1、-土壓平衡盾構施工地層沉降控制技術卓普周1 概述土壓平衡盾構由盾殼、刀盤及刀盤驅動裝置、密閉土艙、盾構千斤頂、螺旋輸送機、管片拼裝機械手、自動導向系統、盾尾密封裝置和人閘等組成，根本工作原理為：盾殼支承著圍巖并保護著刀盤旋轉，在千斤頂推力的作用下，刀盤上被切割、破碎的碴土，經過開口進入密閉土艙，當密閉艙的泥土壓力與開挖面壓力取得平衡的同時，端部伸入土艙下部的螺旋輸送機排土，控制螺旋輸送機的轉速或者盾構機的推進速度，到達土艙的泥土壓力與開挖面壓力的動態平衡。碴土通過電瓶車拖碴車運至洞外。國外實踐說明，即使在當前盾構施工技術日趨完善的今天，在掘進過程中也難以防止地面隆陷及地層水平位移情況的發生，客

2、觀因素主要有：地質勘探資料與土層實際情況存在偏差，且地質情況往往復雜多變；由于規劃不利，盾構隧道經常近距離的從大量地面建筑物根底下面通過；在一些老城區，隧道上方分布著許多建筑年代長遠的對地層變形十分敏感的地下構筑物、地面建筑物；盾構施工是一個系統工程，施工中間環節多、影響因素多，稍有不慎，容易出現控制不到位的情況；掘進施工本身就是一個主動對圍巖擾動的過程；現在對環境控制的要求越來越嚴格等。由盾構施工引起的地層沉降過大時，可導致地表建筑物傾斜、開裂、倒塌；地下管線斷裂；地面凹陷、隆起；橋面開裂等。引起的地層水平位移過大時可能引起地下樁基偏移及管線與通道錯位，甚至毀壞，對周圍環境產生了不利影響。因

3、此有必要對盾構施工引起的地層變形情況進展研究，提前采取相應的預防措施，使施工平安順利進展,周圍環境少受影響。2盾構施工引起地面沉降原因分析通過對盾構施工過程的分析，可得盾構施工引起地面沉降的原因主要有以下3個：21盾構掘進時的地層損失掘進時地層損失的產生主要有4個方面的原因：1刀盤前方土體的水土壓力沒有得到及時有效地平衡，使盾構前方土體被迫處于不穩定狀態。這種地層損失極為有害，是地面沉降產生的主要原因之一。2管片外側與土層之間的間隙沒有及時有效地充填，產生地層損失，出現地面沉降。1管片要在盾殼安裝，而盾殼為了抵御周圍地層的水土壓力勢必需要一定的厚度，其鋼殼的剛度才能滿足抵擋水土壓力的要求，此厚

4、度一般為58cm。2土層可能存在軟硬不均等現象，為降低盾構機掘進時的姿態偏差的影響，在管片安裝時，需在管片與盾殼之間留有一定的間隙，一般約為3cm左右。3單從機械技術角度而言，盾構機千斤頂的推力可以做到很大，然而管片砼的抗壓強度是有限的，因此在依靠已拼管片提供反力的情況下，盾構機的推力不可能設計得很大，為了減少推進時周圍地層對盾殼的摩阻力，降低千斤頂推力的設計，一般將盾體做成梭形，即由刀盤向盾尾做成前大后小的梭子狀，以利于盾機推進時減少摩阻力，盾體前后半徑一般相差在35cm左右。4盾體長度為8m左右，因此即使在設計有鉸接裝置的情況下，在轉彎時要使盾體能順利完成轉彎施工，常常需要進展一定的超挖施

5、工。5掘進時刀盤切削土體連帶的擴孔效應。綜合以上15，可知管片外側與土體之間的間隙一般約在11cm左右，這種間隙的存在是必然的，由此產生的地層損失可通過同步注漿等施工措施得到彌補，但如果得不到及時填充、或者填充不飽滿等，管片周圍地層產生將產生沉降。3改變推進方向：盾構在曲線推進、蛇形糾偏、抬頭、栽頭過程中，實際開挖斷面不是圓而是橢圓，盾構的殼板與圍巖之間不均勻摩擦，引起地層損失，出現地面沉降。盾構軸線與隧道軸線偏角越大，則對土體擾動和超挖程度而引起的地層損失也越大。4其他因素：在盾構處于停頓狀態或管片拼裝過程中由于液壓閥止鎖作用不好，導致盾構后退，以致盾尾密封裝置不佳，導致土砂從盾尾流入隧道造

