地铁盾构施工中的地表沉降及其控制技术

地铁盾构施工中的地表沉降及其控制技术摘要地下盾构穿过复杂的富水地层时地层极易失水而造成地面沉陷。结合工程实例，阐述了采用注浆技术解决此类问题的技术思路、方法及具体实施工艺。关键词盾构施工地表沉降注浆控制1引言随着城市化的快速发展，城市所面临的交通、土地矛盾日益突出，因而，地下隧道交通及各类地下工程成为解决矛盾的一个重要方面，大量的地下工程建设引发的地面沉降，地面塌陷和地面裂缝层出不穷，如何避免和防止城市地铁工程建设中的地面变形地质灾害问题已成为地铁工程建设中的重要课题。2地铁工程产生地质灾害的工程地质特性在城市地铁工程建设中，地质灾害多发的地层一般为松散人工堆积层，河相、湖相或滨海相沉积覆盖层，岩层多为软弱、裂隙发育或风化强烈或岩溶发育的地层，具体有人工杂填土层、砂层、粉细砂层、砂砾(卵)石层或孔隙率高的黏土层、淤泥层、透水性强的构造破碎带、强风化、中风层、以及岩溶地层。这类地层的普遍特性是高孔隙率、高含水、高透水性。3地质灾害成因分析在城市地铁工程建设中，无一列外不是必须对地层实施开挖、掘进，实际上，在对原始地层进行开挖、掘进的过程，即是对地下水文工程地质环境的破坏过程，它不但改变了地层的应力结构，即使在构建起人工结构后，也强制地层应力进行重新分布、平衡，在这个过程中，必然引起地层变形的发生，严重的引起地面变形沉降、开裂，建筑物变形、开裂。尤其是高地下水位条件下，地层开挖掘进时，大量地下水沿开挖面流失并排出，造成地下水位大面积下降，从而引发一系列地面地质灾害问题。4典型沉降变形控制及防治技术4．1盾构施工引起地面及建筑物下沉并变形开裂4．1．1灾害现象及成因在某地铁施工中，当向盾构机土仓加压至2．3bar时，发现盾构机部位地面出现隆起的现象，且地面补注浆孔施工时所挖的探槽多点窜气;监测数据显示地面下沉幅度较快。2009年6月10日晚11时，盾构机盾尾上部的地面建筑物—汽车修理厂部分地面突然下沉，面积约40m2，下陷深度约2．5m，同时出现房屋基础的独立柱下沉，墙面开裂。根据区域详勘和补勘阶段地质资料，盾构机所处部位(地表以下约22～28m)区间地层为:上覆第四系覆盖层，覆盖层主要为冲积～洪积土层及残积土层。下伏基岩为风化花岗岩、花岗片麻岩和花岗岩。基岩包含全风化、强风化、中风化三个风化岩带。隧道区间大部分位于全、强风化层，地层空隙率较高，中、强风化层为富水地层。水压大且具有连通性。根据水文工程地质条件及盾构施工情况综合分析，引起地面下沉及建筑物变形的主要原因为:盾构机在穿过覆盖层及风化软弱地层时，因外围未形成有效防护，在地层土压力及水压力作用下，随着盾构机的掘进，大量泥水混合物涌进土仓造成严重超挖及水土流失，致使隧道顶部地层在上覆压力作用下发生变形坍塌，变形坍塌不断延伸从而导致地面塌陷变形、建筑物变形开裂。4．1．2治理技术方法(1)方法与步骤①首先采用混凝土对塌陷区进行回填;②对修理厂房屋地板以下的脱空区进行回填灌浆处理;③采用黏土水泥复合浆液将盾构机土仓回填密实;④采用黏土水泥复合浆液在盾尾形成止水环，控制已掘进完成的隧道管片与围岩间的水流和部分裂隙水;⑤采用黏土水泥复合浆材从汽修厂车间地面对盾构机土仓周边地层进行帷幕灌浆施工;⑥在上述工作完成后，利用盾构机上预留的超前注浆孔进行适当补强。(2)施工工艺①灌浆材料。由于盾构机刀盘前方地层空隙率高，且地层富水，要求止水灌浆不能固住盾构机。采用黏土复合浆液或复合膏浆先进行充填灌浆，然后再采用部分mj双组分低强度化学浆材进行止水。②采用黏土水泥复合浆材将盾构机土仓回填密实。利用盾构机土仓胸板上的注浆孔，采用排水与注浆结合的方式，对土仓内空间分3～4次将土仓空间注满。注浆材料初凝时间6～12min，3d抗压强度0．3～1．0MPa。③通过注浆在盾尾形成止水环。为减少土仓水的来源，对已形成隧道的管片与围岩间的水流和部分裂隙水通过注浆进行控制，并在盾尾后形成较宽的止水环。