复杂地质下盾构掘进对周围环境的影响分析

谢鲁华

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

随着地下空间的开发与利用，我国逐渐增加运用盾构工法的力度，相比较传统钻爆法，盾构工法的优势在于能极好地适应各种地质条件、具有较高的安全性、很高的自动化、影响建筑的程度较小以及能很好地控制塌陷的地表等。应用盾构法成功的城市有深圳、广州以及南京等，这项技术在我国的应用逐渐健全。

1 土压平衡式盾构情况

土压平衡式盾构的别称是泥土加压式盾构机、削土密封式盾构机，这种方式适用的区域是隧道的混合地层、软土、硬岩以及软岩，进行工程建设时采的方式是敞开、土压平衡以及气压平衡，在进行操作时控制的方法可以是手动控制、自动控制，也可以是半自动控制。盾构机的系统包含自动导向，可以控制挖掘的方向，转向比较灵活，同时纠正方向偏转的作用也很好，可以保证误差约20 mm。盾构刀盘结构具有刀具(滚刀、齿刀)的互换性和可更换性，所以，其具有更广的适应能力，挖掘的进度以及区域的标准都由注浆系统来保障，从而保护附近的建筑以及对附近塌陷的土体进行控制。盾构的系统还包含注入膨润土以及泡沫，还有空气压缩系统使渣土得到改良，对于地表的沉降可以有效控制，同时还可防止渗水[1]。

2 工程概况

这个区间的结构包含的隧道分为左右2个，通过3组平行的曲线进行分布，有800 m，1000 m以及1500 m的半径，通常呈现的是V形的纵坡，3000 m是最大的纵坡，将竖曲线设置在变坡点处，通常3000 m以及5000 m为曲线的半径，在（8～1.5）m的范围内设置隧道。区间隧道建设的难点以及重点工程在于玄武湖以及金川河的穿越，5.5 m的内径以及6.2 m的外径是盾构法的要求，管片的标准是350 mm的厚度以及1.2 m的宽度。区间地貌属于较为复杂地貌，然而现在经过时间的流逝以及人类的改造，成为了比较平坦的地势，密集的厂房，地下水通常在（0.8～1.5）m的范围内变化。这个地区的土具有较大的渗透系数以及较高的水位，该地层属于中高压缩性地层，具有较差的水文质地以及工程质地，同时伴随着较为复杂的周边环境，隧道建设的困难有很多，包含地下管线的大数量、建筑群的密集以及玄武湖以及金川河的穿越等。工程建设时盾构法具有促进作用，从而有力保护附近的环境，了解附近工程建设时土层的变化情况，提供有效的数据参考。

3 影响附近环境的盾构法

3.1 中间地层的损失是由于盾构法引起的

盾构法造成的土体位移通常分为3方面：淤地表位移是产生于盾构之前的。于盾构过程中产生的位移。盂结束盾构后产生的土体固结。若盾构属于土压平衡式，那么静止时的压力与未进行盾构之前的压力相接近，所以具有较小的可能是地表位移产生于盾构之前的。位移较大的原因，有可能是因为盾构过程中盾尾的间隙关闭。土的种类决定固结沉降的型号，扰动土体的状况可通过盾构机以及盾尾注浆的方式了解。固结沉降与时间有关，通常经过几个月后才能稳定[2]。

3.2 影响建筑物的沉降

检测结果显示，盾构正常工作的区域地表沉降和建筑物沉降具有一样的方式，图1所显示的是部分沉降房屋的情况，盾尾脱出管片的时期出现最大的沉降，沉降区域发生最大沉降的是轴线3 m左右，通常（-15～-25）mm范围的是主沉降区，主沉降区之外通常是-10 mm以下的沉降，盾构进行时不会影响房屋，一般会在约-4 mm的区域进行沉降。此外，房屋具有较大的刚度，沉降就会较小，同时小于同方位的地表沉降。若地段特殊，比如漏油的油缸区域，就会出现-83.7 mm的沉降，例如软流塑淤泥质粉质的黏土层，就会出现较大的沉降，这类地方的特点是灵敏度高、压缩高，可以敏感地察觉扰动。盾构扰动以及房屋荷载同时出现的前提下，底层就会出现压缩，再进行固结沉降的现象，增加地层后期的变化。面对这类的地层，就会增加控制进度以及盾构姿态的难度，减小影响变位的方法就是同步注浆，主要是因为地层呈流塑状时，浆液就不能完全注入盾尾空隙，地面就会造成很大的损失[3]。出于特殊地段的房屋出现的问题有墙体裂开、墙皮掉落等，通过观察，房屋出现裂缝，除了与沉降大有关系以外，与房屋本身的因素（年代、结构形式、基础形式等）也密切相关。

