盾构掘进中地面和地层变形分析与控制方法

－－Ｌ－－１ｒ三：；，　ｌ　盾构掘进中地面和　地层变形分析与控制方法　于宝疆吴江滨陈雪晶　摘要：结合北京地铁５号线１　７标段的工程实践，通过地层变形特点　：和原因分析，提出盾构施工过程中控制地层变形的措施。　）　志唧　赢　ｐ　关键词：盾构；地面变形；掘进参数；控制措施；信息化施工　一…ｅｘｐ（＿　北京地铁在５号线施工中首次　隙水压力变化及土层刚度、强度指　式中：Ｓ（ｘ）为Ｘ处的沉降量；　采用盾构法进行地铁区间隧道的掘　标的降低。城市盾构隧道相对来说　Ｖ．为地层损失；　为距隧道中线的　进，下穿城市中心区域，在这些区域　埋深较浅，盾构施工对其上方道路、　水平距离；Ｓ　为隧道中线处的最　中有很多老旧城区和中心商业区，　建筑物及上水管、煤气管、通讯电　大沉降量；ｆ为中轴线到反弯点的　对于地层变形和地面沉降的控制要　（光）缆等地下管线都有影响，因　水平距离。　求极为严格，因此很有必要对盾构　此，有效控制地层变形（主要为控　随盾构推进的地面变形可分为　掘进过程中地层变形和地面沉降的　制地面沉降）是盾构施工主要控制　５个阶段：①盾构到达前；②盾构　规律进行细致分析，并采取相应的　的目标。　到达时；③盾构通过中；④盾构脱　施工方法与技术措施进行控制，以　目前关于盾构施工对地面变形　出时；⑤后期沉降。其历时曲线如　满足盾构施工过程中的环境要求。　这一环境问题的研究，已取得大量　图２所示。其主要的沉降发生在盾　１　盾构掘进过程中地层变形的　的成果。美国Ｒ．Ｂ．Ｐｅｃｋ（１９６９年）　尾脱出时，此时的建筑空隙如不及　一般特点　首先提出地面沉降槽为正态分布的　时填充将产生较大的地层变形。　概念，地面沉降情况如图１所示。地　尽管盾构法施工隧道具有适应　层移动由地层土体损失引起，计算　２地层变形原因分析　各种地层（根据地层条件进行盾构设　施工引起地面沉降量的横向分布估　根据对盾构隧道施工特点和规　计）和不同埋深、对周围环境影响　算公式如下：　律的分析，可以把盾构隧道施工引　小，施工机械化程度高、掘进速度　Ｖ．　Ｖ，　起地层变形的基本原因归纳如下。　快、施工安全等优点，同时，随着盾　ｍａｘ　赢　茜　构技术日益完善，土压平衡盾构、泥　浆平衡盾构等新型盾构得到广泛应　０　Ｘ　用，但盾构施工引起的地面沉降仍　、、＼　Ｔ　点　不可避免。造成地层变形的主要原　／　’／　２．５ｉ　一　因是由于盾构推进对周围地层产生　一‘…厂　、　　‘　了一定程度的扰动，开挖改变了地　Ｓ　层的初始应力状态，造成地层中孑Ｌ　图１　盾构隧道上方地面横向沉降槽　图２　地表沉降历时曲线　于宝疆：北京地铁监理公司，工程师，北京１　００００５　琐代垣市轨一交置４１２００６　啪姗　●参　维普资讯 http://www.cqvip.com

上任　（１）开挖面土体的移动。当隧　态进行评价分级，并结合相关规范　据沿线地层条件和建、构筑物情　道掘进时，对开挖面土体的水平支护　要求，进而确定施工过程中为确保　况，以一定的掘进区段作为掘进试　压力可能小于（或大于）原始侧压力，　地层及建、构筑物的稳定而应达到　验段。　开挖面前方土体产生下沉（或隆起）。　的沉降控制标准。　一般来说，将始发掘进的前１００　（２）建筑空隙引起的地层沉降。　３．２优化匹配盾构掘进参数　由于向盾尾后面隧道周围建筑空隙　ｍ作为试推段。在实际掘进过程中，　在确定了沿线地层及相关建、　又可将１Ｏ０　ｍ试推段划分为３个区　压浆不及时、注浆量不足、压浆压力　构筑物的控制标准后，就要根据控　段：第一段长１５　ｉｎ，为初掘进，共　不适当，使盾尾后隧道周边土体挤　制目标调整盾构掘进参数，使盾构　设定３组掘进参数，通过地表监测，　入盾尾空隙，引起地层土体损失；　　在施工过程中达到最优控制掘进　摸索地层变化和轴线控制的规律；第二区段长３５　ｍ，根据地面条件、　盾构在曲线中掘进，或纠偏掘进中　状态。　