盾构沉降控制技术
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． 3 bar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40 m2，下陷深度约2．5 m，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 ～28 m)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 ～12 min，3 d 抗压强度 0． 3 ～1． 0 MPa。
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 1 MPa。灌浆结束标准: 单位吸浆量不大于 1 L/min，持续 10 min。
注浆材料为黏土水泥复合浆材，初凝时间16 min，3 d 抗压强度 1 MPa。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． 6 MPa。
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 ～ 32 m，刀盘前方 4 ～ 6 m，钻孔轴线距刀盘左右各 2 m，隧道顶部 4 m。钻孔垂直盾构机轴线布孔 5～ 6 排，排距和孔距 1 ～ 1． 2 m，盾尾与刀盘部分以上孔深距隧道顶 1 m。
灌浆浆材采用黏土水泥复合浆，初凝时间16 min，3 d 抗压强度 1 MPa。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． 6 MPa。以盾构机土仓内最大压力不超过 3． 5 bar 为上限控制标准。
当吸浆量小于 1 L/min 时，再持续灌浆 30 min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 ～ 7 m，实际入土或入岩深度为 2 ～ 4 m，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 7 d 强度大于 3 MPa，初凝时间约 6 ～12 min;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． 5 bar 情况下，尽快达到灌浆压力，或者保证注入率大于 30 L/min，直到该孔基本不吸浆 30 min 后停灌。所有黏土水泥复合灌浆孔全部施工完毕后，待凝 24 h 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3．5 bar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 5 L/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 1 779． 775 m，左线隧道长1 784． 897 m(长链 5． 122 m)，全长 3 564． 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 25 m，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． 6 m，刀盘距学生宿舍 10 号楼净距离为5． 11 m，两栋房屋均为框架结构，锤击灌注桩基础，A072 栋房屋桩长 13 m，A070 栋房屋桩长 15 m。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 ～ 20 m，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 1 m。
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． 0 MPa，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 1 m，布设 2 排注浆孔。加固孔位采用梅花形布置，孔间距 1 200 mm，排距600 mm，加固深度为隧道上方 3 m 至 ＜ 9H ＞ 地层0． 5 m。
(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． 5 m 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
上海市轨道交通10号线3标同济大学站—大连路站—邮电新村站区间隧道采用双圆盾构施工(见图1)。
隧道沿四平路推进,沿线两旁分布有大量居民楼及办公大楼,主要以高层及小高层为主;盾构推进穿越四平路下立交,沿线地下管线众多,周边环境较复杂。盾构推进中线地面标高3.5～4.5 m;隧道底部埋深-12.3～-19.8 m。地貌形态单一,属滨海平原地貌类型;盾构推进主要穿越(2)3、(4)、(5)1、(5)2土层。
