论文部分内容阅读
摘要：盾构隧道掘进会使地表建筑物发生沉降，为保证沿线建筑物的安全，需要通过掘进参数控制、注浆施工参数设置等措施来对地表沉降进行控制。本文分析了盾构隧道掘进对地表建筑物沉降的影响，并提出了控制措施，并以实例进行论证，可作为同类地层盾构施工的参考。
关键词：盾构；隧道掘进；地表建筑物沉降；影响与控制
中图分类号：U45文献标识码： A
一、盾构隧道掘进对地表建筑物沉降的影响
盾构施工在一定范围内会引起土体的位移和变形，在影响范围内的地表建筑物，由于地基土体的变形会导致其外力条件和支承状态发生变化，可能会造成既有建筑物发生沉降、倾斜和断面变形等情况。而外力条件的变化将随建筑物桩基础与盾构隧道的位置关系、地基土的性质、桩基础的类形不同而不同。
（一）地层损失对浅基础建筑物产生的影响
基础四周地层移动对建筑物的影响相对较小。如基底发生的是均匀沉降，沉降量较小，该地层的移动和变形不会对建筑物产生影响；如基底发生的是均匀沉降，但沉降量过大时，将会对建筑物造成损坏，尤其对于砌体结构，这种垂直沉降会使砌体形成较大的垂直方向下沉的拉力，使砌体产生水平裂缝；如基底发生不均匀沉降时，将会导致地表倾斜，使建筑物产生结构破坏裂缝。同时，地表倾斜还会使高耸建筑物发生重心偏斜，引起附加应力重分布，使结构内应力发生变化，严重时使建筑物丧失稳定性而破坏。
（二）地层损失对深基础建筑物产生的影响
盾构隧道施工中，发生位移和变形的地层波及到既有建筑物的桩基，由于盾构施工对围岩产生扰动，受扰动的围岩土体产生塑性变形、松动或破坏，引起的地层位移和变形将对桩侧和桩端产生作用，会引起桩基承载力和沉降量的变化，从而导致桩基的沉降和变形。
如果基础地层底部发生的沉降量小，桩基础周围的地层移动和变形不会对建筑物产生影响；如果沉降量过大，桩基础周围的岩土体发生移动和变形时，基础底部受到土层变形的影响，同时还受到基础四周地层变形的影响。由于桩基础埋深较深，当沉降过大时，土的侧向变形易引起桩基的侧向变形和内力变化，从而引起上部建筑物的变形和内力变化。
二、盾构隧道掘进对地表建筑物沉降的控制
1、在发生沉降的地点,在沉陷范围派专人值班,负责人员、交通、建筑物的安全。
2、加强监控测量,特别是出土量和土仓压力,注浆量等参数,并及时根据监控数据调整掘进参数。
3、土压力的控制。土压力强度应控制在0.13～0.16MPa范围内。
4、掘进路线的控制。严格按照设计图纸掘进，与设计偏离控制在50mm以内。
5、推进速度的控制。在地铁隧道盾构施工中，正常的推进速度应控制在30～40mm/min范围内，但由于盾构施工距离建筑较近，因此当临近该建筑物时，掘进速度须严格控制在20mm/min，使得建筑物沉降缓慢，尽可能地减少建筑物的沉降。
6、注浆质量和次数的控制。严格保证在盾构掘进过程中选用高质量泥浆，控制泥膜的形成速度和泥膜形成的质量，确保掌子面的稳定.保证对于注浆量和注浆压力的有效监测与控制，确保注浆量达到3.5m3以上，注浆压力约0.16MPa，压浆量占空隙约200%，以便达到延缓建筑物沉降的目标。
7、二次注浆的控制。浆液采用双液浆形式，盾构下穿该建筑物期间，二（多）次补浆必须连续进行，不得间断，确保有效填充壁后建筑的空隙.在拖后约9环位置进行二或多次补浆，补浆压力控制在0.2～0.3MPa，以此减少建筑物的沉降量。
8、盾构和管片姿态的控制。在盾构掘进过程中操作手须注意控制盾构姿态，减少因盾尾间隙过大或过小，使得盾尾漏浆或管片错台过大。
三、盾构隧道掘进对地表建筑物沉降的控制应用
（一）工程概况
