1K413035 盾構法施工地層變形控制措施

　　本條以密閉式盾構為主簡要介紹盾構施工地層變形其控制措施。

　　一、近接施工與近接施工管理

　　(1)新建盾構隧道穿越或鄰近既有地下管線、交通設施、建(構)筑物(以下簡稱既

　　有結構物)的施工被稱為近接施工。在城市中近接施工不可避免，且隨著地下空間的開發利用會日益增多。因此，盾構施工必須考慮控制影響區域的地層變形，采取有效的既有結構物保護措施。

　　(2)近接施工管理：

　　1)盾構近接施工會引發地層變形，對既有結構物會造成不同程度的有害影響;因此有必要采取系統性措施控制地層變形以保護既有結構物。首先，應詳細調查工程條件、地質條件、環境條件(即既有結構物現況與安全要求)，在調查的基礎上進行分析與預測、制定防護措施;其次，制定專項施工方案;最后，施工過程中通過監控量測反饋指導施工而確保既有結構物安全。

　　2)近接施工管理流程如圖1K413035-1所示。

　　3)近接施工的管理措施：

　　①盾構掘進引起的周邊地層變形狀態及其原因，包括：變形程度與主要原因之間的關系、對既有結構物承載能力的影響程度。

　　②預測盾構掘進引起地層變形的解析方法，預測對既有結構物影響的解析模型。

　　③減小地層變形與防止對既有結構物影響措施的選擇，及其與工程條件、地質條件和環境條件相適應措施的確定方法。

　　④監控量測管理系統、監測項目、監測方法、監測數據的反饋方法。

　　二、地層變形與既有結構物變位及變形

　　(一)地層變形原因

　　地層變形的主要原因大致分為條件因素和直接原因兩類。

　　(1)條件因素主要有：覆土厚度、盾構直徑、隧道線形、襯砌背后間隙、襯砌種類等。

　　(2)直接原因由盾構掘進引發，主要有開挖面失穩、地下水位降低、推力過大、頻繁糾偏、洞體土層失穩、盾體與洞體的摩擦力、襯砌背后產生間隙、注漿壓力、襯砌變形、襯砌漏水等。雖然地層變形的直接原因有很多，但大體可分為以下4類：

　　1)地層應力釋放產生的彈塑性變形，導致地層反力降低;

　　2)土壓增大產生的壓縮變形，導致垂直土壓增大或地層反力降低;

　　3)附加土壓產生的彈塑性變形，導致作用土壓增大;

　　4)伴隨土的物理性能變化產生的彈塑性變形以及徐變變形，導致地層承載能力降低。

　　(二)地層變形機理

　　(1)盾構掘進通過某一斷面的地層變形時間曲線與盾構掘進過程中所處位置相關。如圖1K418085-2所示，某一斷面地層變形的變形一時間曲線劃分為5個階段，各階段變形原因不同，變形機理各異。

　　(2)某一斷面地層變形的第1階段：發生在盾構到達該斷面之前，主要表現為地下水位降低產生固結沉降。第2階段：盾構通過該斷面前，若盾構控制土壓(泥水壓)不足或過大，則開挖面正前方土體彈塑性變形引起地層沉降或隆起。第3階段：發生在盾構通過該斷面時，由于超挖、糾偏、盾構外周與周圍土體的摩擦等原因而發生地層沉降或隆起。第4階段：盾構通過該斷面后產生的彈塑性變形;若襯砌背后與洞體的空隙填充不及時造成地層應力釋放，則土體的彈塑性變形引起地層沉降;若襯砌背后的填充注漿壓力過高，則附加土壓引發地層隆起。第5階段：盾構通過該斷面后長時間地發生后續沉降，主要由于盾構掘進造成的地層擾動、松弛等引起，在軟弱黏性土地層中施工表現最為明顯，而在砂性土或密實的硬黏性土中施工基本不發生。

