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盾构施工参数相关性及对地表沉降影响的研究

发表时间：2020/11/2 来源：《基层建设》2020年第21期作者：周超

[导读] 摘要：将某城市地铁四号线某区间隧道当作论述对象，借助于对施工场地检测结果的深入探索，深度剖析了盾构施工参数对地表沉降产生的影响，并在此基础上探究其对地表沉降的影响机理，从而对盾构施工参数变化以及地表沉降之间的规律进行全面、细致的总结，旨在为类似工作提供有价值的参考信息。

        中国水利水电第八工程局有限公司
        摘要：将某城市地铁四号线某区间隧道当作论述对象，借助于对施工场地检测结果的深入探索，深度剖析了盾构施工参数对地表沉降产生的影响，并在此基础上探究其对地表沉降的影响机理，从而对盾构施工参数变化以及地表沉降之间的规律进行全面、细致的总结，旨在为类似工作提供有价值的参考信息。结合相关工程案例，对盾构施工参数相关性及对地表沉降影响进行探讨。
        关键词：盾构隧道；推进参数；现场监测；地表沉降
        引言
        因施工诱发的地表沉降与对四周环境的干扰是现阶段盾构法施工的一个关键问题，尽管围绕着这一问题展开了一系列的研究与探索，然而因为地质条件的繁琐多变与参数的变化，令研究成果存在着较强的约束性。对此，结合相关工程案例，从工程概况及监测方案、地层变位的影响因素这两个方面展开研究，笔者结合自身经验提出合理化建议，旨在为类似工作提供重要的参考依据。
        1工程概况及监测方案
        1.1工程地质概况
        该城市地铁四号线某盾构区间段通常位于机动车道路之下，其中盾构会穿越以下土层：一是流塑淤泥质粉质粘土层；二是粉土与粉质粘土互层，同时盾构局部会穿越以下土层：一是粉砂夹粉土层；二是粉质粘土。与此同时，区间隧道沿线地形都处于不陡峭的状态。
        1.2具体监测方案
        在充分结合原来工程实践与具体状况的基础上，相关工作者决定在隧道轴线之上每隔一段距离就设置一定数量的沉降监测点，同时还要每30m的地方设置与之相匹配的监测横断面；就监测横断面而言，其应当设置7个测点，并在此基础上将监测点当作中心，分别在以下距离中做好相应的布设工作：一是3m；二是5m；三是11m，请看图1所示。在全面了解实际状况的基础上从以下几个方面明确现场监测范围：一是盾构切口前方20m；二是盾构切口后方50m。

        图1监测点平面布设示意图
        2地层变位的影响因素
        2.1地表竖向位移与盾构推进参数的关系
        第一，地表竖向位移和盾构总推力之间的关系。对图2进行分析后，可以得到如下信息：第一，基于盾构切口前方6m的地方，盾构总推进力的改变和相关竖向位移日变量之间不存在着密切的联系；第二，基于盾构切口后方3m到10m的范围内，会随着盾构总推力的日益提升，而令竖向位移日变化量呈现出与日俱增的状态，倘若距离盾构切口不小于10m，那么此时相关竖向位移日变化量和总推进力并不存在显著的联系。

        图2在同盾构总推力作用下轴线点的竖向位移日变化曲线（各测点间距6m）
        第二，地表竖向位移与盾构刀盘扭矩之间的关系。对图3进行分析后，可以得知：盾构切口前方监测点的竖向位置日变量无发生显著的改变，且基于刀盘扭矩从原来的3600kN-m变化为现在的4129kN-m时，这个时候监测点竖向位移日变量通常保持在±2mm的范围内，从侧面反映出了盾构刀盘扭矩的改变对于地表竖向位移的干扰存在较大的约束性，所以基于监测结果之中，这种影响容易被掩埋。

        图3在不同盾构刀盘扭矩作用下轴线点的竖向位移日变化曲线（各测点间距6m）
        2.2地表竖向位移与工作面压力的关系
        对图4进行分析后，可以得到以下信息：第一，受到工作面压力干扰的土体范围通常在盾构切口前方20m左右；第二，盾构切口前方土地在具体土压力不小于理论值的情况下处于隆起状态，且隆起最大点发生于盾构切口前方6m到8m的范围内，土压力值为0.415MPa，同时最大隆起量是+2.4mm；反之，在不大于理论值时是处于沉降状态的，沉降最大点通常在切口前方2m到3m处，土压力值除了是0.255MPa之外，最大沉降量是-2.7mm；不仅如此，测点竖向为变化量的大小和具体土压力的大小呈现出了成比例的关系。
        针对监测点竖向出现位移情况来说，其实际上是由盾构机的正面土压力偏小亦或是偏大等因素致使开挖面土压失衡诱发的。从客观的角度出发来讲，当盾构机的正面土压力与挖面静止土压力保持一致时，那么此时掘进对土地的干扰最小；反之，开挖面土体向着盾构机压力过大时，那么这个时候会造成开挖面土体隆起的情况。假如正面土压力偏离静止土压力不大时，那么此时地层变形为线弹性阶段，同时变化率不大；倘若正面图压力偏离静止土压力较大时，那么这个时候土地发展成塑性变形。