本工程为某市地铁线2号线A路站～B站，在里程YCK26+332～YCK26+832段穿越密集居民建筑群。盾构隧道埋深约14米，地面建筑物为金琴路南段二巷2号楼，主体上部为砖混7层，下部为预制桩基础，基底约2.5m中砂。该隧道地处平原，为侵蚀～堆积阶地地貌，地形平坦。隧道穿越地层主要为砂卵石层，局部夹中砂。第四系孔隙水是段内地下水的主要存在形式，主要赋存于各个时期沉积的卵石土及砂层中，土体透水性强、渗透系数大，水量丰富。场地内地质构造条件简单，未发现有断裂通过，无不良地质作用，在VII度地震作用下，不具备产生滑坡、崩塌、陷落等地震地质灾害的条件，环境工程地质条件较简单。综合判定，本工程场地稳定。
（二）监测
建筑物沉降监测点位布设在建（构）筑物四角的结构柱、建筑物基础分界点（基础沉降缝）布设沉降观测点10个监测点位，见图1。
图1图2
下面是部分具有代表性监测点监测结果:
（1）沉降监测点J5在盾构穿越期间出现变形，累计沉降最大为11mm。穿越后经加固保护，变形数据趋稳定（图2）。
（2）沉降监测点J6在盾构穿越期间出现变形，累计沉降最大为19.7mm。穿越后经加固保护该点有所隆起，稳定后监测该点累计沉降为16.1mm。
（3）沉降监测点J7在盾构穿越期间出现变形，累计沉降最大为8mm，盾尾脱离期间，该点沉降值增大，累计沉降最大达12.7mm。穿越后经加固保护该点有所隆起，且变形数据趋稳定，7月16日最后一次监测该点累计沉降为8.9mm。
建筑物沉降主要发生在盾构穿越阶段，在穿越后经加固稳定后，沉降量逐渐变小趋于平缓，因此在穿越阶段必须做好保护工作。
（三）沉降控制技术
尽管盾构法施工隧道具有对周围环境影响小、掘进速度快、机械化程度高、施工安全等特点，但仍不可避免地引起地表以及地表建筑物沉降。因此在施工中，布设了建筑物沉降监测点，用以观测建筑物下沉量，判定建筑物的安全性，并采取了相应的保护措施。
1、土仓压力
土压力控制
根据各段隧道的埋深、地层地质情况、地下水位、区间上方地面车辆荷载等，综合计算土仓压力理论值为0.18MPa，施工过程中土压力值设置略高于理论计算值，使刀盘前方土层有较小的隆起，隆起量控制在2mm左右，随着盾构机的通过与土体的固结，隆起值回落，并开始缓慢沉降。施工时土仓压力设置高于理论值约0.01MPa，施工过程中根据线路埋深与地层地质情况的变化，及地面隆沉的监测数据，不断调整土压力设定值，并通过调整刀盘扭矩与总推力，来调整土仓压力，整个施工中土仓压力控制在0.18～0.22MPa。
停機状态处理（停机保压）：当盾构机掘进完第7环，完成洞门封闭注浆后正值春节，停机当天上午土仓压力为0.18MPa，中午11点土压力降至0.14MPa，为确保掘削面稳定、控制好地表沉降，并保证节后盾构机能正常运转，及时将盾构机向前顶进建立土压至0.20MPa后停机。假日期间，派专人值守，对盾构机状态进行了监测，根据土压力下降情况，采取了每隔4～5h盾构机向前顶进建立土压至0.20MPa，并严格保证土压力不小于0.14MPa的措施。根据地表沉降监测数据显示，停机6d内，采取间隙推进保压的措施，地表沉降量被控制在+2～－3mm之间，控制效果较好。
2、注浆压力
掘进过程中适当加大同步注浆压力及注浆量，每一环管片注浆量在6～8m3，1、4#注浆压力1.5～2.5Bar，2、3#注浆压力2～3Bar，根据实际情况调整同步注浆浆液配合比，提高浆液的和易性和可泵性，缩短浆液凝固时间，及时有效地填满管片与围攻岩间的建筑空隙，防止地表下沉。注浆系统发生故障、注浆管发生堵塞时应停止掘进，待维修正常后方可继续掘进。盾构机停止掘进时严禁进行同步注浆，避免建筑物隆起。
3、严格控制出土量
在盾构掘进过程中要严格控制出土量，做到进尺与出土量保持均衡，并填写好出土控制表，如发现一环出土量超过65m3或掘进过程中进尺与出土量保持不均衡，且初步估计是因刀盘位置土体塌方所致，应立即停止出土，继续往前掘进(此时总推力根据实际情况可调整至1000t，但各个控制按钮必须均匀增加)至顶部压力表显示为1.2bar以上后停止掘进，并及时通知工程部及其它相关部门和领导，工程部立即派人到掌子面里程对应的地表巡查，同时现场土木值班人员对渣样进行取样和分析，并取好渣样到地面供相關领导和部门分析。领导和相关部门结合渣样分析、设计院提供地质情况、地表建筑物沉降情况最后决定是否继续往前掘进，盾构操作手或机长不得擅自作主。
