地铁盾构隧道穿越现有建筑物地面变形控制措施

陶应新

（江苏建科工程咨询有限公司，江苏南京 210019）

1 工程概况

合肥市轨道交通2号线区间隧道，本标段区间隧道全长单线3 866.298 m，施工采用盾构法。现场建设环境复杂，周边分布较多建筑物，以七层以下建筑物为主，部分区域建设有高层建筑物。银路大酒店桩基础与地铁隧道距离较小，约为1.5 m，其他大部分建筑距离隧道约3.7 m。本区间属二级阶地地貌，无河流经过，主要穿越地层为硬塑性状黏土、粉细砂、强风化砂岩，施工设备为盾构机，其运行路径均侧穿房屋建筑，容易影响建筑地面的稳定性。

2 地层沉降因素

本工程中，导致施工场地周围出现地质沉降的主要因素是施工时出现了临空面与空隙等现象，造成盾构隧道周边土体发生了流失。土体含水量发生了改变，孔隙水压力也出现了变化，造成地层固结沉降。

2.1 土体流失

计算土体流失体积时，一般都以盾构开挖施工实际开挖土体总体积与盾构隧道体积之间差值为标准（通常以其所占计算排土量百分比作为具体表示形式）。施工过程中因盾构开挖而产生土体流失时，其施工区域四周土体必然会补偿已流失土体，但会引起土体结构与土体物理性质遭到破坏，导致地层出现变形或移动。

（1）实施盾构施工时，在盾构机作用下，两侧土体支持力往往小于周边土体的原始土压力，造成土体会受到力的作用而朝向盾构机出现移动或变形终致使盾构机上方产生地表沉降现象，形成沉降槽。

（2）一般情况下，盾构机均通过使用千斤顶实现对前方土体的推力。在使用时间变长前提下，千斤顶会出现回油现象，造成盾构机对前方土体推力越来越小。推力值减弱到比前方土压力值更小时，就会导致前方土体出现塌落，造成土体流失。

（3）对于含水量并不具备稳定值的地层而言，如果盾构机在经过该地层后进行管片衬砌与同步注浆环节时，管片、周边土体空隙、注浆量、注浆压力的搭配比例不合理，会造成土体出现朝向盾构隧道方向移动流失的情况，造成地层沉降现象。

（4）在开挖隧道时，如果盾构机角度方位不按照设计要求而发生变化，会导致开挖隧道与理论所设计值出现偏差，造成土体流失。

2.2 受扰动土体的重新固结

盾构机穿过地层后，土体结构与土体含水量会相应产生变化。变化的数值会造成土体中孔隙水压力、应力重分布出现改变时，进一步造成土体出现重新固结、浆液凝固收缩等一系列变化，导致地层发生沉降或变形。

由于盾构机在向前开挖时不可避免地挤压前方土体，再加上同步注浆作用，会导致盾构隧道四周土体孔隙水压力值出现急剧上升现象。盾构机通过完成施工后，孔隙水压力会逐渐减小，使周围地层发生固结排水现象并最终导致地层出现移动变形情况。这种因孔隙水压力发生变化而引起地层移动或变形的现象为主固结沉降。

3 盾构机穿越建筑物的控制措施

由于受到盾构机施工过程中掌子面开挖的影响，岩土体会因受到扰动而再次固结，在地表形成沉降或隆起现象，对地表建筑物产生一定影响。保障对于盾构隧道施工会对地表沉降可能造成影响的准确性，可以更好地指导后续的各施工环节。单纯预测地面沉降值并非最终目的，如何将该预测结果更好地用以指导施工并最终实现对沉降的控制，是控制的关键。

（1）主动控制。

对盾构施工过程各种施工参数进行对应调整，并依照地面沉降观测结果及时调整施工各项参数，使控制地面沉降达到标准值。

（2）被动控制。

以监测所得数据为依据，若出现地层发生较大沉降或建筑物出现倾斜情况，必须使用工后压密地层、建筑物纠偏等相关加固措施，更好地保障施工的顺利进行。

3.1 施工参数的确定

盾构机运行时具有扰动作用，密切关注的是盾构通过建筑物前50 m范围内的区域，明确该部分的掘进参数以及地面沉降状况，生成完善的施工参数。预测盾构机在后续施工中可能出现的沉降值，确定有效的盾构掘进作业参数，以此为指导，顺利推进盾构施工进程。

