砂卵石地层盾构掘进中引起的地表形变及控制措施分析

资源信息与工程

Ｖｏｌ．３３№５Ｏｃｔｏｂｅｒ２０１８

砂卵石地层盾构掘进中引起的地表形变及控制措施分析

文多祥

（中国电建集团铁路建设有限公司，北京１０００４４）

摘　要：在地铁建设过程中，由于砂卵石的存在，增加了地层盾构掘进施工的难度和风险，也带来了一定的安全威胁。基于此，本文主要分析了砂卵石地层盾构掘进过程中引起的地表形变，并建设性地提出掘进控制措施，为类似地层盾构的施工提供参考。

关键词：砂卵石；地层盾构；地表形变；控制措施中图分类号：Ｕ４５５

文献标识码：Ａ

文章编号：２０９６－２３３９（２０１８）０５－０１４３－０２

　　随着我国城市基础建设的不断完善和交通设施的快速发展，地铁逐渐成为城市交通运输的重要组成部分，表现在运输量大、运输环境相对安全、占据地表资源小的特点。在地铁修筑过程中，盾构施工因其高效、安全和适应力强被广泛运用，但在施工过程中，容易使地表产生不同程度的变形问题，最直观的表现为地表沉降和地表隆起。基于此，本文将对砂卵石地层盾构掘进中引起的地表形变进行研究，并提出解决措施。

该技术的日益成熟不仅使其具一定的优越性和适用性，还能加快工程的施工进度，缩短施工工期。但是在施工过程中常因施工区域的地下水位、卵漂石含量和卵石强度等因素的影响而造成地表不同程度的变形。

在盾构掘进的过程中，土体受到各种作用力的影响，如掘进面推力、刀盘与土体的摩擦力、盾壳与围岩的摩擦力以及同步注浆的浆液压力等，因其土体受力存在明显差异，导致地浅表土体的受力也不均匀，进而产生不同的影响（图１）。据相关研究表明，在土体掘进过程中，其掘进面推力的影响最小，对地表的变形不会产生较大影响；隧道内同步注浆、地层损失、盾壳与周围土体间的摩擦力极易对地表产生作用，引发地表纵向沉降，使地表发生严重形变。

１　砂卵石地层盾构掘进中引起的地表形变分析

１．１　地表形变机理分析

众所周知，在砂卵石地层中，存有较多的土体颗粒，这些颗粒具有较大的摩擦阻力和渗透系数，并且砂卵石地层中含有大量的地下水，当水位升高时，盾构掘进设备的调节作用无法平衡周围的水土压力。砂卵石层的开挖面土体极易发生崩塌滑落，渣土流动性不佳，增加了开挖面的控制难度。同时，由于砂卵石层相对松散，卵石之间没有胶结，单一的卵石强度较高，但土体的孔隙度较大，在卵石的骨架作用下，刀盘进行切削工作时极易破坏原有地层的稳定性，进而引起地表变形，严重者将引发地表沉降。此外，当刀盘出现较大磨损时，易使开挖面失去平衡，引起超出土问题，进而诱发地面隆起。在盾构掘进过程中，极易造成围岩破坏，引发地层损失，使之受力不稳定，引起地表形变和坍塌，进而可能造成安全事故的发生。

砂卵石地层具有明显的松散特征，即具有强大的离散度，较低的黏聚力，不连续性和不够稳定的结构、涌水、涌沙等特性。虽然砂卵石地层中土体的强度较低，但含有强度较高的、粒径较大的卵石，导致地层具“柔中带刚、软中带硬”的特点。砂卵石地层该特性导致盾构掘进困难程度增加，使得掘进过程中易发生土体坍塌、滑落，进而形成空洞、地表塌陷和塌坑，加大了施工风险和安全隐患，延长了施工周期，提高了工程造价和施工成本。１．２　地表纵向形变分析

砂卵石地层盾构掘进技术是城市地铁建设的基础，

图１　盾构施工引起的纵向地面变形曲线

２　盾构掘进中引起的地表形变的控制措施

２．１　掘进参数的控制措施２．１．１　土仓压力参数控制

土仓中的渣土具有较低的流动性，对掘进设备的运

行和控制有一定的影响，因此需严格控制土仓压力，保证掘进设备的正常运行。常见的土仓压力参数控制如下：１００ｍ），参考土仓压力值为０．０８～０．１０ＭＰａ；（２）埋深为１１．５～１３．０ｍ的卵石土层隧道（普通社区），参考土仓压

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（１）埋深为１０．０～１１．５ｍ的卵石土层隧道（盾构始发段前

作者简介：文多祥（１９７５－），男，四川射洪县人，本科，工程师，现从事地铁测量监测管理工作。

第３３卷第５期２０１８年１０月

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力值为０．１０～０．１１ＭＰａ。２．１．２　掘进参数控制

