地铁盾构施工中的地表沉降及其控制技术剖析

地铁盾构施工中的地表沉降及其控制技术

摘要地下盾构穿过复杂的富水地层时地层极易失水而造成地面沉陷。结合工程实例，阐述了采用注浆技术解决此类问题的技术思路、方法及具体实施工艺。

关键词盾构施工地表沉降注浆控制

1引言

随着城市化的快速发展，城市所面临的交通、土地矛盾日益突出，因而，地下隧道交通及各类地下工程成为解决矛盾的一个重要方面，大量的地下工程建设引发的地面沉降，地面塌陷和地面裂缝层出不穷，如何避免和防止城市地铁工程建设中的地面变形地质灾害问题已成为地铁工程建设中的重要课题。

2地铁工程产生地质灾害的工程地质特性

在城市地铁工程建设中，地质灾害多发的地层一般为松散人工堆积层，河相、湖相或滨海相沉积覆盖层，岩层多为软弱、裂隙发育或风化强烈或岩溶发育的地层，具体有人工杂填土层、砂层、粉细砂层、砂砾( 卵) 石层或孔隙率高的黏土层、淤泥层、透水性强的构造破碎带、强风化、中风层、以及岩溶地层。这类地层的普遍特性是高孔隙率、高含水、高透水性。

3地质灾害成因分析

在城市地铁工程建设中，无一列外不是必须对地层实施开挖、掘进，实际上，在对原始地层进行开挖、掘进的过程，即是对地下水文工程地质环境的破坏过程，它不但改变了地层的应力结构，即使在构建起人工结构后，也强制地层应力进行重新分布、平衡，在这个过程中，必然引起地层变形的发生，严重的引起地面变形沉降、开裂，建筑物变形、开裂。尤其是高地下水位条件下，地层开挖掘进时，大量地下水沿开挖面流失并排出，造成地下水位大面积下降，从而引发一系列地面地质灾害问题。

4典型沉降变形控制及防治技术

4．1盾构施工引起地面及建筑物下沉并变形开裂

4．1．1灾害现象及成因

在某地铁施工中，当向盾构机土仓加压至2．3 bar时，发现盾构机部位地面出现隆起的现象，且地面补注浆孔施工时所挖的探槽多点窜气; 监测数据显示地面下沉幅度较快。2009 年6 月10 日晚11 时，

盾构机盾尾上部的地面建筑物—汽车修理厂部分地面突然下沉，面积约40 m2，下陷深度约2．5 m，同时出现房屋基础的独立柱下沉，墙面开裂。

根据区域详勘和补勘阶段地质资料，盾构机所处部位( 地表以下约22 ～28 m) 区间地层为: 上覆第四系覆盖层，覆盖层主要为冲积～洪积土层及残积土层。下伏基岩为风化花岗岩、花岗片麻岩和花岗岩。基岩包含全风化、强风化、中风化三个风化岩带。隧道区间大部分位于全、强风化层，地层空隙率较高，中、强风化层为富水地层。水压大且具有连通性。

根据水文工程地质条件及盾构施工情况综合分析，引起地面下沉及建筑物变形的主要原因为:盾构机在穿过覆盖层及风化软弱地层时，因外围未形成有效防护，在地层土压力及水压力作用下，随着盾构机的掘进，大量泥水混合物涌进土仓造成严重超挖及水土流失，致使隧道顶部地层在上覆压力作用下发生变形坍塌，变形坍塌不断延伸从而导致地面塌陷变形、建筑物变形开裂。

4．1．2治理技术方法

( 1) 方法与步骤

①首先采用混凝土对塌陷区进行回填;

②对修理厂房屋地板以下的脱空区进行回填灌浆处理;

③采用黏土水泥复合浆液将盾构机土仓回填密实;

④采用黏土水泥复合浆液在盾尾形成止水环，控制已掘进完成的隧道管片与围岩间的水流和部分裂隙水;

⑤采用黏土水泥复合浆材从汽修厂车间地面对盾构机土仓周边地层进行帷幕灌浆施工;

⑥在上述工作完成后，利用盾构机上预留的超前注浆孔进行适当补强。

( 2) 施工工艺

①灌浆材料。

由于盾构机刀盘前方地层空隙率高，且地层富水，要求止水灌浆不能固住盾构机。采用黏土复合浆液或复合膏浆先进行充填灌浆，然后再采用部分mj 双组分低强度化学浆材进行止水。

②采用黏土水泥复合浆材将盾构机土仓回填密实。

利用盾构机土仓胸板上的注浆孔，采用排水与注浆结合的方式，对土仓内空间分3 ～4 次将土仓空间注满。注浆材料初凝时间6 ～12 min，3 d 抗压强度0． 3 ～1．0 MPa。

③通过注浆在盾尾形成止水环。

为减少土仓水的来源，对已形成隧道的管片与围岩间的水流和部分裂隙水通过注浆进行控制，并在盾尾后形成较宽的止水环。止水环灌浆孔布置于盾尾后的第 3 ～9 环间的管片拼装孔( 或缝) 上，先施

工管片上的拼装孔，按3 排一个循环进行施工。止水环施工前先将需处理环间管片上的拼装孔钻穿两个，量测排水量和水压，并做连通试验。处理过程中用球阀封闭排水，灌浆压力1 MPa。灌浆结束标准: 单位吸浆量不大于1 L/min，持续10 min。

注浆材料为黏土水泥复合浆材，初凝时间16 min，3 d 抗压强度1 MPa。特殊情况下灌入化学浆材或速凝双液浆止水。

④用低强度化学浆材回填盾壳与围岩间间隙，防止盾壳被固住。

为保证盾构机盾壳不会被较高强度的灌浆材料固住，在对掌子面注浆前先用低强度的溶液型浆材充填盾壳与围岩空间。回填过程应与盾壳周边的排水结合，让浆材尽可能充填满。回填压力应小于0．6 MPa。

⑤地面注浆帷幕。

要求在盾构机土仓周边形成止水帷幕体，并对掌子面进行适当加固，施工完成后要求能将盾构机前行部位达到基本止水和空隙地层的有效充填，设计在盾构机土仓部位周边布置钻孔，加固底板深度30 ～32 m，刀盘前方4 ～6 m，钻孔轴线距刀盘左右各2 m，隧道顶部4 m。钻孔垂直盾构机轴线布孔5～6 排，排距和孔距1 ～1．2 m，盾尾与刀盘部分以上孔深距隧道顶1 m。

灌浆浆材采用黏土水泥复合浆，初凝时间16 min，3 d 抗压强度1 MPa。为提高浆材的固结强度，施工中可将水灰比调为1∶ 1，其他参数不变。

灌浆采用压力为0．3 ～0．6 MPa。以盾构机土仓内最大压力不超过3．5 bar 为上限控制标准。

当吸浆量小于1 L/min 时，再持续灌浆30 min后结束灌浆。

⑥超前注浆。

超前注浆作为地面注浆的补充，施工过程要求钻孔与灌浆紧密结合，钻完一孔即灌浆一孔，不得同时施工多孔，防止对地层的扰动。不一定需要将所有的预留孔全部施工，应根据地层的加固效果确定孔数和施工的深度。

实际上，盾构机在土仓壁上已布置有超前注浆孔施工位置( 见图1) ，先沿盾构机轮廓预留的超前注浆孔布置9°外倾孔，孔深约5 ～7 m，实际入土或入岩深度为2 ～4 m，要求钻孔尽量深; 再施工水平孔，各类孔均分三序施工; 施工过程中应采用孔口导流和适当封堵，尽量防止水和泥沙大量涌出，使地层失水加速下沉。