2 施工方案
1)同济大学站—大连路站—邮电新村站区间隧道采用日本石川岛播磨重工业(IHI)生产的双圆土压平衡式盾构掘进机施工;采用三轴搅拌桩+高压旋喷桩对盾构进出洞口土体进行加固。
2)开始100 m作为试推进(每天4～5 m),采集各种施工数据,分析各种数据之间的关系,为正常推进奠定基础。
3)正常推进时,采用“雄鹰”自动测量系统结合陀螺仪系统,运用优化的施工参数推进,每天推进7～8 m。
4)隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片,错缝拼装。每环衬砌由11块管片构成:8块A管片、1块大海鸥形(B)管片、1块小海鸥形(C)管片及1块柱形(D)管片(见图2)。管片厚300 mm,环宽1 200 mm。管片纵、环向采用螺栓连接,接缝防水均采用遇水膨胀橡胶止水条。
5)为控制地表沉降,保持隧道的长期稳定,采用可硬性浆液进行同步注浆。
6)配合信息化施工要求,对建筑物、管线、地层、隧道进行变形监测。
3 产生地面沉降的原因
3.1 一般原因
1)盾构掘进引起的地层损失。
2)盾构施工推进过程中引起地下水大量流失,从而导致地下水位降低,地层随之固结沉降。
3)盾构本身衬砌结构的变形。
4)地层原始应力状态的改变、受扰动土体的固结及土体的蠕变效应。
3.2 双圆盾构转角引起地面沉降
1)引起双圆盾构产生转角的原因如下:
(1)双圆盾构在推进过程中,由于土体的不均匀性,使得刀盘在切削土体时,左右刀盘力矩不同,对盾构机产生一个力矩差,从而使盾构机偏转;
(2)盾构机所处地的土体性质不同,地基承载力也不同,也会造成盾构机偏转;
(3)双圆盾构机在曲线段施工或纠正轴线偏差时,左右两侧所受的力和方向会存在一定的差异,使盾构机发生偏转。
2)双圆盾构如旋转量(转角)过大,会引起左右圆隧道的高低差以及中间立柱的倾斜,对隧道结构受力及其不利。因此,在施工中,必须采取措施对双圆盾构转角进行修正。
3)在修正双圆盾构的转角时,盾构左右两部分的土压力不同,造成地表的不均匀沉降;为修正盾构偏转,需开启仿形刀对土体进行超挖,由此会形成建筑空隙,引起地面发生沉降,若不及时注浆充填,或注浆量不足,就可能形成较大的地面变形。
4 控制地面沉降的措施
4.1 通常采用的措施
1)保持刀盘前方土体有轻微的隆起,以防超挖,隆起范围控制在0.5～1.0 mm之间。
2)合理设置正面土压力,维持密封仓内的土压力与设定土压力的吻合性,保持开挖面的稳定。
3)严格控制盾尾注浆,双液注浆的初凝时间控制在8～12 s,注浆量保证在理论建筑空隙的150%～180%。加强跟踪注浆,减小后期沉降,确保管片与地层间隙密实。
4)推进过程中控制好盾构姿态,减小因纠偏而造成超挖量,双圆盾构推进过程中的及时纠偏也非常重要,要设置提前量,避免发生大角度纠偏。
5)控制衬砌拼装偏差,提高隧道质量,减少后期沉降。
4.2 控制因双圆盾构转角引起地面沉降的措施
1)进行土体改良,向刀盘前方注入相当量的添加剂,并通过充分的搅拌,使开挖土体成流塑状。这种流动性极好的“厚泥浆”充满在整个开挖洞体中,在刀盘转动时,压力能得到均匀的传递,使得开挖面处于良好的土压平衡状态。
2)利用盾构中心顶部的注浆孔及时填充润滑材料,减少凹槽处的背土现象。
3)设壁后注浆备用系统,确保浆液及时填充盾构与管片间的建筑空隙。
4)设置有效的地层变形监测点,及时进行地面变形的监测,并同步反馈至盾构控制室,以便及时进行施工参数的调整。
5 结语
通过双圆盾构在上海市轨道交通10号线3标同济大学站—大连路站—邮电新村站区间隧道施工证实:
1)由土体固结引起的沉降量通常大于盾构施工引起地层损失造成的沉降,在盾尾注浆量较大的情况下,深层土体有可能发生较大隆起值,盾尾注浆率以1.5为宜。
2)土仓压力、注浆量、推进速度是对土体扰动、地面沉降最为敏感的施工因素。土仓压力的大小,对土体前期的隆沉影响较大,故应正确设定正面土压力;而盾尾注浆量的大小,对于深层土体的隆沉、后期沉降的影响较大,故须严格控制同步注浆、跟踪压浆等施工措施;推进速度的大小,则关系到盾壳与土体侧摩阻力的大小及土体损伤扰动程度。
3)由于双圆盾构采用固有的辐条式刀盘、在施工时海鸥管片上方会产生背土(挤土)效应以及采用双液(2点式)注浆体系等特点,故施工时须采取相应的对策,不允许出现盾构机的旋转。通过加强监测,及时反馈施工信息,可使地面沉降控制完全接近单圆盾构的标准。
1.土压式盾构，以土压和塑流性改良控制为主，辅以排土量、盾构参数控制，泥水式盾构，以泥水压和泥浆性能控制为主，辅以排土量控制。
2.开挖面的土压(泥水压)控制值，按地下水压(间隙水压)+土压+预备压设定。
(1)地下水压可从钻孔数据正确掌握，但要考虑季节性变动，
靠近河流等场合，要考虑水面水位变动的影响。
