浅谈严重液化粉土层盾构施工沉降控制论文_卢昊

摘要：在盾构施工中控制下区间沿线地面、建构筑物沉降满足规范要求，以减少因地面、建构筑物沉降过大导致安全事故的发生。开面支护压力控制，同步注浆效果控制是降低盾构施工对地面及建构筑物产生沉降的关键因素。

严重液化粉土层中合理设定掘进土仓压力、控制同步注浆能否及时、有效填充管片外间隙可降低液化地层施工地面沉降量。土圧系数的选取决定了土仓压力，同步注浆效果取决于浆液的配比和注入量决定。本文结合天津地铁5号线R3合同中医一附院站～李七庄盾构井区间工程，盾构施工穿越严重液化粉土地层施工中，采取调整盾构掘进土压，同步注浆配比，注入量有效的控制地面沉降，总结出适用于天津地区严重液化粉土地层盾构施工中掘进施工控制参数。

关键词：液化粉土地层；盾构施工；土压设定；同步注浆；沉降控制

1引言

随着盾构法隧道在世界范围内的兴起，中国从二十世纪五六十年代也开始引进了盾构法施工技术。随着盾构技术的推广和应用，工程人员对盾构法施工在不同地质层掘进施工过程遇到的各种问题的研究也日益深入。在我国华东沿海地区城市隧道盾构工程，施工中经常会遇到饱和含水粉砂液化地层，已有了一定的施工经验和技术积累，但针对液化粉土地层的研究甚少。如何降低盾构施工中引起的地面、建构筑物等沉降是地铁建设中的重点，特别是在严重液化粉土地层盾构施工开挖面支护压力的控制，正得到专家、业主、设计、监理及各施工方的重视。下面结合天津地铁5号线R3合同中医一附院站～李七庄盾构井区间工程，针对天津地区严重液化粉土层进行盾构施工沉降控制要点分析。

2工程概况

2.1区间设计情况

中医一附院站～李七庄盾构井区间设计起止里程K32+874.825~右DK33+990.000（左DK33+997.174），其中右线全长为1115.175米，左线全长为1130.358米。区间左右线平行设置，纵断面采用V字型坡，最大坡度18‰，区间覆土厚度10m～16m，区间线路呈南北走向，自中医一附院站南端头井始发，至李七庄盾构井接收。区间设置一处联络通道兼泵房。

区间平面图位置如图2.1中医一附院站～李七庄盾构井区间平面示意图。

2.2区间地质情况

区间隧道穿越主要地层③2液化粉土、⑥4层粉质粘土、⑦层粉质粘土、⑧1、⑨1粉质粘土层，上部为③1粉质粘土层。

区间地质剖面详见图2.2中医一附院站～李七庄盾构井区间地质剖面图。

图2.1 中医一附院站～李七庄盾构井区间平面示意图 图2.2 中医一附院站～李七庄盾构井区间地质剖面图

从区间地质剖面图可以看出，③2液化粉土贯穿整个区间隧道，并包围在隧道管片周围，因此可认定本区间场地属中等～严重液化场地。

3严重液化粉土层盾构土压控制和注浆效果的重要性

若盾构施工不能最大化降低对其产生的扰动或是对其扰动无法有效控制，从而诱发大面积的地面沉降直接影响道路及下穿建构筑物稳定，从而导致安全事故的发生。

图2.1 中~李区间盾构穿越液化软土层出土照片

3.1土压控制直接影响切口沉降

土压平衡盾构推进过程中开挖面的稳定是靠土仓压力的平衡来实现的，土仓压力的设定以开挖面土体的埋深、饱和容重、土压力系数为依据。在严重液化土层中，其力学物理性质与不同土层有着质的不同，特别是土压力系数。如果土压力系数选取不当，计算出的土仓压力对液化土层扰动较大，将导致盾构开挖面失稳，切口前方产生大面积沉降。

3.2同步注浆效果影响后续沉降

如同步注浆不能有效填充施工中成型管片外侧间隙，盾构机通过后沉降在原来基础上再次加大。特别是液化地层中在盾构掘进过程中已产生一定扰动的沉降后，即使加大注浆量也无法控制地面沉降，甚至会加大对液化土层的扰动。