        图4在不同盾构工作面土压力作用下轴线点的竖向位移日变化曲线（各测点间距6m）
        2.3地表竖向位移与注浆压力及注浆量的关系
        第一，注浆压力。对图5进行深度剖析后，可以得到以下信息：第一，在盾尾前方2m以及后方6m左右，会随着同步注浆压力的持续提高盾构通过后的瞬时沉降量会发生逐渐降低的状态；第二，当注浆压力从0.20MPa一直提高至0.24MPa时，那么这个时候瞬时沉降量会发生明显的降低情况，而当注浆压力保持在0.24~0.30MPa时，那么此时瞬时沉降量往往保持在±1mm的范围内；第三，倘若距离盾构切口的距离大于6m，那么这个时候注浆压力变化不会对竖向位移产生较大的影响。

        图5在不同注浆压力下轴线点的竖向位移日变化曲线（各测点间距6m）

        之所以会出现这种情况通常是因为在具体施工期间，盾尾同步注浆压力的功能是令浆液在第一时间充填至相应的缝隙中，目的是为了令土体损失得到有效弥补，降低瞬时沉降以及工后沉降情况发生的次数。假如注浆压力不大于地层阻力时，那么这个时候注浆浆液不能回填至相应的孔隙中，且四周土体还会发生坍塌情况，继而形成明显的沉降量；反之，当注浆压力不小于地层阻力时，那么此时浆液可以成功的输送至指定的控制中，降低地层沉降情况发生的频率。如果注浆压力达到一定高度时，那么这个时候浆液就会基于浆液持续压力之下将隧道四周土体挤开，继而发生隆起情况。倘若注浆压力与地层阻力处于偏离状态，地层变形是在线弹性阶段，并且变化的斜率不大；反之，如果偏离情况明显，那么此时土体会逐渐发展成塑性变形。
        第二，注浆量。结合相关实践调查可知，基于不同注浆量状态之下，盾构经过后地表竖向位移曲线的差异较为突出。本文的理论孔隙量设置成4.05m3/环，从此图中可以得到以下信息：第一，在盾构机上方的监测点的竖向位移量以及前方的监测点的竖向位移量几乎不会受到注浆量变化的干扰；第二，在盾尾后面，如果注浆量是3.05m3/环的情况下，那么此时测点的竖向位移日变化量会呈现出最大的状态，基于注浆量日益上升的状态下，沉降量会发生慢慢降低的情况，倘若注浆量达到4.05m3/环时，那么则会给时候日沉降量能够保持在±1mm的范围内；假如注浆量超过4.05m3/环时，那么相关工作者再通过提高注浆量的方式来对其变形情况进行控制所产生的效果不不够显著了；第三，基于同一注浆量的状态下，紧挨着盾尾的测点沉降速率会处于最大的状态。
        之所以会出现这种情况主要是由于在具体注浆期间，浆液很容易出现损耗情况。举例而言，浆液的施工损害，抑或是基于注浆压力不断作用之下向掘削空隙之外的四周土体中持续融入，特别是基于土质条件不高的地面来说，浆液会出现明显的损失情况，所以，相关工作者只有采取增加注浆量的方式才可以将质盾尾空隙的填充率加以提升。因为注浆体的早期并不具备较高的强度，且盾构施工存在的不确定特点是决定注浆量的关键因素，其通常涵盖以下几个方面：一是超挖量无法估算；二是无法实现对浆液损失量的科学判断。特别是在土质条件不好的地段。由此可见，注浆量通常是理论空隙量的1.5~2.5倍。
        3 结语
        结合上述工程案例，可以得到如下结论：第一，注浆量针对土地变性影响非常突出，同时对盾尾瞬时沉降以及工后沉降的影响均十分关键，所以借助于提升注浆量的方法可有效降低土地变形情况发生的次数；注浆压力的影响范围一般距盾尾6m的范围内。针对降低盾尾瞬时沉降作用较为显著；第二，工作面压力的影响通常汇集到盾构切口临近之处与前方20m的范围内。总的来说，不会对盾尾后产生较大的干扰，是影响盾构前方土体变形的关键因素。
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