(2)土压有静止土压、主动土压和松弛土压，要根据地层条件区别使用。按静止土压设定控制土压，是开挖面不变形的最理想土压值，但控制土压相当大，必须加大设备装备能力。主动土压是开挖面不发生坍塌的临界压力，控制土压最小。地质条件良好、覆土深、能形成土拱的场合，可采用松弛土压。
综合医院一般分门诊楼和住院楼，住院楼多为高层建筑，而门诊楼多为4~6层的建筑，建筑功能上的要求，住院楼和门诊楼相连。由于高层和多层的荷载差异较大，所以基础易产生显著的沉降差，有可能产生结构难以承受的内力和变形。为了避免由此造成的结构上的过大的裂缝，可以在高层和多层之间设置沉降缝，将其分开成两个独立的单元。
设置沉降缝后，虽然解决了建筑物的沉降差异而产生过大裂缝的问题，但是由于上部结构必须在沉降缝两侧均设置独立的抗侧力构件，形成双梁、双柱、双墙，给建筑在使用和功能上带来不便。结构上也存在基础埋深、整体稳定等问题。因此是否设缝，需要根据具体情况，综合考虑。
如果不设沉降缝，高层和多层间的沉降协调就至关重要。以天津五中心医院为例，天津为沿海冲击平原，地质条件较差。一般高层及多层建筑以桩基础为主。根据《建筑桩基技术规范》第3.1.18条，“以减小差异沉降和承台内力为目标的变刚度调平设计，宜结合具体条件按下列规定实施：
1.对于主裙楼连体建筑，当高层主体采用桩基时，裙房(含纯地下室)的地基或桩基刚度宜相对弱化，可采用天然地基、复合地基、疏桩或短桩基础，
…”这样，住院楼部分，根据柱距、荷载情况，可以选择直径较粗、持力层较深，即桩长较长的高承载力桩，如承载力不够，还可采用挤扩灌注桩、灌注桩后压浆技术等。多层部分可以选择相对较细的桩，持力层相对浅些。另外，可以用水浮力调节两边的压力差。天津地区地下水位较高，通常静止水位在1m左右。如果门诊、住院楼都有地下室，水浮力对基础的影响很大。要想增加多层部分压力，减少高层部分压力，可以在计算桩数时，多层部分考虑水浮力的有利影响，使桩的承载力尽量用足，而高层部分不考虑或少考虑水浮力，从而减小两边桩的沉降差异。在其他地区，根据当地的地质条件，可以主楼采用桩基础，裙楼采用筏基;或主楼采用筏基，裙楼采用独立基础。
隧道技术的进一步发展, 使得盾构隧道逐渐成为了繁忙闹市区或是软弱岩土层地下工程项目施工的重要施工措施。即使盾构施工技术在不断地改进, 但是在实际的施工过程中, 造成的地层位移问题并没有得到很好的解决。因此研究地铁盾构隧道施工的地表沉降问题有着重要的现实意义。本文以某工程项目为例, 对地铁盾构隧道施工过程中的地表沉降问题进行了分析研究, 为类似工程项目的施工提供参考资料。
1 隧道施工地表沉降的具体发展情况
1.1 地表沉降的发展过程
盾构在不同的地层掘进过程中, 导致地表变形能够分为五个阶段。其一, 先期沉降, 主要是由于地下水位偏低, 孔隙水压力的减少, 而围岩的有效应力不断增加导致地层的下降。其二, 开挖前地层的沉降与隆起。这主要是因为施工操作面的施压, 当压力过大时, 地层将会隆起。当压力偏小时, 地层则会沉降。其三, 盾构通过的过程中, 地表的下沉。这主要是因为实际施工的扰动, 导致盾构和围岩土体之间剪切的错动, 最终导致地表沉降。其四, 盾构空隙的沉降。围岩土体在失去支撑后, 隧道外围管片背面没有及时注入岩浆, 导致盾构空隙的沉降。其五, 后期的沉降。这主要是结构的变形, 孔隙水的下降以及地层的扰动等多种原因造成地表的沉降。
1.2 地表沉降的主要原因
盾构推进造成的地层损坏以及盾构隧道被扰动, 是地铁隧道施工地面沉降的主要原因。导致地表沉降的其他因素有:盾构的后退;开挖面的土体移动;受到扰动固结沉降的影响;推进的方向被改变;土体挤进盾构的空隙中;在盾构外围附上了一层黏土的情况下, 盾构尾部隧道管片的外围的空隙将会不断加大, 如果不增加相应的压浆量, 地层的损失将会更加严重;在土压力的作用下, 隧道管片会出现变形现象, 这也会造成地层的损失;当隧道管片的衬砌沉降偏大时, 将会造成更为严重的地层损失[1]。
2 对地表进行检测, 对地表沉降进行科学的控制
2.1 对地表进行监测
2.1.1 地表监测的基准值
在计算基准值的过程中, 工作人员需要结合实践经验、工程项目的类比、管线状况、结构的计算以及相关技术设计要求等多方面的实际情况进行计算。
2.1.2 监测点的布置
其一, 地表沉降以及地下管线的安全监测问题。地表的具体沉降点是沿着隧道轴线按照5米左右的间距进行埋设的。而地表横向的沉陷测量点则是按照50米左右的间距进行埋设的。沿着区间隧道进行施工的过程中, 在施工的实际影响范围内, 重要地下管线上侧地表的纵向每隔30米左右的间距设置一个测点。其二, 针对地面建筑物的监测。在区间隧道两边距离地铁隧道边线15米左右的地方, 尤其是在隧道两旁10米左右的范围内, 针对该范围上方的建筑物进行有效的监测, 而测点则需要设置在建筑物的承重柱或是基础上[2]。
2.2 控制地表沉降的有效对策