6、成砂土或水滲漏，加大了地層損失。或者由于螺旋輸送器密封及止水性能不佳、土艙土體改良不善，致使前方土層中的地下水從螺旋輸送器大量涌出，造成地層損失。22 隧道周圍地層受到擾動或剪切破壞后的再固結。比方同步注漿對地層的擠壓等。23局部地段存在軟弱圍巖，使得盾構隧道成型后在車輛荷載等的作用下有可能產生不均勻沉降。3*盾構法隧道施工地層沉降概況*盾構隧道埋深 8.8 m 13.6m，掘進地層以全風化、強風化、中風化地層為主，隧道上覆地層為雜填土、粉質粘土、砂層，地下水位1.5米左右。隧道管片徑5.4m，外徑6m，管片寬度1.2m，采用通縫拼裝，管片注漿采用注漿孔及時注漿方式，本段采用土壓平衡盾構機進展

7、施工。施工期間地面沉降點如下布置：橫向監測斷面間距2030m，特殊地段據實際情況調整。同一斷面在隧頂中心、兩隧道中間及隧道側邊以外56m布點，此段共主要布設32個測點，測點編號S6040S6072。施工期間除一點的沉降值達31.5mm，其余絕大局部測點沉降值均在mm以，周邊建筑物、城市道路等根本未受影響，施工過程中在平均每天810米的掘進速度情況下均處于平安狀態,產生了良好的社會效益。4 盾構隧道施工地表沉降量測結果分析4.1盾構施工過程中地面沉降的變化規律1就引起的地層變形特征來說，盾構法與其它暗挖法的區別不是很大，且縱向、橫向沉降曲線與PECK公式計算的理論沉降曲線比較接近。如圖4.1-1

8、、圖4.1-2所示的縱、橫向沉降槽曲線特征與礦山法施工的根本相當，也與PECK公式計算的理論沉降曲線特征接近。由于盾構法施工時，直接用鋼殼及頂推力來保持圍巖的穩定,因此從支護的效果及支護速度方面來講，比礦山法施工要有效地多、快得多，因此只要控制得當，和以往暗挖法施工引起地面沉降的情況相比較，盾構隧道最大沉降量值比暗挖法施工時的明顯要小許多。S6040S6072測點沉降值反映：在所施工區域以，除了S6052點、S6053點因為地面以下存在較厚的砂層，沉降值分別達31.2mm、-14mm以外，其余各點的最大沉降值均在7 mm以，說明盾構施工控制比較到位，如果采用礦山法等淺埋暗挖施工方法則要到達同樣

9、控制效果一般是比較難的。說明：S6052點沉降過大屬于不正常施工引起的。根據實測發現，盾構施工橫向沉降影響圍可達3D。*實測曲線見圖4.1-0。 3D3D 3D=6m D表示隧道外徑 隧道圖4.1-2 *盾構隧道橫斷面地面沉降示意圖2地層損失引起的沉降，大都在施工期間呈現出來；而再固結引起的地面沉降，在塑性土中呈現較快，但在粘性土中則要延續較長時間。3當盾構掘進時，假設開挖面受到的平衡力小于地層的原始應力，則開挖面土體向盾構移動，引起地層損失和地面沉降。反之，當平衡力大于地層的原始應力時，則開挖面土體向上向前移動，引起負地層損失和地面隆起。4隧道正上方*一點的沉降量在盾構通過前后沉降的速率是不

10、一的，當盾構正在通過時，由于盾殼外側間隙還未回填，圍巖很快就因失去平衡產生向變形，因此在盾頭由該點下通過至盾尾從該點下經過的階段是變形開展最快的階段。從總體沉降趨勢來看，地面沉降速率均在該階段表現為最大，最大沉降速率可達5.0 mm/d, 盾構經過時的沉降速率為平均沉降速率的1.33.9倍。具體見圖4.1-3及表4.1-1。圖4.1-3 刀盤經過該點時盾尾經過該點時表4.1-1測點編號盾構經過時的沉降量S1mm盾構經過時的沉降速率V1mm/d總沉降量S2mm平均沉降速率V2(mm/d)S1/S2(%)v1/v2S60482.42.55.90.8413.0S60525.25.029.04.118

