复杂地质条件对盾构施工的影响及控制措施

李士永，郭利刚，董会民

北京城建勘测设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210000

地铁盾构施工对周围建（构）筑物、地面交通影响小，施工速度快，能够适应各种复杂地质条件，是地铁建设中常用的工法之一[1]。地铁盾构施工经常遇到影响施工进程和安全的复杂地质条件，有大粒径砂卵石地层、高度软硬不均地层、软土地层、硬岩、基岩突起与孤石、岩溶隧道与水体下浅覆土等，国内外学者已进行过大量研究，并取得了诸多技术突破[2-4]。文章以某地铁隧道为例，介绍大面积厚填土下隧道穿越软土时的复杂地质条件对盾构施工的影响以及采取的控制措施。

1 工程概况

拟建隧道长度约1045m，底板埋深约8.7～17.0m，隧道直径6.2m，左右线间距约15m，设置1设联络通道，正线采用盾构法施工，联络通道采用冻结加固矿山开挖法施工。拟建隧道沿规划道路敷设，周边环境以荒地为主，靠近大里程端下穿高架桥和侧穿住宅楼。

2 地质情况

2.1 工程地质

拟建工程场地位于南京河西地区，属于长江漫滩地貌单元，地形起伏较为平缓，地势呈西高东低状，勘察期间实测钻孔孔口标高为4.43～11.89m。场地覆盖层约60m，受人类长期活动影响，场地分布较厚填土层（2.9～11.5m），下部以全新世中晚期沉积的新近沉积土（包括淤泥质粉质黏土、粉质黏土与粉砂互层、粉细砂层和中粗砂层）为主，下伏基岩为泥岩、粉砂质泥岩。

隧道穿越地层主要为淤泥质粉质黏土，如图1所示。场地内淤泥质粉质黏土具有压缩性高、含水量大、强度低和透水性差的特点，工程性质极差。隧道上方堆填大面积厚填土，均匀性差，土层松散，强度低，压缩性高，易变形坍塌。

图1 拟建隧道某段地质剖面图

2.2 水文地质

场地地下水主要为孔隙潜水和承压水。潜水主要分布于上部人工填土，埋深1.40～9.50m，受季节性变化影响较大；承压水分布于中下部巨厚砂层，埋深4.10～5.90m，雨水期水位略有提高。潜水的补给来源主要为大气降水、管道渗漏和场外含水层的侧向径流补给，以蒸发、侧向径流为主要方式排泄；承压水补给来源为场外含水层侧向径流及孔隙潜水越流补给，以地下径流为排泄方式。

3 地质条件对盾构施工影响分析及控制措施

3.1 地面沉降及控制措施

拟建隧道主要穿越淤泥质粉质黏土层，隧道上方是大面积松散厚填土，地层稳定性极差，洞身侧壁、掌子面易失稳，易坍塌变形，造成地层损失过大，引起地面过大沉降。

地面沉降控制原则是采取各种措施保持隧道周围岩土体稳定，防止水土流失进而控制地面沉降。就该工程而言，主要采取以下控制措施[5]。

（1）对隧道周围土体进行加固改良，一般采用水泥搅拌桩或者高压旋喷。

（2）盾构在推进过程中应合理设置土压力值，保持开挖面平稳，防止超挖和欠挖，选用土压平衡式盾构设备，减少对土层的扰动。

（3）控制盾构姿态，推进轴线尽量与隧道轴线保持一致，严格控制盾构纠偏量，减少盾构在地层中的摆动与对地层的扰动。

（4）选择合理的掘进参数，提高隧道施工速度和连续性，减小施工对地层的影响。

（5）严格控制好盾尾注浆，使用合适的添加剂对土体进行改良，必要时进行二次注浆，同时选用抗渗性较好的衬砌结构。

3.2 填土的影响及控制措施

隧道上方分布有大面积厚填土，具有均匀性差、强度低、稳定性差的特点。填土层被盾构施工切割后留下的临空土体毫无自身稳定能力，造成地面沉降或垮塌。填土不仅对隧道施工影响较大，还对地铁运营安全造成威胁。后期建设开发卸载会使地基土产生回弹，从而导致已建成隧道产生隆起的风险，不均匀隆起变形会造成管片开裂，严重时会影响地铁的正常使用。建议采取以下技术措施加以防范。

（1）在隧道施工前对场地堆积填土进行换填、清运、加固及整平处理，加固范围不小于盾构影响范围，整平后的地面标高宜按地块规划控制要求确定。

（2）施工时控制好盾构姿态和掘进速率，加强同步注浆，做好信息化施工管理，及时调整掘进参数，减少填土对盾构施工的影响。

（3）对隧道周围土体进行加固改良，减少后期堆载可能对建成隧道的影响，保证隧道结构安全。

（4）运营期加强对自身及周边工程建设监控，严控隧道两侧及隧道上方的工程建设行为。

3.3 浅覆土层地段的影响及控制措施

拟建隧道部分地段上覆土层厚度约4m，小于1倍的隧道直径（6.2m），属于盾构浅覆土地段。地下水埋深较浅，浅覆土地段隧道易上浮引发地面隆起，进而造成冒水、冒浆事故，同时覆土浅与水头压力高造成土压平衡不易建立。

为确保盾构安全，建议盾构前对浅覆土段进行分层回填压实处理，达到规划控制标高，必要时对隧道周围土体进行预加固处理。由于覆土荷载小，使开挖面压力允许范围缩小，在盾构掘进中，应严控开挖面压力，选用优良泥浆或添加剂，尽量减小对地表的影响，最好使用早期强度高、凝结时间短的壁后注浆材料。施工过程中根据实际工况，精确控制好土压、掘进速率以及盾构姿态等，严控出渣量，加强管片选型和拼装工作及施工监测，保证施工的连续性[6]。

4 结束语

地铁盾构施工中地面沉降是不可避免的，尤其在当隧道埋深较浅，周围土质较差的情况下，盾构掘进对地层的扰动更为明显，同时复杂的地质条件可能造成隧道隆起、地面冒水冒浆、管片开裂等事故。查清场地工程地质条件与水文条件，结合工况对不良地段进行预加固，施工过程中严控土仓压力、掘进速率及出渣量，还应严控盾构纠偏量，保持开挖面平稳，减少地层的扰动，保证同步注浆与二次注浆饱满，加强施工监测，及时调整掘进参数等，做好信息化施工管理等措施，最终确保施工安全与质量。