对地表沉降进行控制的对策包括以下四点。其一, 针对土仓压力的科学设定。在掘进地铁隧道的过程中, 针对土仓压力的设定作为重要的参数之一, 所设定的土仓压力值过小则会造成地表沉降量的加大;土仓压力值过大则会造成地面出现隆起问题。其二, 针对地层实际情况以及沿线建筑物的调查[3]。假设在实际的施工过程中能够实现控制地面沉降的最终目的, 最基本的条件是在掘进地铁盾构隧道前, 对地铁隧道施工影响范围内沿线建筑物以及地层的实际情况进行调查分析[4]。其三, 合理设定盾尾同步的注浆参数。在掘进盾构的过程中, 需要利用适度的浆量与注浆压力、科学配比的注浆材料等, 在脱出盾尾衬砌背部的环形建筑空隙中进行注浆处理。这也是控制和减少施工地表沉降的核心对策之一。其三, 在掘进地铁隧道的过程中, 对测量阶段继续科学的管理。所测量到的数据资料能够直接反映地表沉降的具体发展过程。因此, 利用测量得到的数据资料来指导工程施工, 对地面沉降偏大的部位, 要求施工工作人员加大控制测量的频率, 对盾构的参数进行科学的调整, 从而达到控制地面沉降的目的[6]。
2.3 案例分析
某地铁隧道工程主要是由一组双线单圆的盾构区间隧道组合而成。其中该地铁隧道主要分成下行线与上行线。区间隧道利用的是多台从德国海瑞克公司购买的土压平衡盾构机进行施工。此外, 两条地铁隧道是由不同的施工企业进行施工, 因为这两个企业之间的施工经验与技术能力之间的差异, 所以在实际的施工过程中, 控制地面沉降的措施也不相同。在掘进地铁隧道的范围内主要为灰色黏土以及灰色淤积型粘土层, 土性比较均匀;具有低透水性能以及高压性能, 这也是盾构掘进到的良好地层。在掘进地铁隧道的过程中, 对地铁隧道的监测主要分为坑外监测以及坑内监测。该工程项目的工作人员加大了监测的频率, 并通过监测得到的数据资料对盾构参数进行合理的调整。在实际的施工过程中, 通过对该工程项目施工情况的分析发现, 随着地铁隧道的逐级掘进, 地铁隧道口相应的地表沉降情况也在不断加重;通常情况下, 在开挖地铁隧道的过程中, 地表沉降的重要影响区域贯通全长, 其中开挖一段, 地表沉降的影响区域沿着地铁隧道掘进方向6倍左右的隧道直径, 在大约6倍隧道直径外的区域, 会出现地表隆起, 但是这种隆起情况并不明显[6]。
3 结语
笔者通过对工程实例进行分析, 提出以下对策, 以此减少地铁盾构隧道施工地表沉降的影响程度。其一, 工作人员需要进行信息化的工程施工, 即在实际的施工过程中, 及时把检测到的数据信息反映至盾构机的操作工作人员的手中, 能够及时对盾构机的挖井参数进行及时的调整, 以此控制好施工地表的沉降。其二, 在开挖隧道的过程中, 盾构推进时会对它的推进方向产生一定程度的影响, 在施工线路地表层上, 充分注意重要管线和建筑物等。其三, 开挖隧道会造成地表沉降, 这种现象通常出现在隧道开挖的初始部位, 针对偏长的隧道, 其地表沉降可能出现在隧道的前段, 所以需要对隧道的起始两端进行密切的监测。
参考文献
[1]廖培金, 陈平, 周志刚.盾构隧道施工引起的地表沉降及现场监控[J].中国石油和化工标准与质量, 2012, 01 (05) :143-145.
[2]伦利, 冉旭, 张冬梅.盾构隧道施工地表沉降规律及控制措施研究[M].天津人民出版社, 2011, 21 (07) :165-167.
[3]何元凯, 王玉琼, 梁雪峰.提高原油计量精度控制管输原油损耗[J].中国石油和化工标准与质量, 2010, 22 (09) :212-214.
[4]黄旭雨, 罗立民, 张进德.基于某地铁盾构隧道施工地表沉降的分析研究[J].岩石力学与工程学报, 2011, 20 (06) :421-422.
[5]黄旭雨, 罗立民, 张进德.西安地铁黄土地层中盾构隧道地表沉降控制理论与技术[J].计算机光盘软件与应用, 2010, 10 (06) :121-122.
2010年3月27日至4月六日在广州五羊城酒店参加了由盾构中心组织的盾构施工技术和管理培训。感觉培训内容设计充实、合理，培训时间安排紧凑，专家教授水平都很高、责任心强，大部分都是专门针对本次培训精心准备了课件，参加培训学员来自各个工地、不同的岗位，学习积极性都很高，尽管有时候为了迎合专家的时间，要在晚上或者中午加班上课，但丝毫不影响学习热情和效果。
能参加本次培训对我来说是一件很幸运的事情，收获很大，触动也很大。简要总结如下：
一、开阔眼界、认识差距
这次授课的专家中有获得国际管理大奖的“狮子洋隧道”的项目负责人，有专门进行盾构施工理论研究的大学教授，有多年施工管理经验的监理，有在新加坡、日本干过数条盾构隧道的勤于钻研和总结的技术专家，有共和国第一代隧道人、参与隧道施工验收规范及多本书籍编写的老前辈，有把IT和项目管理结合得很完美的名校的老师……，他们带给我们很多全新的视觉冲击和理论知识。比如我第一次深入了解的世界范围内盾构技术和盾构装备的发展水平，子母盾、双互盾、三盾，第一次感受到了地下工程的复杂程度是如此之深。仅就我们现在有的泥水平衡式盾构来说，就有那么多值得研究、有待提高的方面。
二、提升理论，明确方向
