湿陷性黄土地层盾构施工对地表沉降的控制技术

鞠志华

摘要：随着地铁施工在全国范围内的普及，盾构机掘进在全国城市隧道工程项目施工过程中得到广泛运用，盾构施工不可避免的对周围土体产生扰动或破坏，导致地表、地下管线和周边建筑物的沉降，本文通过西安地铁4号线TJSG-12标区间隧道盾构法施工中采用了全过程监控，总结了盾构机通过湿陷性黄土段地层时对地表变形、地下管线沉降、建筑物沉降等方面监测结果进行统计，并分析盾构施工区段的沉降情况及规律，并在此基础上有针对性地改进施工工艺和修改施工参数。研究成果可供其他类似工程参考。

关键词：地铁；盾构；湿陷性黄土；地表沉降；注浆

一、工程概况

西安市地铁四号线工程（航天东路站～北客站）土建施工项目D4TJSG-12标段包含两站三区间，即含元路站～大明宫站区间、大明宫站、大明宫站～玄武路站区间、玄武路站、玄武路站～曹家庙站区间。

二、工程地质情况

（一）元路站～大明宫站区间。

区间跨越两个地貌单元，南段为洪积II级台地，地层为地表分布有厚薄不均的全新统人工填土（Q4ml）；其下为上更新统风积（Q3eol）新黄土及残积（Q3el）古土壤；再下为上更新统洪积（Q3pl）粉质黏土、砂层等。北段为湖积III级台地，地层为地表分布有厚薄不均的全新统人工填土（Q4ml）；其下为上更新统风积（Q3eol）新黄土及残积（Q3el）古土壤；中更新统风积（Q2eol）新黄土及残积（Q2el）古土壤；再下为中更新统湖积（Q2l）粉质黏土、砂层等。

不良地质现象及特殊岩土：根据本次勘察结果，拟建场地地下水位以上3-1-1层新黄土（水上）具湿陷性。区间洪积II级台地区域湿陷性土层厚度小于5.1m，最大埋深为6.7m，自地面下1.5m起算场地地基湿陷等级为I级（轻微）；湖积III级台地湿陷性土层厚度小于10.0m，最大埋深为11.5m，自地面下1.5m算起场地地基湿陷等级为II级（中等）～III级（严重），建议按III级（严重）考虑。

（二）大明宫站～大明宫北站区间。

大明宫站～大明宫北站区间场地内地层为：地表分布有厚薄不均的全新统人工填土（Q4ml）；其下为上更新统风积（Q3eol）新黄土及残积（Q3el）古土壤；再下为上更新统冲积（Q3al）粉质黏土、砂层等。

不良地质现象及特殊岩土：根据勘察结果，拟建场地地下水位以上3-1-1层新黄土（水上）具湿陷性。本区间湿陷性土层厚度小于11.9m，最大埋深为15m，本區间自地面算起场地地基湿陷等级为II级（中等）～III级（严重）。

（三）大明宫北站～余家寨站区间。

大明宫北站～余家寨站区间场地内地层为：地表分布有厚薄不均的全新统人工填土（Q4ml）；其下为上更新统风积（Q3eol）新黄土及残积（Q3el）古土壤；再下为上更新统冲积（Q3al）粉质黏土、中砂等。

不良地质现象及特殊岩土：根据本次勘察结果，拟建场地地下水位以上3-1-1层新黄土（水上）具湿陷性。本区间湿陷性土层厚度小于15.8m，最大埋深为17.0m，本区间自地面算起场地地基湿陷等级为II级（中等）～III级（严重）。

三、现状地表沉降情况调查

根据已完成施工区段（含元殿站-大明宫站盾构区间）地表沉降数据统计调查，虽然地表沉降点的监测数据最大沉降量为-26.3mm，没有超过规范要求的沉降控制值-30mm，但是盾构机通过的几天沉降速率最大点-4.52mm/d已经超出规范允许4mm/d要求，具体数据见图1。