3.2 土压力的控制

考虑深埋隧道和浅埋隧道两种条件（根据隧道埋深H与盾构外径D的关系判断，H<2D时属浅埋隧道，H>2D时属深埋隧道），分别按特定的方法计算，得到土压力P1。

（1）浅埋隧道。

上覆水的压力完全作用在开挖面，此时土压力：

式中：K0——平衡拱对水平稳定的安全系数；φ——围岩内摩擦角（°）；γ——岩层的容重（m2）；h——刀盘中心至土体面的高度（m）。

（2）深埋隧道。

土体在隧道上方形成拱效应，源于上部土体的土压力在分布状态方面存在差异，虽然会作用于开挖面，但并非完全作用，此时砂土层地质条件与黏土层地质条件中始发段土仓压力的计算方法：

式中：γZ——岩层的容重（m2）；K2——平衡拱对水平稳定的安全系数。

3.3 出土量的确定

根据数据展开计算，确定每环理论出渣量：

式中：D——刀盘开挖直径（m）；L——管片长度（m）。

3.4 推进速度的控制

盾构机穿越建筑物时存在扰动作用，为保证建筑物的稳定性，适当降低推进速度，全面控制盾构总推力、刀盘扭矩等参数，将各自均稳定在合理范围内。

经分析，确定主要参数，推进速度30～40 mm/min，总推力在15 000 kN以内，扭矩在1 800 kN·m以内。以此为基本参照，结合工程实际环境对参数灵活调整，保证其具有可行性。

3.5 掘进方向的控制

受施工现场地质条件、隧道曲线和坡度、操作规范性等多项因素的共同影响，盾构机的实际推进轴线易产生不同偏差，若未及时采取控制措施，容易影响盾构施工效果。在盾构施工过程中，应采取有效的控制措施，从源头上保证掘进方向的合理性，检测并纠正掘进偏差。

（1）应用隧道自动导向系统。

系统包含导向装置、显示器、掘进程序软件等，通过硬件与软件的联合应用，及时监测盾构机的实际位置，并对比分析其与隧道设计轴线的关系（偏差）。得到监测结果后，有利于操作人员控制盾构机的掘进方向，主动纠偏，确保盾构施工全过程中偏差均被控制在许可范围内，最终取得良好的盾构掘进施工效果[1]。

盾构推进施工期间，导向系统后视基准点适时前移，此时安排人员测量，根据结果采取控制措施。每班组交接班时均安排管片姿态检查工作，以便采取控制措施，有效消除偏差，避免偏差处理不及时而逐步累积的情况。

（2）分区操作盾构机推进油缸。

分区操作推进油缸，有效协调，实现对掘进方向的精准控制，使盾构机沿着既定的路线向前掘进。

①直线平坡段掘进过程中，有效稳定油缸的推力和速度，使两项参数尽可能保持一致；上坡段掘进，加大下部油缸的推力和速度；下坡段掘进，加大上部油缸推力和速度；左转弯路段，加大右侧油缸的推力和速度；右转弯路段，加大左侧油缸的推力和速度。

②盾构掘进施工范围内存在均匀的地质条件时，各油缸的推力和速度均相同；若地质条件存在差异（软硬不均），以地层的实际特性为准，灵活采取调控方法。软地层一侧油缸的推力和速度减小，硬地层一侧的两项数值适当加大，使盾构机有效适应错综复杂的地质条件[2]。

③盾构掘进方向的控制采取蛇形修正的方法，且以循序渐进的方式完成。直线推进时，确定盾构点位与位于设计线远方的一点，将两者形成一条直线，再以此为基准进行线性管理，有效提高线性控制精度，保证线形的合理性。

④合理选择管片点位，由专员操作，切实保证拼装质量，着重考虑管片断面，需要与掘进方向呈垂直位置关系。

3.6 盾构姿态纠偏

加强对盾构姿态的检测，根据实际情况对盾构机的姿态进行合理调整，尽可能减小偏差。

（1）以分区的方式操作推进油缸，利用此方法灵活组合油缸，对盾构机的姿态进行灵活调整，确保盾构机的方向具有合理性。

（2）滚动超限时，盾构机及时感应并发出报警，根据实际情况正反转刀盘，采用此方法纠正滚动偏差，有效消除滚动超限问题。

4 结语

综上所述，在城市地铁工程施工中，盾构下穿为重要内容，该处的施工质量将直接对工程的整体品质产生影响。盾构下穿环境复杂，现场地质、水文等自然条件会对盾构施工造成影响，不利于盾构施工进程的顺利推进，此时上方建筑物也容易失稳，采取控制措施至关重要。本文对变形控制措施进行分析，提出一些工作要点，希望可以为类似工程提供参考，以便在盾构下穿施工时有效保证建筑物的稳定性。