富水砂层盾构隧道纵向不均匀沉降及实时监测方法研究

鞠海峰

（中国能源建设集团南方建设投资有限公司，广东深圳518126）

1 引言

盾构法是城市地铁隧道施工中应用最广泛的工法， 具有安全、高效等特点，但在施工期间会对周边环境产生影响，若形变过大，会造成一定的风险[1]。 特别是近年来盾构隧道施工安全事件不断，例如，某城市地铁2 号线盾构区间于2018 年2月7 日发生的大面积地面塌陷， 酿成8 人死亡、3 人失联的安全事故，给人民生命财产安全造成巨大损失。 基于此，本文以哈尔滨地铁2 号线为例， 对盾构隧道区间不均匀沉降及实时监测展开分析、研究，对类似地层盾构隧道安全施工具有重要意义。

2 工程案例

2.1 工程简介

哈尔滨轨道交通2 号线人民广场站—中央大街站—尚志大街站区间为两条6 m 外径圆形断面隧道，采用盾构法施工，由辽宁三三工业生产的11#、12#盾构机负责施工。 其中，人民广场站—中央大街站区间右线起讫里程为SK16+148.226～SK16+849.813，全长701.587 m，线路最大坡度为21‰，最小坡度为2‰，隧道埋深约为10.2～18.2 m；中央大街站—尚志大街站区间右线起讫里程为SK16+988.813（XK16+988.813）～SK17+708.800（XK17+708.800），全长719.987 m，线路最大坡度为23.052‰，最小坡度为2‰，隧道埋深约为10.2～15.4 m。人民广场站—中央大街站—尚志大街站区间示意如图1所示。

图1 人民广场站—中央大街站—尚志大街站区间示意图

2.2 工程水文地质情况

人民广场站—中央大街站区间盾构穿过地层主要为<2-3-1> 中砂、<2-4> 粉质黏土、<2-4-1> 砾砂及<2-4-2> 粉质黏土层； 中央大街站—尚志大街站区间盾构穿过地层主要为<2-3>细砂、<2-3-1>中砂、<2-4> 粉质黏土及<2-4-2> 粉质黏土层。

本区间位于松花江漫滩区， 地下水主要为第四系全新统孔隙潜水与下更新统砂砾层孔隙承压水。

3 富水砂层盾构隧道纵向不均匀沉降

3.1 沉降原因分析

根据沉降规律总结，在盾构掘进过程中，沉降发生于早期沉降、开挖面沉降、盾体通过时沉降、盾尾间隙沉降及后续沉降5 个阶段[2]，具体介绍如下。

3.1.1 早期沉降

当盾构机掌子面距离某断面尚有一段距离（3～15 m）时，因盾构掘进掌子面前地下水流向掌子面， 导致地下水水位下降，进而形成地层固结沉降。

3.1.2 开挖面沉降

盾构机掌子面前方3 m 到掌子面位置， 因盾构机土仓压力较小或过大，土压和地层压力不平衡，引起掌子面前方土体产生变形，进而造成地层沉降或隆起。

3.1.3 盾体通过时沉降

盾构机盾尾直径较刀盘直径更小， 故盾体和土体之间存在空隙。 因此，在盾构机盾体通过掌子面时，会因超挖、纠偏、盾构机扰动等因素，较易形成地层沉降，扰动过大也可能形成隆起。

3.1.4 盾尾间隙沉降

盾构机穿越某断面，土体会产生弹塑性变形。 由于同步注浆滞后、压力较小或注浆量不足等，均会导致注浆效果较差，管片后方和土体之间间隙充填不充分，引起地层释放应力，进而导致地层沉降。 而同步注浆压力过大或注浆量太多，则会形成附加土压力，进而产生地层隆起。

3.1.5 后续沉降

盾构穿越某断面后，因盾构掘进引起地层扰动、注浆不充分等原因，导致盾构机前后方土体水力连通，后方地下水流到刀盘开挖面，造成盾构机后方地层水土流失，及土体蠕变压缩导致地表发生后续的长期沉降。 盾构在砂层等软弱地层掘进，沉降最为明显。

3.2 沉降控制措施

3.2.1 掘进参数控制

结合理论知识，依据地层及隧道埋深设计情况，对盾构机开展受力分析，具体如图2 所示。 在实际掘进施工期间，结合理论计算数据及以往类似工程经验， 对盾构掘进参数实行实时调整，掘进参数总结如表1所示。

表1 盾构机掘进参数

图2 盾构机受力示意图

3.2.2 盾构机姿态控制

盾构机掘进过程中，严格控制盾构机左右油缸行程差、盾构机位置偏差、铰接油缸行程差等，若偏差大于10 mm，则应及时纠偏处理。

3.2.3 同步注浆控制

盾构掘进过程中实行同步注浆以填充管片背后空隙，同步注浆进行注浆量、注浆压力双控制，其中，以注浆压力控制指标为主，注浆量控制指标为辅。

对砂质土及软黏土等地质条件， 必须及时进行管片背后注浆。 同步注浆的质量主要从浆液性能(流动性、稠度、析水率、凝胶时间、浆液强度等)、注浆压力与注浆量等方面进行控制，侧穿建筑物段施工时，先通过试验段确定最佳注浆压力及注浆量，再进行侧穿建筑物段掘进施工。