4、必要时对建筑物采取加固
为了确保所经过的建筑物安全，还要对建筑物的社会和经济效果进行分析，必要时对建筑物采用加固措施。本工程为特级风险源，建筑物为居民楼，地处繁华街段，社会影响、经济影响比较大，为了在盾构通过时保证建筑物的安全，除了在隧道内盾构施工过程中采取措施外，还对建筑物采用了隔离桩进行保护，即在右线隧道与楼房之间打1排隔离桩，桩间用冠梁连接，桩底压注水泥浆加固。隔离桩相关参数：采用4,800mm的混凝土灌注桩，长度26m，中心距1.0m。
结束语
该工程经采取以上控制措施，盾构安全通过该特级风险源地带，各项数据表明控制良好，质量、安全得到了全面保证，建筑物差异沉降数值控制在3mm以内。
参考文献
[1]孙宇坤,关富玲.盾构隧道掘进对砌体结构建筑物沉降的影响[J].中国铁道科学, 2012年4期.
[2]张雄.盾构法隧道施工引起地表沉降研究[D].岩土工程:河北工程大学,2012.
[3]马骏.地铁工程中盾构法隧道的质量缺陷和改进办法[J].中国建筑工程，2008（11）.
[4] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 2012.
[5]谭中盛,洪开荣,万姜林,等.软硬不均地层盾构姿态控制及管片防裂技术[J].中国工程科学,2006,8(12).
[6]洪开荣.关于地铁盾构隧道几个问题的探讨[J].隧道建设,2013,23(1).
[7]李鸿威,刘树亚.地铁工程中盾构法隧道的质量缺陷和改进办法[J].西部探矿工程,2003(12).
[8]姜忻良,崔奕，李同，等,天津地铁盾构施工地层变形实测及动态模拟[J].岩土力学,2005(10).
[9]杨华勇，龚国芳.盾构掘进机及其液压技术的应用[J].液压气动与密封，2012(01).
[10]黄龙光.富水砂砾层中盾构下穿铁路的沉降控制次[J].铁道标准设计, 2009年6期.
关键词：盾构；隧道掘进；地表建筑物沉降；影响与控制
中图分类号：U45文献标识码： A
一、盾构隧道掘进对地表建筑物沉降的影响
盾构施工在一定范围内会引起土体的位移和变形，在影响范围内的地表建筑物，由于地基土体的变形会导致其外力条件和支承状态发生变化，可能会造成既有建筑物发生沉降、倾斜和断面变形等情况。而外力条件的变化将随建筑物桩基础与盾构隧道的位置关系、地基土的性质、桩基础的类形不同而不同。
（一）地层损失对浅基础建筑物产生的影响
基础四周地层移动对建筑物的影响相对较小。如基底发生的是均匀沉降，沉降量较小，该地层的移动和变形不会对建筑物产生影响；如基底发生的是均匀沉降，但沉降量过大时，将会对建筑物造成损坏，尤其对于砌体结构，这种垂直沉降会使砌体形成较大的垂直方向下沉的拉力，使砌体产生水平裂缝；如基底发生不均匀沉降时，将会导致地表倾斜，使建筑物产生结构破坏裂缝。同时，地表倾斜还会使高耸建筑物发生重心偏斜，引起附加应力重分布，使结构内应力发生变化，严重时使建筑物丧失稳定性而破坏。
（二）地层损失对深基础建筑物产生的影响
盾构隧道施工中，发生位移和变形的地层波及到既有建筑物的桩基，由于盾构施工对围岩产生扰动，受扰动的围岩土体产生塑性变形、松动或破坏，引起的地层位移和变形将对桩侧和桩端产生作用，会引起桩基承载力和沉降量的变化，从而导致桩基的沉降和变形。
如果基础地层底部发生的沉降量小，桩基础周围的地层移动和变形不会对建筑物产生影响；如果沉降量过大，桩基础周围的岩土体发生移动和变形时，基础底部受到土层变形的影响，同时还受到基础四周地层变形的影响。由于桩基础埋深较深，当沉降过大时，土的侧向变形易引起桩基的侧向变形和内力变化，从而引起上部建筑物的变形和内力变化。
二、盾构隧道掘进对地表建筑物沉降的控制
