软土地层盾构施工地表沉降分析及措施

软土地层盾构施工地表沉降分析及措施

摘要:通过对上海地铁软土地层盾构施工引起的地层变形原因和机理进行分析，结合派克公式对地层变形进行计算，引出地层损失率作为沉降控制标准，并提出了软土地层盾构施工地层损失控制技术要点，以减小施工对环境的影响。

关键词: 软土地层，地层损失，地层损失率

0 引言

随着盾构施工技术在城市地铁建设应用中的不断发展，地铁施工普遍存在的诸如地表沉降、周边建( 构) 筑变形等对环境的不利影响也越来越引起人们的重视，但迄今为止尚未得到完全解决，研究盾构施工技术、控制措施及其减少对地层及周边环境的影响具有指导作用。本文通过对上海软土地层盾构施工引起的地表变形机理和原因分析，结合派克公式以及地层损失率控制要求对地表沉降进行反算，以求在施工中采取针对性措施，减少地层变形。

1 地表变形机理

变形从物理角度讲，归结为应力的变化。天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架体，孔隙水和气体填充骨架体而组成的三相体系。饱和土由土颗粒和水组成，土颗粒之间存在胶结物，有些没有粘结。但是它们都能传递荷载，从而形成传力骨架，叫做土骨架。外载荷作用在土体上，一部分由孔隙水承担，叫做孔隙水压力，另一部分则由土骨架承担，就是有效应力，对引起压缩和产生强度有效。

土体受外力后，土粒和孔隙中的流体均将发生位移，孔隙流体及气体体积减小、颗粒重新排列、颗粒间距离缩短和骨架体发生错动，引起土体变形，从而引起地表变形。

2 地表沉降规律

横向上，沉降槽曲线近似为正态分布，见图1。

纵向上，隧道沉降分布随时间变形具有阶段性规律，见图2。

3 盾构施工引起地层变形的作用机理和原因分析

3．1 盾构施工引起地表沉降的作用机理

根据地表沉降规律纵向曲线分布，盾构施工引起的地表沉降按照变化规律可分为五个阶段，各阶段变形的主要原因和作用机理见表1。

3．2 原因分析

从表1 中可以看出，地面沉降的根本原因是盾构施工中引起的地层损失和受扰动土层的固结。

1) 地层损失。

地层损失是指盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差。引起地层损失主要有以下几方面的因素:

a．土仓压力设置不当，造成开挖面土体移动。当盾构掘进时，开挖面土体受到的推力小于原始侧向力，土体在原始侧向力的推动下向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降; 反之当推力大于原始侧向力时，挤压正向土体向上、向前移动，引起地层损失( 欠挖) 而导致盾构前上方土体隆起［2］。b．盾构后退回缩。由于盾构机采用液压推进系统，当盾构暂停推进时，盾构推进油缸压力释放或漏油回缩会引起盾构后退，盾构刀盘与开挖面之间出现间隙，开挖面土体因失去支撑而坍落或松动，造成盾构前方地层损失。c．注浆充填不及时。盾构法施工隧道由于开挖面轮廓较衬砌面偏大，衬砌外围存在地层空隙，一般随盾构推进采用注浆充填。施工时，若注浆压力不恰当，注浆量不足，注浆不及时，衬砌外围周边土体失去平衡状态而向空隙中移动，引起地层损失。d．频繁改变推进方向。由于线路走向要求，盾构推进过程中需随时调整推进方向以拟合线路。由于盾尾较刀盘在开挖方向上的轨迹存在滞后性，每一环衬砌在推进纠偏过程中的实际开挖面不是圆形而是椭圆，无形中增大了土体开挖量，造成地层损失。

2) 受扰动土的固结。

盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后，在盾构隧道的周围形成超孔隙水压力区。当盾构通过该地层后，孔隙水排出，引起地层移动和地面下降。此外，盾构推进中的挤压作用和注浆作用也使周围地层形成正值的超孔隙水压区。在盾构隧道施工后的一段时间内其孔隙水压力复原，发生排水固结变形，引起地面沉降。土体受扰动后，土体骨架压缩变形会持续较长时间，在此过程中发生的地面沉降称为次固结沉降。

