盾构机二次掘进对地表沉降的影响

盾构机二次掘进对地表沉降的影响

孔德荣

中铁二十局集团第三工程有限公司

摘要：近年来，土压平衡盾构法隧道施工技术越来越广泛地在全国软土地区应用。然而软土中盾构隧道施工会不同程度地扰动周围地层，进而引起地面沉降，沉降过大时将危及邻近建（构）筑物、地下管线等的安全。为了研究隧道盾构开挖因故暂停后再次掘进所引起的地表沉降监测数据进行统计分析，得出土体变形位移和地表沉降的变化规律，再根据变形监测的数据以及变形发展趋势采取了有效工法和措施控制施工进度，确保了工程的施工安全。

关键词：地铁；盾构隧道；掘进；地表沉降

地铁隧道的盾构施工过程中由于盾构下穿土层的多样性，实际现场操作不确定性，在实际工程中不可避免的会对土层产生扰动，从而造成隧道上方地表沉降，当地表沉降变形过大时将会影响周边建筑和地下设施的正常使用。因此研究盾构施工对地表沉降的影响规律对提前预测地表变形及时采取措施规避具有重要意义。在隧道盾构施工过程中，影响地表沉降的因素有很多，比如地质情况、推进压力、推进速度、注浆量、注浆压力、出土量等[1]。施工期间经常会遇到盾构机在掘进过程中因故障停机，再次启动后进行二次掘进的问题，而伴随盾构机的二次掘进所引发对土体的二次扰动，往往是导致地表沉降过大的重要原因。

一、慨述

随着城市地铁的不断发展，盾构法施工具有对地面影响小，对周边建（构）筑物损坏轻，能够适应多种困难地质条件，施工效率高，污染小等众多优越性因而被广泛应用于各个城市的地铁建设中。但盾构法施工下穿隧道是在无限岩土体内部空间进行的，还是不可避免的会对地层产生扰动，从而引起地表的隆沉，当地层变形过大时还会危及周边建筑和地下管线设施的安全，可能造成一定经济损失和安全事故。盾构法施工是一种全机械化的暗挖施工方法，它依靠一个圆柱体钢组件在地下沿设计的轴线，边切削挖掘岩土体边向前推进。盾构机最外面的圆柱体组构件外壳为护盾，它起着对挖掘出的但还未衬砌的隧道段起着临时支撑的作用，承受土层和地下水的压力，防止向内坍塌。稳定开挖面是其工作原理的主要方面，它与挖掘与排土，衬砌和壁后注浆构成盾构施工的三大要素。施工中采用的土压平衡式盾构主要有两种，分为泥土加压式和削土密闭式，盾构机在掘进过程中依靠盾构千斤顶使前方的盾构刀盘挤压前方开挖面土体，同时刀盘旋转切削土体，切削下来的渣土通过进入刀盘后方的的贮藏土仓，同时通过螺旋输送机排出，土仓压力和土仓的排土速度控制着盾构机的刀盘压力和掘进速度。施工中主要靠盾构机的千斤顶推进，力土仓压力和排土的速度控制盾构掘进中刀盘压力与土压力之间的平衡，从而减少对土体的扰动，防止地表变形过大。

二、概况

该区间采用土压平衡盾构机进行施工，属于长路线、大直径盾构施工，工程风险等级为三级。盾构区间左、右线里程为：区间线间距为13.75～19.90m，覆土厚度为10.77～15.9m。区间线路两侧为普通住宅区及低层商业楼，地处闹市区，地面交通量大，地下管线复杂，盾构施工难度大因此监测工作要求高。

1、监测目的。地下隧道采用盾构法施工对地层稳定性的影响是个渐变的过程，可直接通过地层结构产生的位移和变形反映出来，当这种变形值或者变形速率超出一定范围时，就会对地层结构产生破坏，并影响到上方地表和邻近建构筑物的安全。通过开展监控量测工作可以有效地掌握施工过程中地层的变形及对周边环境的影响，对存在的安全隐患或可能发生的事故在尽可能早的时间作出预警，并及时采取措施，对风险进行有效控制，避免安全事故的发生，从而保证施工过程中工程本身的安全和减少对周边环境的影响。通过该区间施工过程中，盾构机二次掘进产生的地表沉降进行监控量测，掌握施工期间周边环境动态，为施工提供参考依据，进而制订和实施相应的施工措施，来确保地表、地上建构筑物、地下管线的安全和正常使用。