1、在发生沉降的地点,在沉陷范围派专人值班,负责人员、交通、建筑物的安全。
2、加强监控测量,特别是出土量和土仓压力,注浆量等参数,并及时根据监控数据调整掘进参数。
3、土压力的控制。土压力强度应控制在0.13～0.16MPa范围内。
4、掘进路线的控制。严格按照设计图纸掘进，与设计偏离控制在50mm以内。
5、推进速度的控制。在地铁隧道盾构施工中，正常的推进速度应控制在30～40mm/min范围内，但由于盾构施工距离建筑较近，因此当临近该建筑物时，掘进速度须严格控制在20mm/min，使得建筑物沉降缓慢，尽可能地减少建筑物的沉降。
6、注浆质量和次数的控制。严格保证在盾构掘进过程中选用高质量泥浆，控制泥膜的形成速度和泥膜形成的质量，确保掌子面的稳定.保证对于注浆量和注浆压力的有效监测与控制，确保注浆量达到3.5m3以上，注浆压力约0.16MPa，压浆量占空隙约200%，以便达到延缓建筑物沉降的目标。
7、二次注浆的控制。浆液采用双液浆形式，盾构下穿该建筑物期间，二（多）次补浆必须连续进行，不得间断，确保有效填充壁后建筑的空隙.在拖后约9环位置进行二或多次补浆，补浆压力控制在0.2～0.3MPa，以此减少建筑物的沉降量。
8、盾构和管片姿态的控制。在盾构掘进过程中操作手须注意控制盾构姿态，减少因盾尾间隙过大或过小，使得盾尾漏浆或管片错台过大。
三、盾构隧道掘进对地表建筑物沉降的控制应用
（一）工程概况
本工程为某市地铁线2号线A路站～B站，在里程YCK26+332～YCK26+832段穿越密集居民建筑群。盾构隧道埋深约14米，地面建筑物为金琴路南段二巷2号楼，主体上部为砖混7层，下部为预制桩基础，基底约2.5m中砂。该隧道地处平原，为侵蚀～堆积阶地地貌，地形平坦。隧道穿越地层主要为砂卵石层，局部夹中砂。第四系孔隙水是段内地下水的主要存在形式，主要赋存于各个时期沉积的卵石土及砂层中，土体透水性强、渗透系数大，水量丰富。场地内地质构造条件简单，未发现有断裂通过，无不良地质作用，在VII度地震作用下，不具备产生滑坡、崩塌、陷落等地震地质灾害的条件，环境工程地质条件较简单。综合判定，本工程场地稳定。
（二）监测
建筑物沉降监测点位布设在建（构）筑物四角的结构柱、建筑物基础分界点（基础沉降缝）布设沉降观测点10个监测点位，见图1。
图1图2
下面是部分具有代表性监测点监测结果:
（1）沉降监测点J5在盾构穿越期间出现变形，累计沉降最大为11mm。穿越后经加固保护，变形数据趋稳定（图2）。
（2）沉降监测点J6在盾构穿越期间出现变形，累计沉降最大为19.7mm。穿越后经加固保护该点有所隆起，稳定后监测该点累计沉降为16.1mm。
（3）沉降监测点J7在盾构穿越期间出现变形，累计沉降最大为8mm，盾尾脱离期间，该点沉降值增大，累计沉降最大达12.7mm。穿越后经加固保护该点有所隆起，且变形数据趋稳定，7月16日最后一次监测该点累计沉降为8.9mm。
建筑物沉降主要发生在盾构穿越阶段，在穿越后经加固稳定后，沉降量逐渐变小趋于平缓，因此在穿越阶段必须做好保护工作。
（三）沉降控制技术
尽管盾构法施工隧道具有对周围环境影响小、掘进速度快、机械化程度高、施工安全等特点，但仍不可避免地引起地表以及地表建筑物沉降。因此在施工中，布设了建筑物沉降监测点，用以观测建筑物下沉量，判定建筑物的安全性，并采取了相应的保护措施。
1、土仓压力
土压力控制
根据各段隧道的埋深、地层地质情况、地下水位、区间上方地面车辆荷载等，综合计算土仓压力理论值为0.18MPa，施工过程中土压力值设置略高于理论计算值，使刀盘前方土层有较小的隆起，隆起量控制在2mm左右，随着盾构机的通过与土体的固结，隆起值回落，并开始缓慢沉降。施工时土仓压力设置高于理论值约0.01MPa，施工过程中根据线路埋深与地层地质情况的变化，及地面隆沉的监测数据，不断调整土压力设定值，并通过调整刀盘扭矩与总推力，来调整土仓压力，整个施工中土仓压力控制在0.18～0.22MPa。
