上软下硬复合地层盾构施工地表沉降控制研究

卢嘉伟

（广东远顺建筑设计有限公司，广东 佛山 528000）

在一些隧道施工中，常应用到明挖法和暗挖法，其中暗挖法中便包含盾构法施工。盾构法具有安全、经济、快速等优点，在近些年成为了隧道工程施工的首选。但是在盾构机推进的过程中会造成地层扰动，导致地表沉降，也会对其他地下管线造成一定的影响，从而降低工程施工的稳定性。针对这一情况，工程在施工前，需要在现场合理布设监测点，测量地层地质的实际情况，掌握地表横向、纵向沉降变形规律，制定有效的控制措施，充分发挥盾构法优势，提高施工稳定性。

1 上软下硬复合地层盾构施工地表沉降机理分析

1.1 超前沉降阶段

根据工程要求合理地布设监测点，并利用专业的仪器收集各项数据信息，以了解盾构施工的沉降影响。超前沉降指的是盾构到达监测点之前，盾构的开挖施工操作已经对周围的岩土体产生了一定的扰动，这种扰动作用会向前方一定范围内进行扩散，导致盾构前方的岩土体发生一定的变形。超前沉降阶段所引发的沉降量较小，主要是由于在施工之前地下水位有所降低，由于盾构作用的影响，导致地层产生了固结沉降。

1.2 盾构到达沉降阶段

当到达监测点的正下方时，由于开挖面的水平压力控制不均，水平支护力难以支撑水土压力，导致开挖面出现了沉降位移。而当水平支护力大于水土压力时，盾构机前方的岩土体便会向前位移，开挖面向上隆起。由于在施工过程中开挖面的水土压力不断变化，因此该阶段的沉降也会发生较大的变化。

1.3 盾构通过沉降阶段

当通过监测点正下方时，盾构机和土体之间存在一定的摩擦力，会对周围的岩土体产生一定的作用，这一剪切应力会导致岩土体的应力发生变化，出现变形。此时，盾构姿态发生偏移，不在平行于隧道的中心轴线，从而出现了一定的间隙，导致地底层损失。这一沉降主要是由摩擦力导致的，岩土体剪切变形只出现在软弱层，下部的硬岩层具有较强的硬度，剪切应力作用不大。而且在施工中，盾构机掘进的方向上，硬岩起伏不定，很难控制硬度盾构姿态。当盾构机从软弱层进入到硬岩层时，阻力突然增大，盾构机的推力依旧处于软弱层的设置状态下，突然的改变很有可能导致盾构机头部出现磕头现象。

1.4 盾尾脱出沉降阶段

当完全通过监控点下方后，下部的硬岩强度大，盾尾地层所引起的变形较小，但是由于软岩空间占比与力学性质的一定影响，盾尾损失会造成岩土体变形和地表沉降。为了很好地控制这一情况，需要利用盾尾注浆进行填充，但是注浆压力的控制不当，也会导致上部软弱层受到较大的扰动。而且如果浆液的凝结时间较长，在初凝之前，周围的岩土体已经开始位移，发展变化，导致隧道周围的岩土体变形，引发地表沉降。

1.5 受扰土体固结阶段

当隧道周围土体进行开挖时，岩层被切削挤压会产生超孔隙水区。盾构机通过后，孔隙水的压力逐渐消散、排出，土体便会发生固结沉降的现象。而地下水补给导致周围水位上升，导致抬升地表，会抵消一部分固结沉降，因此受扰土体固结的作用影响不大。

通过分析以上5个阶段的不均匀沉降和岩土体变形可以发现，上软下硬复合地层盾构施工中出现地表沉降的主要影响因素包括软弱层的力学性质、软弱层的含水率、软弱层组合的空间形态、开挖面的支护力、盾构推力、注浆操作等。

2 上软下硬复合地层盾构施工地表沉降的监测点布设方案

不同的工程会应根据实际情况选择监测方法，合理地布设监测点。以某地铁隧道工程开挖为例，分析地表沉降监测点的布设，掌握横纵断面的沉降规律，制定有效的控制措施，保障了盾构施工的稳定性。