我们的盾构施工，在集团公司内首屈一指，这几年发展也比较快，但是，在技术方面，仍然属于头疼医头脚疼医脚的阶段，北京交大的袁大军教授讲了由他负责的《如何避免强透水层盾构施工中的劈裂（冒顶）的发生》项目，项目通过理论的分析研究，合理的计算，为盾构施工提供了合理的工艺参数，解决了盾构在通过强透水、浅覆土地层中掘进，容易发生劈裂（冒顶）的问题，确保了施工的安全顺利进行。我最深的感触是，任何一项技术措施都是有它的理论依据的，只有上升到理论，我们所做的很多技术方案才能更适用，也只有注重和加强理论分析和研究，我们才能走得更稳，走得更远。
三、增进了解，增强合力
培训不仅是一个跟老师纵向交流学习的过程，更是一个学员之间互相沟通，增进了解，促进团队合力建设的好时机。
这次培训更是把这方面发挥的淋漓尽致。尤其是利用培训间隙，让参加学习的每个成员都说说自己对盾构现状的认识，开诚布公的提建议。大家在那样一种氛围下，都结合自己的岗位很坦诚的谈了很多。有一天晚上讨论到11点了，大家还是兴致很浓。如果一个团队都为了做好同一件事情努力地话，那真的是无敌的。
四、理论与实践相结合，学以致用
这次培训安排了两项实践活动，一是到海瑞克设在广州南沙区的工厂参观，我有幸仔仔细细地看了组装好的盾构机，以前虽然也多次到过盾构工地，但由于性别的原因，没有亲密的接触过盾构施工的最前沿，这次总算能跟以前在各种技术材料中见过的各种主专业名词对上了号，而不只是凭空想象了。二是到广州地铁施工的两个现场进行了学习。盾构的始发、正常掘进，泥水盾构、土压平衡盾构，不同的现场，不同的施工特点，理论与实际的结合。
五、6S管理观念深入，提升综合管理水平
这次培训的另一大特点是，充分利用有效时间，灌输先进的理念。不仅是提升理论找差距，不仅是开阔眼界定目标，还有全方位的提升争做一流的各种理念。
中华人民共和国国家测绘局证书 证 书 等 级 ：乙级 编号 ：山东省工程测绘院 二零一一年十月
目录
一、工程概况
二、执行的规范标准
三、水准基点的设立及检测
四、沉降观测点的布设
五、沉降观测周期
六、观测精度及观测值的平差计算
七、沉降数据统计分析
八、监控报警值、监控预警值
九、结论
附录
NO:1水准基点位置示意图
NO:2沉降观测水准基点点间高差检核成果表
NO:3沉降观测点位置示意图1NO:4沉降量统计表1NO:5沉降量、荷载、时间（S-P-T)关系曲线图
张 张 张 １张１张
1一.工程概况
四期扩建工程新建项目位于济南市舜耕路院内。建设用地地势平坦。本工程为一新建筑物，建筑高度为180.00米。基础持力层为石灰岩石层。
我院受建设方委托对该建筑物进行了沉降观测工作。
二.执行的规范标准
1.中华人民共和国行业标准《建筑变形测量规范》JGJ8-2007；
2.中华人民共和国国家标准《工程测量规范》GB/T50026－2007。
三.水准基点的设立及检测
水准基点是整个观测工作的基准，为保证观测值的可靠性，在施工区附近（变形区外）共布设了供沉降观测使用的2个水准基点(YZ1～YZ2)，在施工现场南侧稳固的管架水泥墩上选择一个固定点YZ1，在南侧已稳固的原有烟囱上选择另一个固定点YZ2。其具体位置见附图NO：1“水准基点位置示意图”。
高程系统为独立高程系，分别由以上水准基点构成水准闭合环，于
2010年9月16日进行了初始值观测，其后分别于2010年5月17日、2010年7月5日、2010年11月8日、2011年2月24日、2011年6月15日对水准基点进行了5次检测工作，其检测及稳定分析结果见附表NO：2“沉降观测水准基点点间高差检核成果表”，从检测成果分析来看，所有水准基点在观测期间均稳定可靠，未发生任何失稳现象,为观测数据的准确性提供了可靠依据。
检测精度统计：对各检测周期的平差资料进行统计，水准基点水准线
路测量最大测站高差中误差为0.1012mm(2010年9月13日观测数据)，统
计数据表明检测精度完全满足二级沉降观测变形测量精度要求。
四.沉降观测点的布设
我院根据该建筑物的结构、地基及荷载特点并结合有关规范要求,对
本建筑物共布设了16个沉降观测点，观测点具体位置见NO:3“沉降观测点位置示意图”。
五.沉降观测周期
我院根据现场施工情况，于2010年9月9日对本建筑物进行了初始
值观测工作，施工中建筑物每增加15米观测了一次，于2011年9月9日进行了最后一次观测，本建筑物在主体施工期间进行了15次观测工作，封顶后进行了7次观测工作，目前共计进行了22次观测，共历时356天。
六.观测精度及观测值的平差计算
1.根据中华人民共和国行业标准《建筑变形测量规范》JGJ8-2007第3.0.4条表3.0.4规定：沉降观测变形测量精度等级定为二级，观测精度按二级沉降观测变形测量精度即观测点测站高差中误差≤±0.5mm。
2.水准线路的观测限差:
(1)水准线路闭合差定为:f△h≤±1.0
(2)各测站视线长度≤50m；
(3)测站前后视距差≤2米；
(4)前后视距差累积≤3.0m；
(5)视线高度≥0.6m。
3.观测仪器：采用瑞士产徕卡数字式自动安平精密水准仪－DNA03，配合条码式铟瓦水准钢尺施测，仪器标称精度：每公里往返测高差中误差nmm(n为测站数)；