掘进参数控制主要体现在控制刀盘转速、扭矩、推进

另外，在提高隧道衬砌承载力时需在隧道内进行加密二次注浆操作。

２．２　砂卵石层中滞后沉降的控制措施

滞后沉降一般是在地层掘进后引发的空洞随时间与在其他外力的作用下延后产生的地表沉降。因此，在盾构穿越后需要在隧道内进行二次补偿注浆，以减少隧道穿越出现全断面或上半断面的可能性，可以有效防止滞后沉降。此外，还需在隧道内结合管片吊装孔和增设注浆孔的方式进行二次深孔注浆，加固土体，防止后期沉降。建议采取的措施为：在注浆区域约为３个环范围内，速度和推力等方面。快速、高效的盾构掘进工作，有助于加快工程进度，降低施工成本。因此，在保持盾构土仓压力相对平衡的前提下，进行盾构掘进参数的选取和控制有助于提高施工效益。其中，刀盘的转速建议控制在１．２进速度建议保持稳定、平衡，又不影响土体形态的情况下运行，建议控制在４０ｍｍ／ｍｉｎ；盾构总推力保持一致，避～１．３ｒ／ｍｉｎ，扭矩建议控制在４０００ｋＮ·ｍ以下；盾构掘

免中途发生突变１８０００ｋＮ。

，造成土体受力变化，建议控制在１６０００２．１．３　～同步注浆有助于减少和防止隧道掘进过程中引起的

同步注浆参数控制地表沉降。由于砂卵石地层中富含地下水，存在极大可流动性，增加了管片拱顶浆液的密实填充难度，提高了注浆管道浆液堵塞的风险，增加了工程难度，延长了工程周期，提高了工程造价。因此，为了保证管片注浆工艺填充的密实性，在盾构掘进的设计过程中，需要将注浆管路进行优化处理，同时利用添加剂，优化同步注浆浆液性质。由于浆液是由下而上经注浆孔进入地层，可以采取保证注浆孔上部压力小于下部压力的措施进行孔压控制，建议略小于０．０５ＭＰａ。根据隧道具体地质情况和埋深情况，建议将同步注浆压力控制在０．３～０．４ＭＰａ，每个注浆环的注浆量控制在６～８ｍ３进同步注浆材料及配比情况见表，如某工程中优化后的盾构推１。

表１　某工程中优化后的盾构推进同步注浆材料及配比情况

序号材料名称配比／（ｋｇ·ｍ－３１２３普通硅酸盐水泥水

１２０）

４５

纳基膨润土中粗砂４００５０

添加剂６０３２．１．４　二次注浆与同步注浆一样二次注浆参数控制

，是减少和防止地表沉降

的重要措施，是在实际注浆量大于６ｍ３时需进行的注浆操作。通常在盾构脱出、压力小于设定值４～６环后开始实施的注浆工序，其对象为房屋基础下部、隧道顶部１２０°２．１．５　范围内的土体其他参数控制。

通常情况下，当盾构下穿进入浅基础旧民房区时才

（出土量与出土质量、管片）需要进行出土量与出土质量的双向管控，且常采用的控

制量分别为：出土量５６ｍ３当盾构下穿进入浅基础旧民房区时，出土质量１０１，结合设计要求ｔ。，

需要对注浆孔进行管片加强操作，以提升管片的掘进能力，保障工程的正常、稳定进行。

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二次深孔注浆宜采用钢化管，大小为３２ｍｍ×３．５ｍｍ（直径×厚度），隧道壁内管长不小于２ｍ（视情况而定）。

对增设注浆孔的强化管片进行加密注浆时其浆液配比控制为水６０∶水泥∶水玻璃＝１２．３　ｓ，注浆压力控制为０．３～０．５∶１ＭＰａ。∶０．３，凝结速度控制为约２．３．１　阶段性封闭成环技术控制

建议在盾构刀盘即将下穿进入老旧民房区时盾构穿越前的掘进通道封闭技术控制

，在盾尾后约２０环位置（扣除盾构自身长度９ｍ）采用单液浆先进行全环封闭技术，其中水泥浆液水灰比控制为１∶１，注入量控制为每环２～３ｍ３式，同时采取隔３环注１环的形２．３．２　，以保证盾构掘进段后浆液损失能得到足够的补充。该技术主要用于加固土层稳定盾构穿越过程中的封闭技术控制

，保证施工安全。此过程中需要对强化管片进行加密注浆２于缩短凝结时间ｍ隔１～２环注入１环。同时，其注入量需控制为３，２．３．３　，稳定盾尾管片，，保证地层的稳定性双浆液可快速凝结。，有助二次补充注浆常在盾尾通过后的补充注浆封闭技术控制

１５环与居民楼基础范围内的区域，在台车上利用单液浆进行，水泥浆液水灰比建议控制为１∶１，注入量控制为每环２～３ｍ３取隔３环注１环的形式，以确保居民楼基础下方的浆液，同时采饱满。据相关实践表明，采用分阶段注浆的控制措施，有助于降低地表沉降概率，提高地面建筑物的安全。

３　结语

在地铁修筑过程中，大量的砂卵石存在于地层中，采用盾构掘进技术会对地表和工程产生影响。因此，为了防止地表发生沉降等形变，可以在施工过程中采取优化掘进参数、注浆工艺参数等控制措施，及时清除杂物、加固松散土体，以提升施工安全和地面基础建筑安全，减少地表形变。

参考文献：

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