实际开挖断面不是圆形而是椭圆形，　盾构最优掘进是指掘进时对周　建筑物、地下管线情况，对第一阶段　引起地层土体损失；盾构在土体中　围地层及地面的影响最小、地层强　设定的３组参数进行调整，以取得最　移动，盾壳表面粘附着一层粘土，推　度下降较小、受到的扰动小、超空隙　优参数；第三区段长５０　ｍ，是正式　进时盾尾后隧道外围形成的空隙大　水压力小、地面隆（沉）Ｊｂ、盾尾脱出　掘进的准备阶段，通过这一区段的　量增加，如不相应增加注浆量，地层　时的突然沉降幅度小，这些都是盾　掘进，对地面沉降、隧道轴线控制、　土体损失将增加。所有这些原因都　构施工中控制地面沉降，保护环境　衬砌安装质量等制定出控制措施，　可能引起地层和地面沉降。　（３）衬砌变形引起的地层和地　的首要条件和治本方法。　基本掌握施工参数，能利用信息反　要达到上述最优状态，必须在　馈指导施工。通过１Ｏ０　ｍ试推段掘　面沉降。在土压力作用下，隧道衬砌　盾构掘进过程中根据地质条件、隧　进参数与地层变形规律的摸索，为　产生的变形也会引起地层土体少量　道埋深、地面荷载、设计坡度、转弯　整个掘进过程中施工参数的确定奠　损失，当隧道衬砌沉降较大时会引　半径、轴线偏差及盾构姿态等情况，　　定良好基础。起不可忽略的较大地层土体损失，　选取合理的参数指导施工，各参数　３．４土仓压力的设定　衬砌渗漏也会造成地层土体损失，　既是的，又存在相互匹配、优化　引起地层和地面沉降。　在整个隧道掘进过程中，土　组合的问题，最终表现在对地表变　仓压力的设定是一个非常关键的　（４）受扰动土体的固结再沉降。　形的控制。为此，必须对沿线地表变　参数，土压设定值如果偏小则导　由于盾构掘进过程中的挤压作用和　形值进行监测，据此不断优化组合，　致地层下沉量增大，如果偏大则　盾尾注浆作用，使周围地层形成超　指导下一步的掘进施工。　会导致地层发生隆起现象。具体　孔隙水压区，经过一段时间后消散　３．３通过试掘进，确定参数，指导　如图３所示。　复原。在此过程中因地层发生排水　施工　固结变形而引起地层和地面沉降。　一般来说，掘进作业面水平土　岩土介质的典型特征是离散　压力的理论计算有３种常规方法：　的、各向异性的三相体，加上在施　一３地层和地面沉降控制方法　是根据传统的兰金一库仑土压力　工影响范围内建、　构筑物与岩土体　理论进行计算，这种计算方法一般　３．１地层状况及沿线建、构筑物　的相互作用，　调查　其物理性能、　若要在施工过程中达到有效控　力学性能、计　制地层沉降的目的，首先要在盾构　算模型及理论　隧道掘进之前对隧道施工影响范围　分析结果很难　内的地层状况及沿线建、构筑物进　达到连续介质　行调查，在获得相关的原始资料后，　力学的精度，　对地层条件及沿线建、构筑物的状　因而有必要根　＞　尸＾＜　＜尸Ｐ　注：ＰＡ为主动土压，尸Ｐ为被动土压，　为盾构土仓设定土压。　图３　开挖面地层支护压力与地面变形的关系示意图　＠ＭＯＤ￣￣ＵＲＢＡＮＴＲＡＮＳＩＴ　４／２００６琐代壕巾轨＿交置　维普资讯 http://www.cqvip.com

—Ｌ＿１ｒ土＝；，　ｌ　来说应用于埋深不大的情况；二是　步注浆量的控制可根据盾尾间隙的　土层和粉质粘土重粉质粘土层。隧　利用太沙基理论进行计算，这种计　计算求得。但在实际注浆过程中，由　道进入潜水层，一部分进入承压水　算方法适用于埋深较大且能够在隧　于盾尾土体不密实或存在空隙等情　层。灯市口一东单区间隧道埋深８．２　道上方形成自承拱的情况；三是村　况，同时由于盾构施工对于周边土　～９．５　ｍ，隧道上部地层为粘质粉土　山计算方法，这种方法是对太沙基　体的扰动，导致实际的盾尾同步注　砂质粉土层及粉质粘土层，洞身通　理论的一种改进。　