±0.3mm/km，外业视距限差均由数字式水准仪机载软件进行自动控制，对限差超限的数据已由仪器对该站超限数据删除，当场对该站数据进行了返工重测。
4.观测值的平差计算
每次外业观测工作结束后将仪器内存中的外业观测数据下载进计算
机后,用南京河海大学开发的专业控制网平差软件 “建筑沉降分析系统ST4.3”软件进行平差计算各点的高程和精度。对平差后水准线路测站高差中误差不满足二级沉降观测变形测量精度（±0.5mm）的观测数据，立即返工重测，直至满足精度要求为止，其后将各观测点平差后的高程填写在已定的统计表格中,计算累计沉降量及本次沉降量,并填明日期和施工情况等资料，最终形成沉降量统计表（附表NO：4）。
5.观测精度统计：对各观测周期的平差资料进行统计，观测点水准线路测量最大测站高差中误差为0.1012mm(2010年9月13的观测数据)，统计数据表明观测精度完全满足二级沉降观测变形测量精度要求。
七.沉降数据统计分析
1.截止2011年6月15日最后一次观测止，最大累计沉降量为
9.2mm(1-14＃观测点)，最小累计沉降量为4.2mm(1-7＃观测点)，最大沉降差为5.0mm(1-14＃观测点～1-7＃观测点)，平均累计沉降量为5.8mm。
2.在最近2个观测周期之间，可计算出最近时间段内建筑物的平均沉降速率，经计算在2011年2月23日～2011年6月15日，时间间隔为112天，其平均沉降量为1.0mm，平均沉降速率为0.009mm/天。
3.经计算至最后一次观测(2011年6月15日)止，相邻柱基的最大沉
降差为4.7mm（1-14＃观测点～1-15＃观测点，该两点相邻柱基的中心距为7510mm）。
4.沉降量、荷载、时间（S-P-T)关系曲线图分析
从沉降曲线的分布情况来看，1-14＃观测点沉降曲线与其余观测点沉降曲线相比存在一定离散现象，表明该观测点区域地基土压缩模量小于其余观测点区域地基土压缩模量。
从沉降曲线的沉降趋势来看，观测点沉降曲线在2011年4月中旬以后开始逐渐趋缓，表明建筑物基础在2011年4月中旬以后开始逐步进入稳定沉降阶段。
八.监控报警值、监控预警值
根据国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007－2002第5.3.4条规定：对砌体承重结构和框架结构的工业与民用建筑物相邻柱基的沉降差，变形允许值≤0.002L，取规范变形允许值为监控报警值。取监控报警值的70%作为监控预警值，即建筑物相邻柱基的沉降差监控预警值≤0.0014L（0.002L*70%=0.0014L）［L为相邻柱基的中心距离（mm）］。
九.结论
1.由沉降分析可以看出:在观测期间该建筑物的相邻柱基的最大沉降差为4.7mm（1-14＃观测点～1-15＃观测点，该两点相邻柱基的中心距为7510mm），建筑物相邻柱基的沉降差监控预警值为：0.0014×7510mm＝10.51mm；监控报警值为：0.002×7510mm＝15.02mm，最大沉降差约为监控预警值的44.7%(即4.7mm÷10.51mm≈44.7%)；约为监控报警值的31.29%(即4.7mm÷15.02mm≈31.29%)，由此表明本栋建筑物在整个观测
期间，建筑物地基变形值小于监控预警值及监控报警值。
盾构机姿态控制包括盾构机体滚动角控制及轴线偏差控制。 (1) 机体滚动角是指盾构机在掘进过程中土体反作用于刀盘而传递至中体发生的滚动偏差, 如盾构机滚角过大, 则机体不能够保持正确的姿态, 直接影响管片拼装质量。 (2) 轴线偏差是指盾构机体轴线 (盾构机盾尾中心与刀盘中心的线段) 与设计轴线的的偏差。
1 影响盾构机姿态的因素
1.1 不同的地层条件
盾构机在掘进过程中同一断面中出现两种或以上不同性质的地层, 肯定会引起姿态变化, 特别是差异较大的更为突出。如上软下硬地层 (上部为淤泥质层或砂层, 下部为风化岩层) , 则盾构机的轴线方向易向上偏移。
1.2 土压变化
在掘进过程中的保持土压力稳定, 防止突变。出渣控制不好, 多出或少出, 引起盾构参数变化都有可能导致盾构机姿态的变化。
1.3 人为控制因素
盾构机操作手的技术水平与经验直接应将到盾构姿态的发展趋势, 其中包括了盾构机操作手如何通过盾构机现有姿态、盾尾间隙及千斤顶行程等因素去判断, 然后作出正确的管片选型是盾构机姿态趋势发展好与坏的关键。
2 盾构机姿态控制的一般细则
盾构机的方向纠偏直线段时应控制在±30mm以内, 在缓和曲线及圆曲线段, 盾构机的方向纠偏应控制在±50mm以内 (广州地铁施工掘进姿态检验批主控项目要求) 。尽量保持盾构机轴线与隧道设计轴线平行, 否则, 可能因为盾构姿态偏差导致盾尾间隙过小, 造成管片错台及崩角。
当掌子面土体较为均匀, 土体强度不高的情况下 (一般低于30MPa) , 盾构机的姿态控制相对容易, 此时, 通过合理调节各分区的千斤顶推力, 保持盾构机轴线吻合设计轴线, 同时注意管片选型应符合盾尾间隙要求, 防止盾尾间隙过小造成的干涉, 间接影响盾构姿态。