2、监测方法及数据采集，该盾构区间使用Trimble电子水准仪进行地表沉降监测工作，采用附合水准路线形式进行往返监测。在监测地表沉降过程中，采用二等水准测量的监测方法，监测数据符合《工程测量规范》的要求。点位应布置在最能反映地表沉降动态的区域内。监测范围为隧道结构外沿两侧各30m内，沿盾构轴线方向在盾构机前后各50m范围内选取一定数量沉降监测点作为研究对象。周围环境复杂和建构筑物、管线密集区域沉降监测点可适当加密。监测点布设完毕且稳定后采集数据，初值的采集不少于3次，取平均值作为初始监测值，并且于盾构施工前采集完毕。各测点的沉降量由2次测得的监测点高程值之差计算得出，即：△H＝H2－H1。

3、监测数据处理。监测完成且数据检查合格后应及时处理数据，使用水准网平差软件进行严密平差，随施工的进行绘制量测数据的时态曲线位移-时间曲线和速率-时间曲线是数据处理的基本方法，也是竣工文件中必不可少的一部分。绘制位移量U随时间t的变化关系图，可以清楚地表达出各物理量在某个时间段或者时间点的变化范围、变形趋势。当该曲线趋于平缓时，进行回归分析，以推算出最终沉降量。地表沉降点的沉降值Δht等于沉降点与基点间高差Δh在时刻t的改变值，即：

4、监测数据统计及分析

通过对隧道区间地表沉降历程进行统计分析得出该盾构工程的沉降规律。为重点分析盾构机二次掘进对地表沉降的影响分析。

1）盾构正常掘进期。在盾构机前后各50m范围内选取最能反映掘进时地表沉降动态的地面监测点进行监测，并对隧道地表沉降监测数据进行盾构机掘进期间地表沉降值最大点为DB1-12，以该点为代表分析观测时间与累计沉降值的关系，如图所示。

由图可以看出，地表沉降点DB1-12在盾构机正常掘进期间沉降值增长缓慢，基本发生在盾构通过该点的时间段，累计沉降值为-2.55mm，日平均沉降值为-0.26mm，最后形成平缓曲线并趋于稳定。经检验各项指标符合规范要求。

2）盾构二次掘进期。在盾构机前后各50m范围内选取最能反映掘进时地表沉降动态的地面监测点进行监测，并对隧道地表沉降监测数据进行盾构机掘进期间地表沉降值最大点为DB2-5，以该点为代表分析观测时间与累计沉降值的关系可以看出，盾构机二次掘进期间地表沉降值相对于正常掘进期间明显增大。地表沉降点DB2-5累计沉降值为-5.26mm，日平均沉降值为-0.53mm，个别时间点甚至出现沉降速率超标现象。在盾构机二次启动后第1d监测沉降速率最大，沉降速率超标速率控制值-2.0mm，预警值1.4mm。3d后曲线开始趋于平缓，累计沉降值变小，符合控制要求。

5、监测结果分析。在整个施工监测过程中，盾构区间地表监测点累计变化值没有超过控制值，单天较大变化速率发生在盾构机二次启动通过该监测点时，当盾构机通过该点之后，速率变化开始减小并趋于稳定。通过数据对比分析得知，对于盾构机正常掘进期对地层的扰动，盾构机暂停后再次启动的二次掘进对地层稳定性影响更大，地表沉降速率明显增快，累计沉降值明显增大，个别点位甚至出现速率超标预警。

结论

通过对该工程盾构机二次掘进施工监控量测数据的整理及分析，为盾构隧道安全施工和风险控制提供了一些必要的数据和技术依据，得出地表沉降一般变化规律及趋势，并加以预测、判断施工安全性，及时根据变形监测数据以及变形发展趋势采取有效工法和措施控制施工进度，确保了工程的施工安全。

1）尽量避免发生盾构机掘进期间停机，以免造成盾构机的二次掘进，对地层扰动加大以至于引发过大的地表沉降值；

2）在不可避免出现盾构机二次掘进的情况下，应采取降速稳压、及时注浆等措施，以减小盾构机对地层的扰动，控制地表沉降值使其符合要求，才能保证隧道施工安全。

参考文献：

[1]魏新江，周洋.小半径、大坡度盾构隧道施工力学特性研究[D].中南大学，2013.

[2]胡正红，王森剑.盾构320m小半径曲线管片姿态控制技术[J].中华民居，2013（7）：15.

[3]陈龙，张凯，贺婷.盾构近距离下穿地铁运营隧道施工技术[J].隧道设，2012，28（4）8