2.1 工程概况

本工程为某市区的地铁隧道施工项目，线路全长36.2km，全站为地下站。项目结构顶板和底板穿越的地层包括中风化灰岩层、粘土层、全风化页岩层和强风化页岩层，地质条件十分复杂。在沉降监测中主要利用半圆头钢筋制作而成，将沉降观测点设置在孔内做好保护工作，然后用混凝土进行固定处理。在隧道内每隔8m设置了一个沉降观测点，监测的数据实时传输到总控制中心。

2.2 监测频率和控制标准

当6D＜L＜9D时，监测的频率为3～5天一次，当5D＜L＜7D时监测的频率为2天一次，当L＜4D时监测的频率为1天一次。当监测的数据趋于稳定后，半个月或者一个月一次。L是监测点到开挖面的水平距离，D是盾构法隧道的开挖直径。施工的沉降量控制标准为±20mm，沉降速率为±7mm/d。

2.3 监测方法

本工程地表沉降监测采用了电子水准仪和相配套的条码水准尺。电子水准仪的精度存在一定的偏差，按照国家的二等水准测量技术标准进行作业。

2.4 监测数据分析

经过一段时间的监测后，监测人员掌握了大量的数据信息，将其进行整理，均匀分布在研究段上，根据数据的变化特点，判断地表沉降的具体情况，总结纵断面的沉降规律。当盾构施工遇到软硬结合面时，如果没有及时调整参数，便会造成一定的土层扰动，导致沉降问题的发生。

3 上软下硬复合地层盾构施工地表沉降的控制措施

3.1 施工技术的控制

在上软下硬复合地层盾构施工中，为了防止地表沉降，需要做好施工技术的控制工作。首先，控制土仓压力和出土量，主要是由于在施工中，地层施工会对上部的软弱层产生一定的地层扰动，控制好土仓压力，为开挖面提供一定的支护力，根据隧道工程的具体情况合理设计埋深，并控制好施工的速度，确保水土压力平衡，才能有效控制地表沉降。其次，需要做好盾构推力的控制工作。当盾构机接触到硬岩地层时，下部的阻力会增大，盾构机面临较大的压力，会出现磕头问题。针对这一情况在利用盾构机接触硬岩地层时，需要加大千斤顶推力，确保盾构机的稳定推进。最后，还需要控制好注浆因素。盾构机施工时，如果施加较大的注浆压力，便会对上层的软弱层产生一定的影响，出现变形等情况威胁到整个工程的施工安全性，但是，如果压力较小，浆液难以进入到岩体间隙层。因此，在施工时，需要施工人员严格地控制好注浆的压力，合理调配浆液的含水量、粘稠度和颗粒度，确保注浆施工符合工程要求。

3.2 地层改良控制

3.2.1 硬岩层改良措施

在上软下硬地层的结构中，硬岩层的存在很容易造成盾构姿态的改变。在盾构施工中，硬岩层使刀盘开挖面上下部的岩土体切削程度不同，会导致开挖面和隧道周围的土体发生较大的地层损失。针对这一情况，在实际操作中，会选择冲孔桩基、竖井开挖、地面钻孔等各种形式来破除局部硬岩，达到良好的清理效果，或者在隧道开挖的过程中，利用人工操作爆破硬岩，但是这一方式成本高、风险大，还会影响到盾构施工的进度。

3.2.2 软弱层改良措施

软弱层改良主要是对软弱层进行加固措施。在盾构机通过上软下硬段之前，需要做好软弱层的勘查工作，了解软弱层的具体系数，合理地调配浆液的粘稠度、含水量等等，确定软弱层施工标准，进行注浆加固。除此之外，也包括旋喷桩、锚杆加固等多种措施。在盾构隧道内，对两侧软弱层和开发面积的软弱层都采用了加固处理，但是由于受到地表条件的影响，在隧道内主要采用注浆的方式进行加固，不仅节省了经济成本，还具有较高的稳定性，施工操作简单，为盾构施工奠定良好的基础。

4 结语

上软下硬复合地层进行施工时，需要综合分析地层受到的各种影响因素，做好前期的勘查和准备工作，合理设计方案。做好工程监测工作，收集各项数据，通过分析处理，了解沉降的情况和主要影响因素，制定有效的控制措施，尤其是盾构施工技术的控制，控制好盾构推力，合理调整参数。在改良软弱层和硬岩层的同时，保障施工稳定性，全面控制沉降问题。