4 地表沉降控制标准

根据派克公式，地层损失在隧道长度上均匀分布，地面沉降的横向分布为正态分布曲线，距隧道中线处的地表沉降量计算公式为:

其中，S( x)为距隧道中线处的地面沉降，m; ΔV 为地层损失总量; x 为距隧道中线处的距离，m; i 为沉降槽宽度系数，即沉降曲线反弯点的横坐标，m。

根据Attewell 公式，沉降槽宽度系数i 的计算方法为:

其中，r 为隧道半径; Z 为隧道开挖面的中心埋深。

地层损失率以占盾构理论排土体积的百分比表示，其计算公式为:

其中，V 为隧道开挖土体面积。

依式( 2) ，式( 4) 可得，在地层损失率控制标准一定的情况下，地表最大沉降值为:

上海地区属滨海相软弱地层，主要地层为饱和含水流塑或软塑黏性土，其含水量高、压缩性高、灵敏度高、强度低，受扰动后沉降大且稳定时间长［3］。为应对在此类地层中，世界上发达国家已用先进的盾构和施工方法将盾构施工扰动地层而产生的地层损失率控制到0．5%，上海盾构施工在一般施工条件下要求地层损失率小于1%。

就上海地铁十三号线某区间为例，计算如下:

该区间长度为1 024 m，隧道开挖半径为3．17 m，隧道中心埋深13．2 m ～20．9 m。

根据埋深计算，可得i =5．70 m ～8．23 m，则地表最大沉降值控制量为:

隧道埋深越深，最大沉降控制量越小。

5 地表沉降控制技术

5．1 地层状况及沿线建( 构) 筑物调查

施工前必须要对隧道施工影响范围内的地层状况及沿线建( 构) 筑物进行调查并分析评价其状态，进而确定沉降的控制标准［4］，才能达到有效控制地层沉降的目的。从目前地铁施工来看，对地层的分析往往较为全面，但对建( 构) 筑物资料的收集由于涉及方面较多还存在较大的欠缺，而这些往往会对环境和施工方自身利益的保护造成不利影响。

5．2 优化盾构掘进参数［2-4］

盾构施工参数如推速、推力、同步注浆、正面土压等，与地表沉降密切相关。因而，盾构施工前必须根据地质条件和设计要素等情况，选取合理的参数指导施工，使盾构在施工过程中达到最优控制掘进状态。

1) 试掘进确定参数指导施工。

由于地层、周边环境和盾构机差异，在盾构施工过程中应通过试掘进选定合适的推进参数。施工时，一般将始发掘进的前100 m 作为试掘进段。通过这一区段的盾构施工，摸索并掌握施工参数。

2) 适当的土仓压力。

土仓压力直接控制开挖面土体移动状态。土压偏小则地层下沉，土压偏大则会导致地层发生隆起现象。上海淤泥质粘土层中掘进土仓压力较理论计算结果偏大，一般土仓压力的设定为理论值的110%～125%。

3) 合理的同步注浆参数。

同步注浆是控制或减少地层损失的关键措施。设置合理的注浆压力和注浆量、选用优配的注浆材料等，在盾构推进过程中及时填充衬砌外围土体空隙，能有效控制地表沉降。

目前，上海地区盾构掘进同步注浆已普遍采用“厚浆”技术。其浆液材料主要采用粉煤灰、砂、膨润土、石灰、水以及减水剂，该浆液材料具有良好的长期稳定性及流动性、早期强度好、抗地下水稀释性能好，且固结后体积收缩小、泌水性小; 其浆液主要配比及性能指标见表2，表3。

由于“厚浆”浆液稠度大，对拌浆和注浆系统要求高，普通盾构机注浆设备需进行改造。输送泵压最高一般小于6 MPa，注浆量一般为理论注浆量的120% ～140%; 其同步注浆要求做到盾尾4 点注浆，注浆压力、注浆量双控。

5．3 信息化施工的指导