浆量远大于理论计算量。从北京地　过地层为粘质粉土砂质粉土层及粉　　７标段的施工情况来看，在　质粘土层、粉细砂层、圆砾层，隧道　在北京地铁５号线１７标段的盾　铁５号线１构施工中，由于地处老城区，地面年　砂卵石地层中，合适的注浆量应为　下部为圆砾层。局部地段隧道底部　代久远的房屋多达１　０００余间，且地　理论注浆量的１６０％～２２０％；在粉　进入潜水层，未进入承压水。　下管线密集，因此地层变形的控制　质土、粘质土地层中合适的注浆量　非常严格，在土压力理论计算结果　应为理论注浆量的１４０％～１８０％。　的基础上，结合试推段的经验数据，　（２）周边环境复杂，施工制约　因素多。东单站一东四站的两区间　（５）注浆部位的分配。有目的　地面建筑物情况复杂，隧道从道路　认为土仓压力设定为理论值的　地选择等角度分布于盾尾外壳的注　东侧密集的商业建筑物下穿过，建　１０５％～１２０％为宜。　浆管进行注浆，根据不同的地质条　筑物大多建设年代较早，多为清代　３．５确定盾尾同步注浆参数的最　件及控制标准，确定各个注浆管的　老房，少数明代建筑，其中大部分　佳值　注浆压力与注浆量，能使“漂浮”于　为木结构的砖房，经房屋公证资料　盾构掘进过程中，以适当的注　浆液中的隧道尾端产生可控位移，　显示大部分房屋属危房；地下管　浆压力、注浆量、合理配比的注浆材　既可改善隧道轴线原有的偏差，又　线多、人防建筑多，包括污水、给　料，在脱出盾尾的衬砌背面环形空　可有效改善管片与盾尾的挤卡状况。　水、电力、热力、电信等多种管线。　隙进行同步注浆，这是控制或减小　３．６信息化施工的指导　地层变形的关键措施。　而且，工程沿线所经地面道路为市　在盾构掘进过程中，根据监测　区南北向交通要道，交通量大，隧　盾尾同步注浆过程中的关键参　结果与各项施工参数之间的对照分　道沿线经过东单北大街、东四南大　数控制要点如下。　析，可对施工参数进行进一步修正，　街，该段地面交通繁忙，且该地段　（１）具有合理配比的浆料。稠　达到优化匹配掘进参数、有效控制　为东城区的主要商业街区“银　度值控制在１０．５～ｌ１．０　Ｓ，重度近似　地层变形的目的。　于原状土的重度。　（２）注浆压力。合适的注浆压　力约为５～６　ｂａｒ，因实际注浆量大　街”，地面交通在地铁施工期间不　能中断。　因此，在正式推进以前，首先对　４工程实践效果　北京地铁５号线１７标段包括２　沿线施工影响范围内的地层条件和　于计算注浆量，超体积浆液必须适　个区间工程：东四一灯市口区间和　建、构筑物状况进行了详细的调查　当高于计算注浆压力，方能注入盾　灯市口一东单区间，是北京首批采　分析，据此确定优化匹配的盾构掘　尾土体空隙。　用盾构法进行施工的地铁区间隧道。　进参数，通过试推段的实践检验后，　（３）注浆时间。盾尾注浆的压　这２个区间隧道的盾构掘进具有如　对掘进参数如土仓压力、注浆量、注　注时间对于注浆施工效果的影响明　下特点。　显，若注浆不及时，尤其是在地层变　浆压力等与地层监测结果进行对比，　（１）地质条件具有代表性。东　在正常掘进段进一步优化掘进参　形发生之后再进行注浆，则达不到　四—灯市口区间隧道埋深１４．８～１５．６　数，从而在施工过程中达到有效控　预期的注浆效果。因此，浆液的压注　ｍ，隧道上部地层为粉土层、粉土层　制地层变形的目标。如在区间掘进　时间应以管片脱开盾尾时为最佳，　和中粗砂层，洞身通过地层为中粗　过程中下穿诸多胡同时，地层变形　注入浆液的时间应与管片推进一环　砂层、圆砾层、粘质粉土砂质粉土层　控制效果均较为理想，地层沉降值　的时间相同。　和粉质粘土重粉质粘土层，隧道下　基本上在１０　ｍｍ以内，远小于规范　（４）注浆量。一般来说，盾尾同　部地层为圆砾层、粘质粉土砂质粉　要求３０　ｍｍ的要求。（下转第７５页）　碗代垣市轨＿交置４／２００６　啪徂Ⅳ　０　维普资讯 http://www.cqvip.com