止水环灌浆孔布置于盾尾后的第3～9环间的管片拼装孔(或缝)上，先施工管片上的拼装孔，按3排一个循环进行施工。止水环施工前先将需处理环间管片上的拼装孔钻穿两个，量测排水量和水压，并做连通试验。处理过程中用球阀封闭排水，灌浆压力1MPa。灌浆结束标准:单位吸浆量不大于1L/min，持续10min。注浆材料为黏土水泥复合浆材，初凝时间16min，3d抗压强度1MPa。特殊情况下灌入化学浆材或速凝双液浆止水。④用低强度化学浆材回填盾壳与围岩间间隙，防止盾壳被固住。为保证盾构机盾壳不会被较高强度的灌浆材料固住，在对掌子面注浆前先用低强度的溶液型浆材充填盾壳与围岩空间。回填过程应与盾壳周边的排水结合，让浆材尽可能充填满。回填压力应小于0．6MPa。⑤地面注浆帷幕。要求在盾构机土仓周边形成止水帷幕体，并对掌子面进行适当加固，施工完成后要求能将盾构机前行部位达到基本止水和空隙地层的有效充填，设计在盾构机土仓部位周边布置钻孔，加固底板深度30～32m，刀盘前方4～6m，钻孔轴线距刀盘左右各2m，隧道顶部4m。钻孔垂直盾构机轴线布孔5～6排，排距和孔距1～1．2m，盾尾与刀盘部分以上孔深距隧道顶1m。灌浆浆材采用黏土水泥复合浆，初凝时间16min，3d抗压强度1MPa。为提高浆材的固结强度，施工中可将水灰比调为1∶1，其他参数不变。灌浆采用压力为0．3～0．6MPa。以盾构机土仓内最大压力不超过3．5bar为上限控制标准。当吸浆量小于1L/min时，再持续灌浆30min后结束灌浆。⑥超前注浆。超前注浆作为地面注浆的补充，施工过程要求钻孔与灌浆紧密结合，钻完一孔即灌浆一孔，不得同时施工多孔，防止对地层的扰动。不一定需要将所有的预留孔全部施工，应根据地层的加固效果确定孔数和施工的深度。实际上，盾构机在土仓壁上已布置有超前注浆孔施工位置(见图1)，先沿盾构机轮廓预留的超前注浆孔布置9°外倾孔，孔深约5～7m，实际入土或入岩深度为2～4m，要求钻孔尽量深;再施工水平孔，各类孔均分三序施工;施工过程中应采用孔口导流和适当封堵，尽量防止水和泥沙大量涌出，使地层失水加速下沉。灌浆:Ⅰ序和Ⅱ序孔灌入黏土水泥复合浆液，要求浆液7d强度大于3MPa，初凝时间约6～12min;Ⅲ序孔灌筑低强度速凝高分子止水材料。施工中，在盾构机土仓传感器监测到的压力不超过3．5bar情况下，尽快达到灌浆压力，或者保证注入率大于30L/min，直到该孔基本不吸浆30min后停灌。所有黏土水泥复合灌浆孔全部施工完毕后，待凝24h后再进行Ⅲ孔的钻孔灌浆。灌浆过程以盾构机土仓传感器压力小于3．5bar为控制标准，在土仓压力不上升情况下灌浆压力尽可能大，但应确保地面不冒浆。4．1．3治理完成可恢复掘进施工的条件在土仓超前注浆孔上适当部位布置检查孔，如果钻孔不塌孔，且渗水量不大于5L/min，则可以启动螺旋出土器出土，然后再开闸检查，确认土仓无明显渗水及流土，则可恢复掘进施工。4．2盾构换刀预防地面沉降加固技术4．2．1工程概况隧道由两条单线单洞区间的盾构法隧道组成。设计里程为Y(Z)DK-0-631．525～Y(Z)DK-2-411．300，右线隧道长1779．775m，左线隧道长1784．897m(长链5．122m)，全长3564．672单线延长米。区间沿线地面条件复杂，经过地面设施主要有城市交通主干道、河涌、高架桥、建筑物等，车流量大，人员密集，建筑物稠密。截止2009年9月5日，右线海瑞克盾构机掘进到647环，隧道埋深25m，盾构机所在位置地面为一工商学院院内，海瑞克盾构机盾尾距学生宿舍9号楼净距2．6m，刀盘距学生宿舍10号楼净距离为5．11m，两栋房屋均为框架结构，锤击灌注桩基础，A072栋房屋桩长13m，A070栋房屋桩长15m。左线小松盾构机掘进到550环。左右线盾构机位置见图2。4．2．2工程地质及水文状况(1)工程地质情况在ZDK-1-435处，隧道断面主要地层为＜7H＞和＜9H＞;在YDK-1-433处，隧道断面主要地层为＜7H＞、＜9H＞，隧道上部为＜6H＞地层。