当开挖面遇到硬软程度不均而且又是处在曲线段时, 盾构机姿态控制比较困难。此时, 可降低掘进速度, 合理调节各分区的千斤顶推力以及正确管片选型, 当出现偏差过大时, 纠偏不可过急, 有必要时可考虑使用超挖刀。
当盾构机遇到上软下硬土层时, 为防止盾构机“抬头”, 要保持下俯姿态;反之, 则要保持上仰姿态。掘进时要注意上下两端和左右两侧的千斤顶行程差不能相差太大, 一般控制在±20mm以内。
在小半径曲线段掘进时, 应提前转弯, 即根据曲线半径的大小不一样让盾构机向转弯方向偏移一定量, 一般曲线半径大于2000mm的, 偏移量取10~15mm, 曲线半径小于500mm, 偏移量取25~35mm。
在盾构机姿态控制中, 推进油缸的行程以及盾尾间隙控制是重点。对于1.5m宽的管片, 千斤顶行程应控制在1750mm左右, 行程差控制在0~40mm内, 行程过大, 使得后盾与管片之间的夹角增大, 受力不均, 导致管片错台以及崩角。
3 不同地质条件下盾构机掘进姿态的控制
3.1 淤泥质土层 (或砂层) 中盾构机掘进姿态的控制
盾构机在软弱地层或者砂层中掘进时, 由于地层自稳性能差, 为控制盾构机姿态偏差在允许范围内 (±100mm) , 避免盾构机蛇形量过大造成对地层的过量扰动, 宜将盾构机掘进速度控制在30~35mm/min之间, 刀盘转速控制在1.5r/min左右。由于软弱地层中无法给盾构机提供足够的纠偏反力, 完全依赖于管片的反力纠偏, 一旦轴线偏离则纠偏难度大, 因此该段地层中掘进时, 五组千斤顶推力应较为均衡, 避免掘进过程中因千斤顶行程差过大 (≥50mm) 而造成推力轴线与管片中心轴线不在同一直线上。在掘进过程中应根据实际情况加注一定量的添加剂以保持出土顺畅, 尽量保持盾构机的连续掘进, 另外要严格控制出土量防止超挖, 同时须控制同步注浆量以保证管背间隙被有效填充。
3.2 全断面硬岩地层中盾构机掘进姿态的控制
全断面硬岩地层属于均一岩层, 盾构机在该类地层中掘进, 其轴线姿态能较好地控制, 在掘进时保持各分区千斤顶推力均匀, 总推力和掘进速度均匀, 即可保持盾构机较好的姿态。
该类地层中滚角发生变化大且快, 需频繁反转刀盘来调节滚角偏差。且注意刀具磨损情况, 如发生刀具的局部磨损或脱落, 特别为边缘滚刀和刮刀的偏磨, 也可造成盾构姿态的偏差, 故在千斤顶推力均匀的情况下, 如发生姿态偏差或不受控, 则需要开仓检查刀具, 必要时更换新刀及使用超挖刀。
4 管片选型
在盾构施工中, 正确的管片选型对盾构机保持良好的盾构趋势及姿态纠偏极为重要, 一旦选型失误, 盾构机姿态将持有一段距离的失控, 纠偏相当困难。
管片包括标准环管片与转弯环 (右转弯、左转弯) 管片, 转弯环最大楔形量为38mm。当掘进隧道曲线或者盾构姿态纠偏时, 通过应用标准环和转弯环来拟合隧道。
图1为右转弯环管片安装顺序图。
由图1可得知, 不同的安装K块点位, 管片最大楔形位置不同;管片通过不同点位的拼装, 就可以实现隧道的调向。左转弯环管片与右转弯环相反, 标准环无楔形量。
管片选型的原则有:
4.1 管片选型要适合隧道设计线路
在盾构施工前, 先行对设计隧道进行管片拟合, 通过拟合, 就大致上知道整个隧道需要多少标准环、左转弯环、右转弯环。盾构施工中, 管片的选型基本上与拟合管片选型相符。
以APM3标隧道工程最小圆曲线段为例 (最小圆曲线半径400m, 长度130m) 计算出标准环与转弯环的布置。
式中:A———一环转弯环拼装后管片轴线的偏转角度。
计算得出:A=0.4031
根据圆心角计算公式:
将A=0.4031代入上式, 得出L=2.812m, 每隔2.812m需要拼装一环转弯环, 管片长度1.5m, 也就是说, 在400转弯半径的圆曲线上转弯环与标准环的比例为1:1。
4.2 管片选型要适应盾构机趋势
千斤顶行程及盾尾间隙偏差不大的情况下, 当盾构机的趋势偏向右, 则应选择右转弯管片;反之, 则选择左转弯管片。这样才能保证在掘进完下一环后保持好盾尾间隙、千斤顶油缸与管片面的受力均匀。
4.3 管片选型要适合千斤顶行程、盾尾间隙
管片选型的首要条件就是要适合千斤顶行程与盾尾间隙。
以德国海瑞克S181/S182盾构机为分析对象, 此类盾构机共有五组油缸, 分为A、B、C、D、E组, 如图3所示。
盾构机就是依靠这五组千斤顶油缸推在管片上产生的反力向前推进的。每组油缸都有行程测量系统用以控制推进行程, 千斤顶行程与盾尾间隙有着密切的关系。举个例子, 当D组的行程比A、B组的行程大时, 则平面上盾构机轴线与管片轴线不平行, 成一定的夹角, 盾构机的趋势向右 (相对于管片轴线) , 此时盾构机往前掘进过程中, 盾尾间隙的变化趋势是右边盾尾间隙变小, 左线盾尾间隙增大。此时, 通过管片安装顺序图, 应选择最大管片环宽位置放在千斤顶行程较大的位置, 管片选型:R1或R11。