由上图可以看出在盾尾部位通过时（1月9日-1月12日），地表沉降点位沉降速率变化明显加大，12日时最大点位169D3（位于隧道中线上）已经超过报警值，现场经过专题会议研究后，采取及时进行同步注浆及二次注浆，稳定推进速度，保证土仓压力等措施后，在后续盾构施工中地表沉降速率均控制在2mm/d，累计沉降控制在15mm以内。

四、地表沉降的产生原因及其特点

（一）盾构推进引起的地表沉降。

盾构推进引起的地层损失和盾构隧道受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。主要表现在以下几方面：

1.隧道的开挖破坏了地层原来的平衡状态并使周围土体受到扰动以及地下水位的变化导致地层原始应力状态的改变，这些都会造成土体变形和地表下沉。

2.当向盾尾和衬砌之间的建筑空隙中注浆不及时或者注浆不足时，均会造成盾尾隧道周边土体向盾尾环形空隙移动而引起地表沉降。

3.盾构掘进时，开挖面土体受到的水平支护应小于原始侧向应力，则开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降。

4.隧道衬砌结构及接缝防水处理不当或者施工质量差而出现隧道渗漏点，导致水土流失，而出现严重不均匀沉降。

（二）湿陷性黄土地区地铁隧道施工中的影响因素。

1.根据本工程的勘察设计文件，隧道上方湿陷性黄土层为地下水位以上3-1-1层新黄土，湿陷性等级Ⅰ级（轻微）、Ⅱ级（中等）、Ⅲ级（严重）在工程范围内均有分布。

2.黄土地质中的施工影响因素。

在黄土土质进行盾构法地铁隧道施工，对施工存在的影响因素有：

（1）黄土自身湿陷性性质。湿陷性黄土的工程特性：湿陷性黄土是一种特殊性质的土，其土质较均匀、结构疏松、孔隙发育。在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较小。当在一定压力下受水浸湿，土结构会迅速破坏，产生较大附加下沉，强度迅速降低。

黄土的湿陷性判断：天然含水率较低的黄土，在遇水后，其自身稳定性和结构强度因胶结作用破坏而急剧降低，可能在其自重作用下产生较大变形或坍塌。

（2）湿陷性黄土层与盾构施工隧道开挖面在土层中的相对位置关系。盾构施工开挖时，土层的整体性会因外力作用而发生节理断裂破坏，软弱土层与开挖面的相对位置对施工安全有较大影响，在顶部时容易发生坍塌事故，在侧面是容易发生土体剥落。

（三）地表沉降的特点。

盾构推进施工引起的地表和土体沉降位移按地表沉降变化规律可分为开挖面沉降（或隆起）、尾部沉降、尾部空隙沉降和长期延续沉降等四个阶段。

1.开挖面沉降：盾构刀盘前端10m范围内所发生的沉降变化。一般发生沉降，但沉降量很小，主要是盾构掘削面引起的地下水位降低而发生的，当设定土压值较小，推力较小，出土量大于l00%时，地表开始发生沉降。

2.尾部沉降：拼装好的管片脱离盾尾后形成的管片与周围土体间隙引起的地表沉降，盾体上方10m范围内所发生的沉降变化，在土体与管片之间有一道宽度为125～140mm的环型空隙，环形空隙导致周围土体失稳，并在进行注浆填补空隙时浆液使周围土体受水浸湿，土结构会迅速破坏，产生较大附加下沉。

3.尾部空隙沉降：注浆完成后浆液凝结及土体固结时引起的地表沉降，盾体尾部10m范围内，因浆液的凝结及周围土体的再次固结过程引起的地表沉降。

4.长期延续沉降：浆液凝固及土体稳定后地表沉降渐趋于稳定，盾体后端20m以后，因为注浆浆液凝固强度上升，周围土体重新固结，地表沉降也趋于稳定。地面沉降主要特点：—是在盾构掘进面的前方可能产生地表沉降；二是施工时，除土体损失引起的沉降外，还存在盾尾空隙导致的沉降。