停機状态处理（停机保压）：当盾构机掘进完第7环，完成洞门封闭注浆后正值春节，停机当天上午土仓压力为0.18MPa，中午11点土压力降至0.14MPa，为确保掘削面稳定、控制好地表沉降，并保证节后盾构机能正常运转，及时将盾构机向前顶进建立土压至0.20MPa后停机。假日期间，派专人值守，对盾构机状态进行了监测，根据土压力下降情况，采取了每隔4～5h盾构机向前顶进建立土压至0.20MPa，并严格保证土压力不小于0.14MPa的措施。根据地表沉降监测数据显示，停机6d内，采取间隙推进保压的措施，地表沉降量被控制在+2～－3mm之间，控制效果较好。
2、注浆压力
掘进过程中适当加大同步注浆压力及注浆量，每一环管片注浆量在6～8m3，1、4#注浆压力1.5～2.5Bar，2、3#注浆压力2～3Bar，根据实际情况调整同步注浆浆液配合比，提高浆液的和易性和可泵性，缩短浆液凝固时间，及时有效地填满管片与围攻岩间的建筑空隙，防止地表下沉。注浆系统发生故障、注浆管发生堵塞时应停止掘进，待维修正常后方可继续掘进。盾构机停止掘进时严禁进行同步注浆，避免建筑物隆起。
3、严格控制出土量
在盾构掘进过程中要严格控制出土量，做到进尺与出土量保持均衡，并填写好出土控制表，如发现一环出土量超过65m3或掘进过程中进尺与出土量保持不均衡，且初步估计是因刀盘位置土体塌方所致，应立即停止出土，继续往前掘进(此时总推力根据实际情况可调整至1000t，但各个控制按钮必须均匀增加)至顶部压力表显示为1.2bar以上后停止掘进，并及时通知工程部及其它相关部门和领导，工程部立即派人到掌子面里程对应的地表巡查，同时现场土木值班人员对渣样进行取样和分析，并取好渣样到地面供相關领导和部门分析。领导和相关部门结合渣样分析、设计院提供地质情况、地表建筑物沉降情况最后决定是否继续往前掘进，盾构操作手或机长不得擅自作主。
4、必要时对建筑物采取加固
为了确保所经过的建筑物安全，还要对建筑物的社会和经济效果进行分析，必要时对建筑物采用加固措施。本工程为特级风险源，建筑物为居民楼，地处繁华街段，社会影响、经济影响比较大，为了在盾构通过时保证建筑物的安全，除了在隧道内盾构施工过程中采取措施外，还对建筑物采用了隔离桩进行保护，即在右线隧道与楼房之间打1排隔离桩，桩间用冠梁连接，桩底压注水泥浆加固。隔离桩相关参数：采用4,800mm的混凝土灌注桩，长度26m，中心距1.0m。
结束语
该工程经采取以上控制措施，盾构安全通过该特级风险源地带，各项数据表明控制良好，质量、安全得到了全面保证，建筑物差异沉降数值控制在3mm以内。
参考文献
[1]孙宇坤,关富玲.盾构隧道掘进对砌体结构建筑物沉降的影响[J].中国铁道科学, 2012年4期.
[2]张雄.盾构法隧道施工引起地表沉降研究[D].岩土工程:河北工程大学,2012.
[3]马骏.地铁工程中盾构法隧道的质量缺陷和改进办法[J].中国建筑工程，2008（11）.
[4] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 2012.
[5]谭中盛,洪开荣,万姜林,等.软硬不均地层盾构姿态控制及管片防裂技术[J].中国工程科学,2006,8(12).
[6]洪开荣.关于地铁盾构隧道几个问题的探讨[J].隧道建设,2013,23(1).
[7]李鸿威,刘树亚.地铁工程中盾构法隧道的质量缺陷和改进办法[J].西部探矿工程,2003(12).
[8]姜忻良,崔奕，李同，等,天津地铁盾构施工地层变形实测及动态模拟[J].岩土力学,2005(10).
[9]杨华勇，龚国芳.盾构掘进机及其液压技术的应用[J].液压气动与密封，2012(01).
[10]黄龙光.富水砂砾层中盾构下穿铁路的沉降控制次[J].铁道标准设计, 2009年6期.