4严重液化粉土层盾构施工控制措施

4.1理论公式

（1）土仓压力

P=K×γ×h（单位：Kpa）

P——平衡土压力（包含地下水）

γ——土体的平均容重，本工程取20.1kN/m3；

h——隧道埋深，施工中区盾构机中上部土压计至地面的垂直距离；

K——土体静止土压力系数，天津一般地层施工取0.6-0.75。

（2）同步注浆

V=π（D1-D2）2÷4×B

V——理论建筑空隙；

D1——盾构机开挖直径，采用盾构机开挖直径6341mm；

D2——管片外径，区间使用管片外径6200 mm；

B——管片宽度，区间使用管片宽度1500 mm。

此值为每环理论注浆量，同步注浆量一般为理论注浆量的130%-180%。压力控制在0.2-0.5Mpa。

4.2施工参数的选取

在盾构机穿越出中医一附院站端头井加固土体后，根据天津地区以往盾构施工经验进行土仓压力、同步注浆压力、注浆量设定，同步浆液选取了高含砂率的单液浆。地面出现大面积沉降，最大累计沉降量接近20cm。为了保证后续顺利施工，我们进行了四个阶段的掘进施工试验和数据总结，主要如下：

（1）初期阶段，

此阶段施工我们未考虑土层液化，根据以往施工经验，设定土压力系数K=0.6~0.7，盾构机出加固土体后覆土13m，土压力控制在160~180KPa。

同步浆液采用高含砂率（900Kg/m3）的单液浆，采用此配比进行施工，注浆量7m3左右。注浆压力上限控制在0.6~0.7MPa。盾尾注浆采用左上和右下两个注浆孔同时注入。

同步注浆浆液配比如下：

表4.1 同步浆液配比一（m3）

20环开挖面的监测点数据如图4.1所示：

图4.1 右线20环地表隆沉监测曲线图

根据第20环的监测数据来看，当土压力系数K选取0.6~0.7时，盾构开挖面产生约3mm沉降，在盾构机到达20环的监测点下方时，沉降量已经累计到16mm，盾构通过后，地面沉降达177mm。据此得出，以常规土压力系数计算出的土仓压力，在严重液化土层施工中导致了开挖面失稳；通过管片壁后取芯，发现管片壁后浆液不均匀，说明浆液流动性差，不能有效填充管片外侧建筑空隙。

（2）第二阶段

根据第一阶段监测数据显示。在液化地层中土圧系数K的选取值较小。第二阶段施工时，将土圧系数提高至K=0.85，开挖面处在39环的监测点位置时，埋深为13.3m，计算出土仓压力为225KPa—230KPa。

同步浆液降低含砂率（400Kg/m3），增加粉煤灰、膨润土用量添加石膏，提高浆液的流动性和保水性。采用此配比进行施工，注浆量降低至6m3左右，注浆压力上限控制在0.6MPa。盾尾注浆采用左上和右上两个注浆孔同时注入。

同步注浆浆液配比如下：

表4.2 同步浆液配比二（m3）

39环开挖面的监测点数据如下图所示：

图4.2 右线39环地表隆沉监测曲线图

根据第39环的监测数据来看，当土压力系数K选取0.8时，盾构开挖面产生约2.2mm沉降，在盾构机到达39环的监测点下方时，沉降量已经累计到10mm，盾构通过后，地面沉降达76mm。据此得出，土压力系数K取0.8计算出的土仓压力进行掘进施工，虽然地面沉降有所好转，但是依然不能达到设计允许范围之内；通过管片壁后取芯，发现管片壁后浆液填充密实，地面沉降有所好转，但仍不能满足盾构施工要求。

（3）第三阶段

项目决定大幅提高土圧系数K值，调整土圧系数K=1.05，开挖面处在56环的监测点位置时，埋深为13.7m，计算出土仓压力为290KPa。

适当提高含砂率（700Kg/m3），降低粉煤灰用量，浆液总比重不变。采用此配比进行施工，注浆量降低至6~6.5m3左右，注浆压力上限控制在0.6MPa。盾尾注浆采用左上和右上两个注浆孔同时注入。