五、地表沉降的控制技术

盾构施工中会造成地层的地层损失、地层原始应力状态变化、土体固结、土体的蠕变，还可能发生支护结构的变形等情况，所以，进行地层沉降控制，其出发点是保持或者加强原有地层的稳定性维持其稳定的应力平衡状态。

（一）监测数据的整理与反馈。

盾构施工监测的项目有地表沉降、地下管线沉降、建筑物沉降、裂缝、隧道衬砌沉降、盾构开挖面土压、推力、出土量、注浆量、盾构姿态等。盾构施工监测项目以及方法见表1。

（二）提高注浆技术。

因为注浆材料本身的体积收缩，使填充孔隙的材料在一段时间后会出现萎缩。因此，注意注浆时候的每一道工序及注浆压力，注浆点位，浆液配合比。可以通过注浆最大程度减小地面沉降。

注浆的目的是为了尽快填充环形间隙，使管片尽早支撑地层，防止地面变形过大而危及周围环境安全，同时加强管片外防水并使隧道整体受力。

1.选浆。

同步浆液：纯砂浆浆液凝固时间应尽量缩短，减小浆液在管片壁后形成汇流，并尽快产生强度，根据本标段地表沉降情况，浆液凝固时间控制在7h。

二次浆液：纯水泥浆和速凝剂（水玻璃）配合，通过调节配合比及浆液稠度，控制浆液初凝时间及浆液强度。

2.注浆压力控制。

注浆压力略大于该地层位置的静止水土压力，同時避免浆液进入盾构机的土仓中。最初的注浆压力是根据理论的静止水土压力确定的，在实际掘进中将不断优化。如果注浆压力过大，会导致地面隆起和管片变形，还易漏浆。如果注浆压力过小，则浆液填充速度赶不上空隙形成速度，又会引起地面沉陷。注浆压力取1.1～1.4倍的静止水土压力，最大不超过3.0bar。

同步注浆压力控制为：峰值为2.0bar以内，稳定注浆压力为1.2～1.4bar，四个点位均匀分布注浆。

二次注浆。注浆压力控制在1.4bar～1.6bar。浆液胶凝时间控制在40s～60s，凝固时间控制在5min以内。通过浆液注射压力，控制地表沉降。

3.注浆点位的选择。

同步注浆：本标段使用盾构机为中国铁建重工生产ZTE-6280土压平衡盾构机，注浆点位分布在2点、4点、8点、10点位置，共有4个同步注浆点位。根据不同情况可选择点位进行注浆，我标段出现地面沉降时，选择点位为4个注浆孔同时进行。

二次注浆：每环管片共有六个二次注浆孔，根据管片拼装封顶块点位选择不同，注浆点位略有变化，基本分布为1点、3点、5点、7点、9点、11点位，共六个二次注浆孔。根据地面沉降情况，我标段选择在1点、11点位进行。

4.注浆时间及注浆量控制。

注浆时间和速度在不同的地层中根据不同凝结时间的浆液及掘进速度来具体控制注浆时间的长短。做到掘进、注浆始终同步，不注浆、不掘进，通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来确定注浆时间。

注浆量建筑空隙填充体积理论上控制在140%～180%之间，即每环管片注浆量约在5.5～6.9m3之间，还需根据实际注浆情况积累数据，随时对注浆量加以调整。

六、总结

根据规范要求，城市地铁施工地表沉降量必须控制在+10～-30mm。尽管城市地铁施工对地面沉降的控制要求十分严格，但由于工程施工环境的复杂性，盾构施工中地表沉降还是不可避免地会发生。因此，采取合适的盾构施工技术、地层沉降控制措施也是十分必要的。盾构施工选用全过程信息化管理的方法，将盾构机掘进参数、设备工作参数与地层、地面监测参数实行同步管理，通过预测、监测对施工设备参数及时调整，有效的控制地表沉降。

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