花岗岩残积土＜5H-2＞:呈褐黄、灰褐色，硬塑状，黏性差，含有石英砂粒，遇水软化、崩解。强风化花岗岩＜7H＞:呈褐黄、灰褐、浅黄、浅灰色等，风化强烈，原岩组织结构大部分风化破坏，但原岩结构清晰可辨，岩石风化裂隙发育，风化不均，岩芯呈半岩半土状、碎块状，局部夹中风化岩块，岩质极软，岩块用手易折断，具遇水易软化、崩解特点。中等风化花岗岩＜8H＞:呈深灰、灰白、浅黄等色，中细粒结构，块状构造，组织结构部分破坏，裂隙较发育，岩石硬，较破碎，裂面伴有铁染，岩芯多呈碎块状，少量长、短柱状，风化不均匀。微风化花岗岩＜9H＞:呈深灰、灰白色，块状结构，裂隙较发育，岩石坚硬，较完整，岩芯多呈长、短柱状，少量块状，锤击声脆。(2)水文地质情况本区段地下水有第四系孔隙水及基岩裂隙水两种类型。一种是其富水性较好，透水性强，属中等～强透水地层;根据其赋存条件，一般为潜水特性，对局部埋深比较大，上覆土层较厚地段具弱承压性特点。另一种是基岩裂隙水主要赋存于基岩强风化、中等风化的裂隙中，地下水埋深一般为10～20m，由于岩性及裂隙发育程度的差异，其富水程度与渗透性也不尽相同，一般比较差。由于强风化带上部全风化岩和残积土以土性为主，透水性差，一定程度上起到相对隔水作用，因此本基岩裂隙水具承压水特性。4．2．3换刀加固技术方案小松盾构机拟在646环(刀盘在ZDK-1-436)处检查及更换刀具，考虑到小松盾构机压气作业较困难，需采取地层预加固后常压进仓检查及更换刀具，故此需对检查换刀位置处的地层进行加固。考虑到右线海瑞克盾构机带压作业时掌子面易失稳坍塌，且在目前停机位置(647环)需更换刀具后方可继续推进，因此需对右线海瑞克盾构机前方地层进行加固，常压开仓更换刀具。刀盘前方地层为＜5H－2＞、＜6H＞、＜7H＞、＜9H＞等地层，地面为工商学院内空地，结合以往施工经验，盾构换刀加固采用地面前进式注浆加固。(1)地面注浆加固方案对刀盘前方掌子面从地面采用前进式注浆加固土体;盾尾后两环径向注浆形成止水环阻止后方的水流进入土仓;盾壳上的预留径向孔径向注入快速止水高分子材料，对盾壳周围的间隙封闭止水，并起保护作用。①对盾尾后两环管片的注浆加固。对盾尾后部两环管片径向孔(每环管片6个吊装孔)用双液注浆。注浆深度穿透管片背后土体1m。②对盾壳背后注入快速止水高分子材料。利用盾构机壳体上的径向注浆孔向盾壳周圈注入快速止水高分子材料，注入压力小于1．0MPa，将盾壳周围空隙填充密实，起到止水和利于盾构机脱困的目的。③对刀盘前方土体加固。从地面采用前进式注浆加固，加固范围为:盾构机刀盘前方沿线路前进方向隧道边线左右各外扩1m，布设2排注浆孔。加固孔位采用梅花形布置，孔间距1200mm，排距600mm，加固深度为隧道上方3m至＜9H＞地层0．5m。(2)对右线海瑞克盾构:先对盾壳上的预留径向孔径向注入快速止水高分子材料;再从盾尾后两环径向注浆形成止水环;之后从地面采用前进式注浆加固刀盘前方土体。土体加固完成之后，人工在常压状态从人闸口进入土仓清除土仓内的渣土，并对刀盘开口部位采用木板封闭，在清仓的同时进行原位换刀;换刀结束后，转动刀盘，取掉封闭刀盘开口的木板，关上仓门;对土仓内采用膨润土+粉煤灰+砂浆液回填;再进行盾构推进。(3)对左线小松盾构:先从地面采用前进式注浆的方法对拟换刀位置的刀盘前方进行土体加固，盾构推至加固体0．5m后停机;再对盾壳上的预留径向孔径向注入快速止水高分子材料，并从盾尾后两环径向注浆形成止水环;之后采用螺旋输送机出土，人工在常压状态下从人闸口进入土仓检查刀具;如需更换刀具，对刀盘开口部位采用木板封闭并更换刀具;检查或换刀结束后取掉封闭刀盘开口的木板，关上仓门;再进行盾构推进。通过以上盾构换刀加固技术方案的实施，可确保在盾构穿过复杂地层进行换刀时，在土仓卸压条件下，正常进行换刀作业，并避免因减压而造成水土流失，引起地面及建筑物的沉降破坏。5结束语随着大量城市地下工程的开工建设，施工中遇到的各类地质环境灾害问题日益突出，经