1K413035 盾构法施工地层变形控制措施
本条以密闭式盾构为主简要介绍盾构施工地层变形其控制措施。
一、近接施工与近接施工管理
(1)新建盾构隧道穿越或邻近既有地下管线、交通设施、建(构)筑物(以下简称既
有结构物)的施工被称为近接施工。在城市中近接施工不可避免，且随着地下空间的开发利用会日益增多。因此，盾构施工必须考虑控制影响区域的地层变形，采取有效的既有结构物保护措施。
(2)近接施工管理：
1)盾构近接施工会引发地层变形，对既有结构物会造成不同程度的有害影响;因此有必要采取系统性措施控制地层变形以保护既有结构物。首先，应详细调查工程条件、地质条件、环境条件(即既有结构物现况与安全要求)，在调查的基础上进行分析与预测、制定防护措施;其次，制定专项施工方案;最后，施工过程中通过监控量测反馈指导施工而确保既有结构物安全。
2)近接施工管理流程如图1K413035-1所示。
3)近接施工的管理措施：
①盾构掘进引起的周边地层变形状态及其原因，包括：变形程度与主要原因之间的关系、对既有结构物承载能力的影响程度。
②预测盾构掘进引起地层变形的解析方法，预测对既有结构物影响的解析模型。
③减小地层变形与防止对既有结构物影响措施的选择，及其与工程条件、地质条件和环境条件相适应措施的确定方法。
④监控量测管理系统、监测项目、监测方法、监测数据的反馈方法。
二、地层变形与既有结构物变位及变形
(一)地层变形原因
地层变形的主要原因大致分为条件因素和直接原因两类。
(1)条件因素主要有：覆土厚度、盾构直径、隧道线形、衬砌背后间隙、衬砌种类等。
(2)直接原因由盾构掘进引发，主要有开挖面失稳、地下水位降低、推力过大、频繁纠偏、洞体土层失稳、盾体与洞体的摩擦力、衬砌背后产生间隙、注浆压力、衬砌变形、衬砌漏水等。虽然地层变形的直接原因有很多，但大体可分为以下4类：
1)地层应力释放产生的弹塑性变形，导致地层反力降低;
2)土压增大产生的压缩变形，导致垂直土压增大或地层反力降低;
3)附加土压产生的弹塑性变形，导致作用土压增大;
4)伴随土的物理性能变化产生的弹塑性变形以及徐变变形，导致地层承载能力降低。
(二)地层变形机理
(1)盾构掘进通过某一断面的地层变形时间曲线与盾构掘进过程中所处位置相关。如图1K418085-2所示，某一断面地层变形的变形一时间曲线划分为5个阶段，各阶段变形原因不同，变形机理各异。
(2)某一断面地层变形的第1阶段：发生在盾构到达该断面之前，主要表现为地下水位降低产生固结沉降。第2阶段：盾构通过该断面前，若盾构控制土压(泥水压)不足或过大，则开挖面正前方土体弹塑性变形引起地层沉降或隆起。第3阶段：发生在盾构通过该断面时，由于超挖、纠偏、盾构外周与周围土体的摩擦等原因而发生地层沉降或隆起。第4阶段：盾构通过该断面后产生的弹塑性变形;若衬砌背后与洞体的空隙填充不及时造成地层应力释放，则土体的弹塑性变形引起地层沉降;若衬砌背后的填充注浆压力过高，则附加土压引发地层隆起。第5阶段：盾构通过该断面后长时间地发生后续沉降，主要由于盾构掘进造成的地层扰动、松弛等引起，在软弱黏性土地层中施工表现最为明显，而在砂性土或密实的硬黏性土中施工基本不发生。
(三)既有结构物变形与变位
(1)盾构掘进产生地层变形的同时，既有结构物的外力条件或承载能力发生变化。
(2)外力条件或承载能力的变化使得既有结构物发生沉降、倾斜、断面变形等变位与变形现象，其变位与变形的程度取决于工程条件、地质条件与既有结构物构造特征。这里，工程条件主要是指隧道线形、近接施工区间的长度、是否采取隔离措施等;地质条件是指既有结构物与隧道之间地层的物理力学参数;既有结构物构造特征主要包括断面形状、强度、变形特性。
三、盾构掘进地层变形控制措施
由于盾构掘进地层变形各阶段的机理不同，因此必须有针对性地采取控制措施。
(一)前期沉降控制