同步注浆浆液配比如下：

表4.3 同步浆液配比三（m3）

56环开挖面的监测点数据如下图所示：

图4.3 右线56环地表隆沉监测曲线图

从56环的监测点数据显示，在土压力系数K取1.05时，切口隆起1.5mm，没有产生沉降。但随着盾构推进，当监测点位于盾构机上方时，已有1mm的沉降。说明K=1.05时计算出的土压力较高，高土压造成开挖面液化土层局部的不稳定，带来小幅度沉降；通过管片壁后取芯，发现管片壁后浆液填充密实度相对第②阶段差，地面沉降无明显好转，再次验证浆液流动性的重要性。同步注浆较难抑制，后续的沉降变化较快。

（4）第四阶段

总结前三次的经验，调整土压力系数，取K=0.9，开挖面处在158环的监测点位置时，埋深为16m，计算出土仓压力为290KPa。

同步浆液大幅降低含砂率（100Kg/m3），提高水泥、粉煤灰、膨润土用量，添加HD-J外加剂，此种浆液具有较好的的流动性和保水性。采用此配比进行施工，注浆量降低至7~7.5m3左右，注浆压力上限控制在0.6~0.7MPa。盾尾注浆采用左上和右上两个注浆孔同时注入。

同步注浆浆液配比如下：

表4.3 同步浆液配比三（m3）

158环开挖面的监测点数据如下图所示：

图4.4 右线158环地表隆沉监测曲线图

158环的监测点数据反应，在土压力系数K取0.9时，切口有0.5mm的微隆起，没有产生沉降。随着盾构推进，当监测点位于盾构机上方时，仍有0.3mm的微隆，通过管片壁后取芯，发现管片壁后浆液填充密实，且地面沉降明显好转同步注浆也可以满足沉降要求，后续施工的沉降数据在可控范围之内。说明K=0.9时计算出的土仓压力适合严重液化土层开挖面的控制要求，此时土压没有对开挖面液化土层带来较大扰动。

后续施工，盾构土仓压力系数K选取0.9-1.0，同步注浆浆液采用浆液配比四进行拌浆施工，施工过程顺利，沉降控制效果良好，保证了周边建筑和地下管线的安全。

4.3沉降控制措施

（1）合理选择土压系数，设定土仓压力

在严重液化地层盾构施工时，土仓压力偏低导致欠挖，开挖面必然失稳；以正常土圧系数计算出的土仓压力，实践证明开挖面同样失稳，造成局部沉降；施工中高土压推进过程中，开挖面短时间局部隆起，工后大面积沉降，说明高土压推进同样对液化土体造成扰动，导致液化土体失稳。根据试验段施工总结，土压力系数选取K=0.9时计算出的土仓压力，在液化土层施工中地表沉降量最小，在可控范围内。

（2）有效填充管片外侧孔隙，控制后续沉降

液化地层施工中，同步注浆速度（即填充能力）一定要配合盾构掘进速度，因此在保证注浆速度是盾构施工进度的控制重点，同步注浆填充能力不足，沉降立即产生，二次注浆或多次注浆效果不大。与硬质地层施工不同，在土体自持能力作用下，还有一定时间来压浆弥补。液化地层必须保证注浆的及时性。浆液注入比为280~300%。注浆压力宜控制在0.6~0.7MPa，终止注浆压力不能大于0.7 MPa。

5结论

本文结合天津地铁5号线中～李区间工程，针对天津严重液化粉土地层中，盾构施工开挖面支护压力的控制，实践研究出对液化地层扰动较小的土仓压力系数。根据不同的埋深位置，总结出在液化地层盾构施工设定开挖面土仓压力时，土压力系数K取0.9~1.0，K值随埋深增大而增大。由此计算出的土仓压力盾构开挖面隆沉稳定，对盾构后续穿越建构筑物施工奠定了良好的基础。

同步浆液采用具有较好的的流动性和保水性浆液，可保证同步注浆的及时性，控制后续沉降量。

严重液化粉土地层中盾构施工通过采取以上措施可有效的控制地面及建筑物沉降，防止大面积沉降导致安全事故的发生。

参考文献：

[1]盾构法隧道施工及验收规范

[2]唐益群 《土压平衡盾构在砂性土中施工问题的试验研究》 2005.01

[3]张庆贺《盾构推进对土体的扰动规律的研究》2007.08

论文作者:卢昊

论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期

论文发表时间:2020/4/8

标签：盾构论文;  浆液论文;  压力论文;  注浆论文;  管片论文;  区间论文;  系数论文;  《基层建设》2019年第32期论文;