11、1.3S60562.22.25.10.9432.4S60603.13.15.60.8553.9因此在盾構推進過程中，盾構經過時是最危險的時段，也是沉降變化最快的階段，掘進施工要連續進展，否則地層變形最大的階段的時間將變長，導致沉降量可能變大，尤其在較差地層中掘進時更應注意這一點。5管片外側注漿效果對控制地層變形影響極大。S6052點在盾構經過時沉降5.2 mm，但在盾構經過后的1天之又急速沉降了12.1 mm，主要原因之一是注漿效果不理想，后來通過及時補注漿，變形得到控制。盾構經過時沉降量5.2 mm注漿后天之內沉降量12.1 mmS6052點沉降突變示意圖6盾構掘進過程中，經實踐驗證，將地層

12、變形控制在30mm10mm以能有效地控制建筑物及地下構筑物的變形而不致產生不良后果，再大時則將極有可能產生不良的影響。S6040S6072測點區域以，絕大局部地面沉降值均在7 mm以，沿線密集的建筑物，均保持穩定，未出現異常情況。7經過分析，實際施工過程中地表沉降還表現有這樣的規律：當*點處在盾前時的沉降量超過10mm時，則該點處在盾尾時沉降往往會接近30mm，既又多沉其原先2倍的量，當脫離盾尾時，則將很有可能超過30mm，之后再過后推一點，沉降值可能有所上升。而當盾構前方的沉降控制在5mm以，即在盾構還沒有到達以前，控制沉降不超過5mm，或者稍微隆起一點，比方隆起5mm，該點的沉降值控制在3

13、0mm以一般是沒有問題的要做到這一點主要有兩點：A:對盾頭前面10米、20米及盾頭上方的沉降點嚴密觀測，及時提供反響信息；B:及時根據反響信息調整設定土壓力及頂推千斤頂參數。8當處于隧道正上方的建筑物樁基底距隧道頂距離大于3m時，盾構隧道施工對地表建筑物的影響較小，施工時著重從盾構掘進方面加強控制即可平安從其下通過。當該距離小于3m時，則需要慎重考慮，必要時要考慮一定的附加措施，如事先樁基托換、注漿加固等才能平安通過。9隧道埋深及地層情況對沉降大小的影響是不一樣的,地層情況的好壞比隧道埋深對沉降的影響要大。10盾構施工是一個復雜的系統工程，引起地表沉降的因素相當復雜，除與地層條件密切相關外，還

14、與盾構掘進時的平衡土壓、掘進速度、推進壓力、注漿時間、壓力、注漿量等有關，很難準確計算及預測，理論計算值為預測提供了強有力的工具，但實際施工時也僅僅是指導性的，必須在施工過程當中實行實時監測與實時控制。4.2盾構法施工時影響地面沉降的主要因素從盾構法施工時，地面沉降的產生原因、變形機理及變化規律，并結合盾構法施工技術本身，得出影響地面沉降大小的主要因素有以下8個方面：1地層本身的狀態巖土軟硬程度，尤其是砂層、淤泥等不良地質現象的存在。地下水位上下及土層滲透系數，地下水補給來源。地層分層情況。主要是軟硬土層分界限位置、軟土層厚度及縱向分布等。土層軟硬不均現象，主要是軟硬交接面的傾斜度、長度、上覆

15、土層情況等。2隧道埋深大小。尤其是隧道埋深在12倍隧道直徑的情況下。3地面建筑物荷載大小、分布密度及與盾構隧道的相對關系。4掌子面的前方土層的水土壓力是否得到了有效平衡，主要在于：1土壓力、水壓力設計值的設定。2千斤頂的推進速度。3螺旋輸送器出土的速度。5盾尾注漿的效果及時性、有效性、密實性。6盾構機掘進軸線偏差的控制、糾偏的影響。7盾構密封性及防水效果。8盾構推進過程中是否連續、順暢。5盾構施工地面沉降的控制措施1保持盾構開挖面穩定的措施。1對掘進地層的掌握分析要做足做細，此乃保證掘進平安順利的關鍵之一。2針對不同的地層，采取適宜的掘進工況模式，即首先要選擇正確的掘進模式進展掘進。復合式土壓