3.3 影响地下管线沉降

图1 房屋沉降与刀盘距离关系

排污管、煤气管以及给水管是隧道附近的地下管线。正态曲线分布描绘的就是出现在横断界面的沉降，适应于地表沉降。浅埋地下管线时，地下管线的沉降可以利用地表沉降取代。同时地下管线具有较小的沉降。进行盾构时对区内管线沉降的影响比较大，对区外沉降的影响较小。图2为煤气管道沉降纵向曲线。

3.4 影响地下水位

图2 煤气管道沉降纵向曲线

开挖的形式可以是土压平衡模式，几乎不会影响地下水位，盾构的进度由水位的变化所影响，水位随着盾构的进度产生的变化如图3所示。图3上部分显示的侧孔距离盾构刀盘较近，大约距离测点30 m的盾构切口会引起水位的变化，盾构切口未到达时，地下水位就会发生最大幅度地上升，通常处于43 m左右，这是因为设置的盾仓压力太大，产生的压密疏干效应作用于正面土体从而升高地下水位，在盾尾脱出以及盾构通过的时期，就会有（15～20）cm的水位下降。

4 盾构技术在复杂地质中的作用

4.1 盾构穿越软硬不均地层

与地质情况相结合，首先对实际地质情况要了解，盾构方式可以是平衡模式或土压平衡模式，改良渣土的方式可以是注入泥浆、泡沫，一定要重视控制姿态以及控制轴线的工作，比如超挖刀的合理利用，对千斤顶的及时修正、衔接千斤顶的合理利用等，从而达到控制挖掘进度、对轴线进行保护的目的[4]。

4.2 盾构越过砂层以及淤泥层段

为使盾构顺利越过砂层以及淤泥层段，一般采用土压平衡模式，对于出土量能严格把控，从而有效保障对土仓的压力，使工作面稳定，地表沉降得到控制。盾构时添加材料，如将泡沫等注入到刀盘面及土仓中，使渣土的性能得到改变，从而将渣土止水性以及流动性提高，避免喷涌以及流沙现象出现。

4.3 盾构穿越球状的风化地层

图3 盾构掘进地下水位变化与刀盘距离曲线

花岗岩球状风化，指的是球附近的岩体受到风化的影响，以及其自身的强度之间的差异较大，因此容易损坏道具，破坏刀盘，从而导致盾构发生瘫痪，面临这些问题时，工程建设的主要措施包含：进行雷达探测，将预防作为主要工作，对于爆破深孔以及地表爆破等工作以前处理，对于掘进时的不寻常的情况或者过程中出现参数异常时，及时检测有没有遇到球状风化岩体，若加大推力，就会停止掘进，此时应立刻停止工作，一定不能继续工作，掘进风化岩体时转速要高，速度要低，对于刀盘的受力以及刀具的检测必须全程关注，保证其正常运行，若刀盘卡住，那么就需要将刀盘缩回，先进行调整，再进行工作，若滚动时刀盘和球状风化岩体同时运转，那么就要以附近的情况为基础进行加固工作，然后继续进行工作，若以上的办法没有效果，就需要进行人工处理[5]。

5 结束语

在盾构隧道上进行建筑时，需要着重考虑构建物的倾斜、沉降和建筑物所处的地层及沉降槽内的有关位置部分。构筑物因地基沉降而产生沉降和倾斜，对于基础好、结构整体刚度大的构筑物，其不均匀沉降较小且危害小；对于基础较差、整体刚度小的构筑物，易产生裂缝和结构性破坏。