盾尾间隙是管片选型的一个重要依据。当选型不当, 盾尾间隙过小时, 就会造成盾尾刷被挤压摩擦破坏, 管片错台等现象。每次管片安装前, 应对盾尾管片的上、下、左、右四个位置的盾尾间隙进行测量, 当盾尾间隙最大差达到30mm以上, 则需要安装转弯环进行调节。基本的原则是:将最大管片环宽位置放在盾尾间隙较小的位置。
管片选型的三个原则相辅相成, 在实际盾构施工中, 需综合考虑盾构参数, 如设计轴线走向、盾构机姿态趋势、千斤顶行程差及盾尾间隙等, 作出最有利的盾构机姿态发展的管片选型。
5 盾构姿态纠偏措施
当盾构机姿态与设计线路出现偏差时, 就得对盾构机姿态进行纠偏, 针对海瑞克S181/182被动铰接盾构, 重点采取以下措施, 进行姿态控制和纠偏。对推进油缸进行检查与维修, 使调整推力时, 能够及时调整到位, 并且能够保持稳定, 推进压力及形成数据准确。
盾构机姿态在超过±50mm时, 应马上调整推力, 并配合管片及调整铰接, 逐步调小到允许范围之内;姿态在超过±75mm时, 应立即停止掘进, 向技术部及项目部汇报, 在分析总结原因并确定下一步纠偏掘进措施或方案后, 再按照拟定措施掘进。
当盾构机姿态已经调整到向隧道设计轴线方向 (判别方法为盾构机姿态为负时, 趋势值为正;盾构机姿态为正时, 趋势值为负) 时, 及时减小趋势值, 在盾构机姿态接近隧道设计轴线 (±10mm) 时, 将趋势值调整到±2之内。正常掘进时, 严格控制盾构机水平 (竖直) 方向的趋势值控制在±5之内, 极特殊情况因纠偏需要也不能超过±10。对因测量移站造成PLC显示姿态的变化, 根据测量部门总结经验规律, 操作人员借鉴并参考。
同时, 根据盾构机掘进的特点, 纠偏过程中, 在以下几个方面注意进行控制:
(1) 在正常掘进过程中, 保持盾构机竖直方向姿态的趋势在±2 (‰) 左右, 防止盾构机掉头。
(2) 水平姿态控制在±20mm以内, 转弯段向圆心方向增加20mm左右, 为管片在脱出盾尾后应力释放而向外侧 (切线方向) 位移预估一定的提前量, 避免管片姿态超限。
(3) 在盾构机姿态趋势大于7 (或小于-7) 时应暂停掘进, 分析出造成的原因后, 调整油缸编组的推力或铰接行程, 使趋势值在±5之间变化。
(4) 盾构机纠偏, 水平及竖直姿态调整量控制在不大于10mm/环, 一般在7~9mm/环;盾构机姿态的趋势值 (水平及竖直) 的变化必须控制在±2/环 (趋势值为正则减, 为负则加) 以内。
(5) 推进油缸最大行程控制在1700~1850mm之间, 行程差0~30mm, 保证在行程差达到最大值时基本上用一环转弯型管片 (最大可调整长度38mm) 即可调整好, 使下一环管片受力面与推进油缸及盾构机掘进方向基本垂直。
(6) 推进油缸左右两侧压力差控制在50bar以内, 上下压力差控制在100bar以内。铰接行程长度0~140mm, 控制在40~80mm, 行程差:0~50mm, 以保证盾体 (前体及中体) 与盾尾轴线夹角不致过大。
6 实例分析
以APM3标盾构隧道工程为例, 工程左线掘至512环时, 当时盾构机的姿态为:水平方向-29/-24 (趋势-1) ;垂直方向-37/-54 (趋势2) , 因为临近出洞, 盾构机操作手需立即将盾构机水平方向纠偏至+10mm, 操作手在掘进过程中加大A, B组千斤顶油缸压力, 但盾构机的水平趋势仍未能由-1调节至1, 相反, 水平趋势由-1增至-3。通过分析495~511环盾构姿态及管片选型数据, 发现495~504环盾构姿态都很好, 管片选型亦无误, 原因在于505~509环的管片选型, 505环开始管片已经有偏右 (相对设计轴线) 的趋势了, 操作手没有分析到, 仍在506~509选型右转弯管片来调节垂直方向偏差, 而没有留意到同时将水平方向的管片趋势向右扩大, 直至512环才发现, 详见表1;此时, 管片趋势与设计轴线偏差大, 且盾构机A、B组千斤顶油缸行程比D组大35mm, 故不能再加大A, B组千斤顶油缸压力, 否则导致行程差过大, 千斤顶油缸与管片受力不平衡, 容易引起管片破裂、错台。只能通过拼装左转弯环调整千斤顶行程差以及拟合设计轴线, 慢慢将盾构机姿态纠正。
通过以上实例分析, 盾构机操作手在掘进过程中管片选型未综合考虑拟合设计轴线造成盾构机姿态进入难于纠偏的状态, 所以, 盾构机操作手在姿态控制上不但要掌握盾构通过不同地层的掘进控制, 还要综合考虑设计轴线走向、盾构机的趋势、千斤顶行程差及盾尾间隙等方面因素, 作出正确的管片选型。
7 结束语
在盾构施工中, 盾构机掘进姿态的控制是一件极为重要的工作。盾构机的掘进姿态主要通过调整五组千斤顶油缸推理来实现, 管片选型调整千斤顶油缸行程差与盾尾间隙是为了更好的配合盾构姿态的调整。盾构机操作手在掘进过程中的每一个决定都关系到盾构机姿态控制的好坏, 所以盾构机操作手的操作技能、经验及综合素质为决定盾构掘进姿态好坏与成型隧道质量的关键。
参考文献
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