　　(三)既有結構物變形與變位

　　(1)盾構掘進產生地層變形的同時，既有結構物的外力條件或承載能力發生變化。

　　(2)外力條件或承載能力的變化使得既有結構物發生沉降、傾斜、斷面變形等變位與變形現象，其變位與變形的程度取決于工程條件、地質條件與既有結構物構造特征。這里，工程條件主要是指隧道線形、近接施工區間的長度、是否采取隔離措施等;地質條件是指既有結構物與隧道之間地層的物理力學參數;既有結構物構造特征主要包括斷面形狀、強度、變形特性。

　　三、盾構掘進地層變形控制措施

　　由于盾構掘進地層變形各階段的機理不同，因此必須有針對性地采取控制措施。

　　(一)前期沉降控制

　　(1)前期沉降控制的關鍵是保持地下水壓。

　　(2)保持地下水壓措施：

　　1)合理設定土壓(泥水壓)控制值并在掘進過程中保持穩定，以平衡開挖面土壓與水壓。

　　2)保持開挖面土壓(泥水壓)穩定的前提條件：對于土壓式盾構是泥土的塑流化改良效果，應根據地層條件選擇適宜的改良材料與注人參數;而對于泥水式盾構則是泥漿性能，應根據地層條件選擇適宜的泥漿材料與配合比。

　　3)防止地下水從刀盤主軸密封、鉸接密封、盾尾以及拼裝好的襯砌結構滲入。為此，應保持盾構刀盤驅動、鉸接、盾尾等部位密封完好，保證盾尾密封油質注入壓力與注入量，管片密封與拼裝質量滿足規范要求。

　　4)土壓式盾構在地下水位高且滲透性好的地層掘進時，采取有效的防噴涌措施，以防止地下水從螺旋輸送機涌人。

　　(二)開挖面前沉降(隆起)控制

　　(1)開挖面前沉降(隆起)控制的主要措施是土壓(泥水壓)管理，真正實現土壓(泥水壓)平衡。

　　(2)通常采取的措施有：

　　1)合理設定土壓(泥水壓)控制值并在掘進過程中保持穩定，以平衡開挖面土壓與水壓。

　　2)保持開挖面土壓(泥水壓)穩定的前提條件：同1K413035中三、(一)(2)2)

　　3)加強排土量控制。

　　4)對于土壓式盾構，必要時還應對盾構推力、推進速度、刀盤扭矩等盾構參數進行控制。

　　(三)通過時沉降(隆起)控制

　　通過時沉降(隆起)控制措施主要有2種：

　　(1)控制好盾構姿態，避免不必要的糾偏作業。出現偏差時，應本著“勤糾、少糾、適度”的原則操作。在較硬地層中掘進的場合，糾偏時或曲線掘進時需要超挖，應合理確定超挖半徑與超挖范圍，盡可能減少超挖。

　　(2)土壓式盾構在軟弱或松散地層掘進時，盾構外周與周圍土體的黏滯阻力或摩擦力較大時，應采取注漿減阻措施。

　　(四)尾部空隙沉降(隆起)控制

　　尾部空隙沉降(隆起)控制的關鍵是采用適宜的襯砌背后注漿措施，主要有：

　　(1)用同步注漿方式，及時填充尾部空隙。

　　(2)根據地質條件、工程條件等因素，合理選擇單液注漿或雙液注漿，正確選用注漿材料與配合比，以便拼裝好的襯砌結構及時穩定。

　　(3)加強注漿量與注漿壓力控制。

　　(4)及時進行二次注漿。

　　(五)后續沉降控制

　　后續沉降主要在軟弱黏性土地層中施工時發生，主要控制措施是：

　　(1)盾構掘進、糾偏、注漿等作業時，盡可能減小對地層的擾動。

　　(2)若后續沉降過大不滿足地層沉降要求，可采取向特定部位地層內注漿的措施。

　　四、既有結構物保護措施

　　(一)按實施對象劃分近接施工中既有結構物保護措施

　　(1)盾構施工措施;

　　(2)對既有結構物采取措施;

　　(3)盾構隧道與既有結構物之間采取措施。

　　(二)盾構施工措施

　　盾構施工措施，主要是控制地層變形，同時減少對地層的擾動(詳見1K413035中三)。

　　(三)對既有結構物采取的措施

　　對既有結構物采取的措施通常有結構物加固、下部基礎加固及基礎托換三類。結構物加固包括墻體加固、增設閉合框架加固、增加支撐等方式，以增強結構物本身抵抗變形的能力。下部基礎加固有加固樁、網狀樁和錨桿等方法，以提高結構基礎的抗變形能力。基礎托換是用新的基礎結構替換受施工影響的結構物下部基礎。

