多次采用通过径向孔注入克泥效和黏度大于60S的膨润土浆，并取得了成功。盾体周围注入克泥效和膨润土浆如下图所示
6、保持良好的盾构姿态，防止频繁纠偏。为确保盾构姿态符合要求，首先测量人员应加强盾构复核测量，防止因移站、仪器支架振动、激光靶移位或其他测量仪器不精确等问题导致盾构姿态偏差过大；其次盾构机操作手应根据VMT情况合理分配各区推进油缸油压，防止盾构摆动幅度过大。
7、同步注浆管片背后必须饱满。主要措施：①根据地层的稳定性和含水情况，合理调配浆液的初凝时间。②注入时浆液不能离析，且流动性能良好，不会有堵管等现象的发生，能确保注浆连续。③加强盾尾刷的保护，同时确保盾尾油脂的注入量和注入压力满足要求，防止盾尾漏浆。④注浆过程中注意观察开挖舱的压力变化，防止浆液流入开挖面。⑤注浆管理必须执行注浆压力和注浆量双控原则。
8、及时对漏水部位进行封堵。发现有漏水现象，应安排专业人员采用注入水泥浆、双液浆、聚氨酯、环氧树脂等等方式进行漏水点封堵，防止长流水。
（三）事后控制即在盾构通过后（影响范围外）采取的控制措施。事后控制主要有以下几种措施。
1、洞内二次注浆。二次注浆是在同步注浆初凝后，采用电钻钻孔注浆孔，通过管片注浆孔向地层内注入浆液。二次注浆主要是对同步注浆不密实或干缩部位进行补充和加强，注浆过程中压力略高于同步注浆压力。注浆材料主要有水泥浆、双液浆、聚氨酯等，根据施工需要选择适用材料。
2、洞内顶管注浆。因施工工艺比较复杂，在隧道施工很少采用，但适用于特殊地段和砂卵石层。施工流程： 选择钻孔位置→钻机就位→水钻钻孔→安装孔口密封→顶管施工→拆除密封→割除注浆管→孔口封堵。钻孔及安装孔口密封如下图所示
3、回填砂、砂浆或细石混凝土。适用于塌方至地面或地层中有较大的空洞。如塌方至地面应采用直接回填的方式进行处理；如地层中有较大空洞，注浆短时间内无法处理时，应采用钻机在地面进行钻孔，空洞处钻孔不少于2个，采用灌浆法进行处理。
4、进行跟踪注浆。适用于建（构）筑物沉降超标或持续沉降，根据施工的实际情况合理布置钻孔位置、布置形式及孔深，成孔后采用袖阀管或钢花管进行注浆，防止建(构)筑物进一步沉降。
五、结束语
综上所述地层沉降在盾构隧道施工中是不可避免的，关键是将沉降控制在规范允许的范围内。在今后的施工中应加强沉降监测，发现沉降及时分析原因，制定有针对性的策略，减小沉降控制风险。
参考文献
[1]周文波，《盾构法隧道施工技术及应用》，中国建筑出版社，2004，304
[2]田世文，杜新飞等，北京地铁10号线盾构下穿既有建筑物的控制措施，施工技术，2008
[3]GB 50446-2008 盾构法隧道施工与验收规范，中国建筑工业出版社，2008
论文作者:葛红超
论文发表刊物:《基层建设》2017年第15期
论文发表时间:2017/9/29
标签：盾构论文; 地层论文; 注浆论文; 压力论文; 浆液论文; 措施论文; 情况论文; 《基层建设》2017年第15期论文;