3.2.4 二次注浆控制

若同步注浆不到位，管片背后充填不充分，易造成管片渗漏、地面沉降等，则应开展二次注浆。 二次注浆实行少量、多次、多点、均匀的原则，在管片脱出盾尾5 环后进行。 二次注浆浆液配比如表2 所示。

表2 二次注浆浆液配比

3.2.5 渣土控制

1）选用适宜的渣土改良剂

当前，在盾构掘进过程中，向土仓注入渣土改良剂，以减小刀盘扭矩，提高渣土流塑性。 在富水砂层地层中，一般适用膨润土或泡沫剂与膨润土混合液进行改良， 不仅可以起到润滑作用，还能在一定压力作用下在掌子面形成泥膜，发挥更佳的止水效果，并增强掌子面的稳定性[3]。

2）控制出渣量

施工期间， 严格控制每环出渣量， 偏差不超过理论值的5%，保证出渣量与掘进行程同步。

3.2.6 增强盾构机配置

1）改进同步注浆系统：（1）增设补偿注浆装置，在原有注浆管路系统上增设注浆管路， 达到盾尾同步注浆与管片后注浆同步实施的目的， 用最短时间填充施工间隙， 控制地表沉降；（2）增加同步注浆管路疏通系统，在注浆管路上增设高压风管路，快速解决注浆管路堵塞问题，避免注浆中断，实现同步注浆的连续性，达到控制沉降的目的。

2）改进二次注浆系统：（1）将气动泵更换为机械柱塞泵，提高注浆功效；（2）对二次注浆管路进行改造，将钢注浆管改为高压胶管，确保二次注浆的灵活性和机动性，达到对突发沉降部位及时注浆的目的。

3）将盾构单闸门螺旋输送机更换为双闸门螺旋输送机，防止盾构机在富水砂层中发生喷涌，导致地层失水沉降。

4）更换高强度盾尾刷，采用优质盾尾油脂，确保盾尾无渗漏，防止地层失水，达到控制沉降的目的。

5）更换优质的铰接密封，确保铰接处不出现渗漏，防止地层失水，达到控制沉降的目的。

6）配置适合富水砂层及粉质黏土地层中掘进刀盘刀具，选用耐磨型刀具， 保证盾构掘进的连续性， 减少对地层的扰动，达到控制沉降的目的。

4 沉降监测方法研究

4.1 监测目的

区间隧道应用盾构法施工，对沿线周围环境、建构筑物必然产生影响。 为确保盾构隧道施工安全、顺利实施，在盾构掘进过程中积极改进作业方法、工艺及参数，最大限度地降低地层形变，确保盾构隧道施工安全，并对周围环境进行保护，需对盾构隧道施工全过程开展监测[4]。施工监测的主要目的包括以下几方面。

1）掌握各种因素对地面和地层形变的影响，便于有针对性地改进盾构隧道施工工艺及参数，降低地表及土体形变，确保盾构隧道工程施工安全。

2）预测盾构隧道施工导致的地表及土体变形，根据地表变形的发展趋势及周边建（构）筑物、地下管线的沉降情况，决策是否需实施保护措施， 为明确经济适用的保护措施提供依据、经验。

3）检查盾构隧道施工导致的地表沉降及建（构）筑物是否超出设计允许值范围，并在发生问题后便于提供仲裁依据。

4）为研究地层、地下水、盾构施工参数和地表及土体形变之间的关系积累经验及数据， 为研究地表沉降及土体形变的分析预测方法等积累资料，并为改进设计提供依据。

4.2 监测项目

为确保盾构掘进及周边环境安全， 在施工过程中需要进行沉降监测的项目包括地表沉降、 建筑物沉降、 地下管线沉降。 具体如表3 所示。

表3 沉降监测项目列表

4.3 实时监测方法研究

盾构施工期间，沉降监测后及时开展监测数据整理及分析，判断其稳定性，并及时反馈至施工现场以便进一步指导盾构隧道施工。 在盾构区间建筑物沉降中，传统的监测方法是利用精密几何水准测量，虽技术可靠、精度较高，但监测劳动强度大且非实时连续监测，可能受人为干扰较大。 当前，实时远程自动监测系统广泛应用， 其主要利用计算机与无线通信等技术，由静力水准器、电磁式位移传感器、巡检仪、计算机和GPRS 模块等组成。 该系统的主要工作原理为：在建筑物监测点布置静力水准器， 各静力水准器之间使用连通管连接， 并将掺有防冻液的纯净水装入各静力水准器和连通管内，在重力作用下，液面高度保持一致，当建筑物出现沉降或提升时，液面会出现变化，该变化通过电磁式位移传感器精确反映，并通过巡检仪实时传输到监控系统[5]。 具体如图3 所示。

图3 自动监测系统结构

5 结语

综上所述，随着我国城市化水平的提升，城市地铁工程全面开展，作为区间隧道运用最广的施工工法，盾构具有诸多优点，但是在施工期间也极易出现地面、建（构）筑物及管线等不均匀沉降问题，给周边环境带来一定的安全风险。 本文依托哈尔滨地铁2 号线盾构隧道施工，对盾构在富水砂层地质中施工不均匀沉降展开分析， 提出相应的控制措施，并对实时监测方法展开研究，对我国类似地层盾构施工具有一定指导意义。