　　(四)新建隧道與既有結構物之間采取的措施

　　新建隧道與既有結構物之間采取的措施主要有三種：

　　(1)盾構隧道周圍地層加固(如圖1K413035-3所示);

　　(2)既有結構物基礎地層加固;

　　(3)隔斷盾構掘進地層應力與變形。

　　1.盾構隧道周圍地層加固

　　盾構隧道周圍地層加固的其目是提高周圍土體強度，以減小盾構掘進時對周圍地層的擾動，使加固區以外的地層不產生松弛，從而保護既有結構物。通常采用的方法有：注漿加固、高壓噴射攪拌等。

　　2.既有結構物基礎地層加固

　　既有結構物基礎地層加固，是以提高結構物地基承載力、減小結構物地基變形為目的。通常采用的方法同樣是：注漿加固、高壓噴射攪拌等。

　　3.隔斷盾構掘進地層應力與變形

　　隔斷盾構掘進地層應力與變形，就是在盾構隧道與既有結構物之間構筑剛性好的構造體，以隔斷地層變形對既有結構物的影響。通常的方法就是在盾構隧道與結構物之間施作隔斷樁，具體可選用高壓旋噴樁、鋼管樁、柱樁、連續墻等形式。

　　【案例1K413035】

　　1.背景

　　某地鐵隧道盾構法施工，隧道穿越土層有黏土、粉土、細砂、小粒徑砂卵石、含有上層滯水，覆土厚度8～14m，采用土壓平衡盾構施工。施工項目部依據施工組織設計在具備始發條件后開始隧道施工，掘進過程中始終按施工組織設計規定的各項施工參數執行。

　　施工過程中發生以下事件：

　　事件一：拆除始發工作井洞口圍護結構后發現洞口土體滲水，洞口土體加固段掘進時地表沉降超過允許值。

　　事件二：在細砂、砂卵石地層中掘進時，土壓計顯示開挖面土壓波動較大;從螺旋輸送機排出的土砂坍落度較低。

　　2.問題：

　　(1)施工項目部依據施工組織設計開始隧道施工是否正確?如不正確，寫出正確做法。

　　(2)掘進過程中始終按施工組織設計規定的各項施工參數執行是否正確?如不正確，寫出正確做法。

　　(3)分析事件一發生的主要原因以及正確的做法。

　　(4)分析事件二發生的主要原因以及應采取的對策。

　　3.參考答案

　　(1)不正確。根據住房和城鄉建設部《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法》(建質[2009]87號)的規定，盾構工程屬于危險性較大的分部分項工程，開工前施工單位必須編制專項施工方案，并應組織專家對專項方案進行論證。

　　(2)不正確。首先，在初始掘進過程中應根據收集的盾構掘進數據(推力、刀盤扭矩等)及地層變形量測量數據，判斷土壓(泥水壓)、注漿量、注漿壓力等設定值是否適當，及時進行調整，并通過測量盾構與襯砌的位置，及早把握盾構掘進方向控制特性，為正常掘進控制提供依據。其次，由于掘進過程中地層條件、覆土厚度等差異很大，應根據實際情況適時調整施工參數。最后，根據反饋的監控量測數據及時調整相關的施工參數。

　　(3)事件一發生的主要原因是洞口土體加固效果不滿足要求。正確做法是：

　　1)根據地質條件、地下水位、盾構種類與外形尺寸、覆土深度及施工環境條件等，明確加固目的后，合理確定加固方法與加固范圍;本案例的加固目的，既要加固又應止水。

　　2)拆除洞口圍護結構前要確認洞口土體加固效果，必要時進行補注漿加固。

　　(4)事件二發生的主要原因是塑流化改良效果欠佳。應采取的對策主要有：

　　1)選擇適宜的改良材料，并適當提高添加比例。

　　2)開挖面土壓波動大的情況下，開挖面一般不穩定，此時應加強出土量管理。

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