———＿＝Ｌ　１　Ｅ　弋皿　析，可以将系统的吸热量转化为同　发生多起玻璃真空管爆裂的情况，　增加运行成本。发现这一情况后，将　等热量所需的电能进行比较。因此，　经业主及安装单位技术人员现场调　恒温水箱水位设置在低点，缩短恒　根据系统的设计参数及计算公式　查分析，发现系统安装时，为了整体　温水箱的热水置换周期，较好地解　Ｑ＝ＣＭ／Ｘ　Ｔ，式中：Ｃ为比热，Ｍ为　美观，将管道布置成下“Ｕ”形弯状，　　决了这一问题。水量，△Ｔ为水温升。太阳能系统每　导致排汽不畅，使真空管积汽的局　（３）运行及维护保养：每天巡　个晴天的吸热量Ｏ＝４．１８　ｋＪ／（ｋｇ．￣Ｃ）　部地方产生高温而爆裂。根据分析　视系统；每月对水箱、集热器、电　×５　５×１　０　ｋｇ×３　０℃＝６．９×　结果，采取的整改措施是：在每组　锅炉进行排污，及时排除污垢；每　１０　ｋＪ，折合１　９１７度电。与使用电　集热器的顶部设置一个排气阀；将　月清除玻璃真空管及反光板上的尘　锅炉相比，按地铁０．７６４　６元／度的　热水管按一定的坡度直接接入储热　垢；每月清洁、保养控制柜；每月　电价计，系统在设计工况下运行，　水箱或恒温水箱。上述整改措施完　清除水位控制仪探头上的污垢，以　每个晴天可节省电费１　４６５．７元。在　成后，系统运行正常，没有再次发生　确保其灵敏度。　深圳地区，若１年按２７０个晴天计　真空管爆裂的情况。　算，年均节省电费约３９．５７万元，系　综合楼培训宾馆真空管太阳能　（２）系统运行初期，恒温水箱　热水系统已投入使用１年多，系统运　统７８．６８万元的投资可以在２年内　的水位设置在高点处，但由于宾馆　行正常，热水供应稳定，并且节能效　收回。　入住率不高，使恒温水箱的热水置　果明显。　换周期较长，出现蓄热水箱温度较　高，而电锅炉却频繁投入运行，以维　ＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯ　４运行管理　收稿日期２００６—０３—２０　（１）在系统刚投入运行时，曾　持恒温水箱温度的情况，浪费能源，　（上接第６４页）以下穿内务部街胡同　不可避免。因　为例，地表变形监测值如图４所　此，通过对施工　示。　‘　：　过程的控制，使　０・　　５结论　结合北京地铁５号线１７标段的　盾构施工引起粪　：　地层变形的影　－‘１０　ｖ．响达到最小。　（３）为使盾　二：２：　一茄：　地面沉降监测点／ｍ　盾构工程实践，通过地层变形特点　和原因的分析，有针对性地提出了　构施工对地层及　一图４　盾构隧道下穿内务部街胡同的地面沉降观测结果　些盾构施工过程中对地层变形的　周围环境的影　控制措施。经过实践检验，施工效果　响达到最小，前期对盾构施工影　数的设置更加合理、匹配。　较好。主要经验如下。　响范围内地层和建、构筑物情况　参考文献　（１）地层变形的主要原因是由　的调查至关重要，这是精心组　１　刘建航，侯学渊．盾构法隧道．北　于盾构推进对周围地层产生了一　织施工、完善施工管理体系的　京：中国铁道出版社，１９９１　２　刘仁鹏．土压平衡盾构技术综述．　世界隧道，２０００（１）　定程度的扰动，开挖改变了地层的　前提。　初始应力状态，造成地层中孔隙水　（４）掘进参数的优化与匹配，　压力变化及土层刚度、强度指标的　尤其是土仓压力、同步注浆等重要　３徐永福．盾构推进引起地面变形　降低。　参数的合理制定，是确保地层变形　的分析．地下工程与隧道，２０００　（１）　收稿日期２００６—０５—０９　（２）尽管盾构施工具有诸多优　处于可控范围之内的重要基础。　点，但盾构施工引起的地层变形仍　（５）信息反馈施工可使掘进参　●　－ＩｏＤＥＩｌＮ响洲　ｄ／２００６琐代幢市轨＿交置