16、平衡盾構機可以通過自身的轉換即能實現EPB土壓平衡，半敞開式、敞開式三種模式。不同模式對應不同的出土速度、刀盤扭矩及土艙壓力的設定。由于地質條件千變萬化，故在施工當中，首先要根據詳勘及補勘地質資料，并運用諸如地質雷達、超前鉆孔預報等措施，提前做好掘進模式的選擇與相應的準備。3設定足夠的土壓力在設定土壓力時，要考慮：土層土壓力、地下水壓力；由于施工當中存在著不可預見的因素，因此需要考慮一定的預備壓力；能維持開挖面土體穩定，不致因土壓設定偏低引起沉降或土壓偏高引起地表隆起；為了降低掘進扭矩、推力，提高掘進速度，降低土壓力對刀具的磨損，盡量采取設定較低的土壓力。土壓力主要以靜止土壓力為計算依據，并取

17、值偏大的靜止土壓力計算值的120作為土艙壓力控制值較適宜。掘進時土壓力的設定即要考慮設定的問題，同時要考慮保持土壓的問題，以下幾點需要著重考慮：A.土壓力的設定主要在于掘進速度、螺旋輸送器出土速度之間的匹配，是一個動態的且隨時需要調整的過程。B. 要嚴格控制出土量。正常情況下每一類土層掘進后的松散系數是一定的，即對同一類土在正常情況下每環出土量根本一致。當大于正常情況出土時要引起警覺。故而在掘進過程中，除了對土質隨時觀察外，每環出土量的統計及控制很關鍵，要嚴格控制出土量。C. 務必要保證連續掘進。盾構機及后配套的維修、保養要跟上，保證設備的完好率；對機械故障的處理要及時，確保不因機械故障因素長

18、時間停機。另外碴土外運、管片供應、砂漿供應及掘進組織要緊湊，即務必要保證連續掘進，尤其在軟土中掘進更是這樣。長時間的停機將不可防止的導致土艙壓力的消散。D.土壓的適時補償。長時間停機之前土壓力要建足，在停機的中間時期，盾構機適當前推10厘米左右，補償土壓力。E.泡沫及膨潤土碴土改良系統要注意防止堵塞，要密切注意碴土改良對建壓的影響。為了施工參數優化，必須熟練掌握盾構機的操作，根據地面變形曲線進展實測反響，以驗證選擇施工的合理性或據以調整優化施工參數。2及時、足量、有效的同步注漿及二次注漿。3注意盾構在曲線上推進及盾構糾偏，加強盾構的方向控制。盾構在曲線上推進時，土體對盾構和隧道的約束力差，盾構

19、軸線較難控制，因此推進速度要放緩，糾偏幅度不要過大，加大注漿量，加強糾偏量測等工作，以減少地層損失。1推進油缸油壓的調整不宜過快、過大。2正確進展管片選型，確保拼裝質量與精度，以使管片端面盡可能與方案的掘進方向垂直。保證已拼裝成環管片的質量。3施工過程中及時進展專業化精細測量，及時、連續、緩慢的糾偏，直到糾正為止。4盾構機掘進前，詳細掌握施工影響圍的地面建筑物、地下管線、地下障礙物、地下設施等。5將前100m設為初始掘進試驗段，對盾構施工所采用的參數不斷優化調整，以使盾構在全線掘進中，隨地質、埋深、環境的變化而動態、適宜確實定施工參數。6盾構始發、到達時，假設洞口地基土較差，采取注漿加固措施，確保離、進洞口的平安。施工中在盾構快進入加固土體時嚴格控制盾構機的操作，低速鉆進，低速轉動，刀盤等措施。在此保證加固體的加固質量極為關鍵的。7施工時盡量減少超挖。8對建筑物根底進展注漿加固及托換保護。9對局部軟的土層地段，掘進前事先采取加固措施對軟根底進展處理。10做好防水施工，防止地下水位下降。1 設計的螺旋輸送器必須具有良好的密封性。2同步注漿漿液不能凝固盾尾密封刷，同時要經常及時向盾尾密封注油脂，以保證盾尾密封刷能正常工作，防止失效漏水。3管片安裝時嚴