上软下硬复合地层盾构施工地表沉降控制探讨

尹业兵，刘锐，张立

（中建隧道建设有限公司，长沙410000）

1 引言

在上软下硬复合地层开展盾构施工时，由于在上软下硬复合地层的岩石开挖难度大，且施工周期长，通常需要大土仓压力确保开挖面稳定性，所以必须建立合理的土仓压力[1]。由于盾构机上下部受力不均匀，会对盾构姿态造成较大影响，且刀具从软土层向硬岩石层转化时，还会导致盾构自转，扰动隧道附近岩土层，所以必须控制盾构施工的地表沉降问题。

2 工程概况

某市区轨道交通施工项目线路全长为22.8km，共计20站，站间距为1.25km，均为地下站，且包括4 座换乘站。项目结构顶板穿越地层依次为黏土层、中风化灰岩层、全风化页岩层；结构底板位于黏土层、全风化页岩层、中风化灰岩层以及强风化页岩层。项目处于断裂构造区域、褶皱构造区域以及地震带，地质条件复杂，且风化岩和溶洞问题严重。

3 地表沉降监测点布设方案

硬质地表沉降监测通常应用半圆头钢筋制作而成，选取钻芯机钻透路面结构层，钻孔直径设置为15cm，将沉降观测点设置在孔内，监测点进行保护处理，以免车辆碾压。土质地表沉降监测点内打入钢筋，之后使用混凝土进行固定处理。

在该区间内盾构范围内，沿着隧道每相隔5m 设置一个沉降监测点，每相隔30m 设置断面，当穿越风险点时需要设置多个监测点。并且通过全站仪放线测量隧道，明确地表断面监测点，如图1 所示。

3.1 监测频率和控制标准

该项目于2018 年1 月开始监测地表沉降问题，监测点与开挖面的水平距离为L，隧道开挖直径为D，施工允许沉降量为±20mm，沉降速率为±7mm/d。

图1 横断面上的地表沉降监测点布置图

3.2 沉降实测数据分析

沉降实测数据分析包括以下2 方面：

1）断面沉降规律。此次所研究的区间内，断面监测数据完整，在均匀分布在研究段上，选取4 个断面为代表，对断面地表沉降规律进行分析，结果如表1 所示。

表1 横断面地表沉降监测数据结果mm

分析表1 可知：（1）监测数据近似正态分布，在单线施工时，所导致的地表沉降事件独立，双线横断面地表沉降会由不同线先后施工所致地表沉降加剧；（2）由于隧道岩层位于上软下硬复合地层，再加上盾构施工对于地层稳定性影响较大，所以断面地表沉降监测数据满足正态函数曲线要求。

2）纵断面沉降规律。从研究结果可知，监测点盾构位于中风化石灰岩夹层，且厚度比较大，局部含有大量裂隙水，从而形成裂隙水导水通道。盾构施工遭遇软硬结合面时，没有及时调整施工参数，引起周边岩土层扰动，且产生涌水问题，裂隙水低于地下水位，从而导致地表沉降问题发生。

4 盾构施工地表沉降的控制措施

4.1 上软下硬地层地表沉降控制

上软下硬地层地表沉降控制措施包括：

1）控制土仓压力和出土量。由于复合型地层施工会对上部软弱层造成较大扰动影响，且土仓压力提供开挖面支护力，以此确保掌子面水土压力平衡。所以必须合理设置土仓压力，并且按照隧道埋深。不同地质情况以及沉降监测数据进行调整。可以通过改变掘进速度和出土量控制土仓压力。

2）控制盾构推力。盾构施工进入到硬岩地层时，会相应加大地层下部阻力，此时就会导致盾构机出现磕头问题。所以在掘进施工时应当加大千斤顶推力，并且盾构上侵推进[2]。

3）控制注浆因素。盾构机施工期间，注浆压力大就会破坏上覆层软弱层，还会导致管片变形，对盾构施工安全性造成较大影响。当压力比较小时，浆液不会进入到岩体间隙层，此时需要按照上部软弱层合理设置注浆压力，按照标准要求控制浆液材料的含水量、黏稠度以及颗粒度。

4.2 地层改良控制措施

地层改良控制措施包括：

1）软弱层改良措施。在改良软弱地层时，可以通过以下方式实现：（1）盾构机通过上软下硬段之前，必须注重软弱层加固处理；（2）隧道内软弱层与开挖面加固处理。在对地表软弱层进行加固处理时，可以通过注浆及锚固等方式，但是地表条件会影响支护效果。在隧道内实施软弱层加固时，需要通过注浆方式加固[3]。

2）硬岩层改良措施。由于上软下硬段也存在硬岩层，改变盾构姿态，且盾构刀盘开挖面的岩土层切削程度不相同，此时就会导致开挖面与隧道岩土层损失。所以在盾构掘进期间，当存在局部硬岩石层时，需要在地表应用竖井开挖、冲孔桩机等方式，破除局部硬岩石，以此提升局部硬岩石清理效果。

4.3 合理排放地下水

隧道工程建设期间需要排放地下水，若施工人员没有注重该项操作的合理性，将会对土层稳定性和强度造成影响。基于以上方面，在施工期间必须加强土层稳定性，注重地下水排放的合理性。施工技术人员可以按照工程实际情况采用地下渗水封堵或阻断方式，适当减少排水时间。

5 结语

综上所述，由于盾构施工穿越上软下硬复合地层时，极易出现地表沉降问题，所以本文提出地表沉降控制措施包括上软下硬地层地表沉降控制、地层改良控制措施以及合理排放地下水等，希望能够全面控制盾构施工的地表沉降问题。