(1)前期沉降控制的关键是保持地下水压。
(2)保持地下水压措施：
1)合理设定土压(泥水压)控制值并在掘进过程中保持稳定，以平衡开挖面土压与水压。
2)保持开挖面土压(泥水压)稳定的前提条件：对于土压式盾构是泥土的塑流化改良效果，应根据地层条件选择适宜的改良材料与注人参数;而对于泥水式盾构则是泥浆性能，应根据地层条件选择适宜的泥浆材料与配合比。
3)防止地下水从刀盘主轴密封、铰接密封、盾尾以及拼装好的衬砌结构渗入。为此，应保持盾构刀盘驱动、铰接、盾尾等部位密封完好，保证盾尾密封油质注入压力与注入量，管片密封与拼装质量满足规范要求。
4)土压式盾构在地下水位高且渗透性好的地层掘进时，采取有效的防喷涌措施，以防止地下水从螺旋输送机涌人。
(二)开挖面前沉降(隆起)控制
(1)开挖面前沉降(隆起)控制的主要措施是土压(泥水压)管理，真正实现土压(泥水压)平衡。
(2)通常采取的措施有：
1)合理设定土压(泥水压)控制值并在掘进过程中保持稳定，以平衡开挖面土压与水压。
2)保持开挖面土压(泥水压)稳定的前提条件：同1K413035中三、(一)(2)2)
3)加强排土量控制。
4)对于土压式盾构，必要时还应对盾构推力、推进速度、刀盘扭矩等盾构参数进行控制。
(三)通过时沉降(隆起)控制
通过时沉降(隆起)控制措施主要有2种：
(1)控制好盾构姿态，避免不必要的纠偏作业。出现偏差时，应本着“勤纠、少纠、适度”的原则操作。在较硬地层中掘进的场合，纠偏时或曲线掘进时需要超挖，应合理确定超挖半径与超挖范围，尽可能减少超挖。
(2)土压式盾构在软弱或松散地层掘进时，盾构外周与周围土体的黏滞阻力或摩擦力较大时，应采取注浆减阻措施。
(四)尾部空隙沉降(隆起)控制
尾部空隙沉降(隆起)控制的关键是采用适宜的衬砌背后注浆措施，主要有：
(1)用同步注浆方式，及时填充尾部空隙。
(2)根据地质条件、工程条件等因素，合理选择单液注浆或双液注浆，正确选用注浆材料与配合比，以便拼装好的衬砌结构及时稳定。
(3)加强注浆量与注浆压力控制。
(4)及时进行二次注浆。
(五)后续沉降控制
后续沉降主要在软弱黏性土地层中施工时发生，主要控制措施是：
(1)盾构掘进、纠偏、注浆等作业时，尽可能减小对地层的扰动。
(2)若后续沉降过大不满足地层沉降要求，可采取向特定部位地层内注浆的措施。
四、既有结构物保护措施
(一)按实施对象划分近接施工中既有结构物保护措施
(1)盾构施工措施;
(2)对既有结构物采取措施;
(3)盾构隧道与既有结构物之间采取措施。
(二)盾构施工措施
盾构施工措施，主要是控制地层变形，同时减少对地层的扰动(详见1K413035中三)。
(三)对既有结构物采取的措施
对既有结构物采取的措施通常有结构物加固、下部基础加固及基础托换三类。结构物加固包括墙体加固、增设闭合框架加固、增加支撑等方式，以增强结构物本身抵抗变形的能力。下部基础加固有加固桩、网状桩和锚杆等方法，以提高结构基础的抗变形能力。基础托换是用新的基础结构替换受施工影响的结构物下部基础。
(四)新建隧道与既有结构物之间采取的措施
新建隧道与既有结构物之间采取的措施主要有三种：
(1)盾构隧道周围地层加固(如图1K413035-3所示);
(2)既有结构物基础地层加固;
(3)隔断盾构掘进地层应力与变形。
1.盾构隧道周围地层加固
盾构隧道周围地层加固的其目是提高周围土体强度，以减小盾构掘进时对周围地层的扰动，使加固区以外的地层不产生松弛，从而保护既有结构物。通常采用的方法有：注浆加固、高压喷射搅拌等。
2.既有结构物基础地层加固
既有结构物基础地层加固，是以提高结构物地基承载力、减小结构物地基变形为目的。通常采用的方法同样是：注浆加固、高压喷射搅拌等。
3.隔断盾构掘进地层应力与变形
隔断盾构掘进地层应力与变形，就是在盾构隧道与既有结构物之间构筑刚性好的构造体，以隔断地层变形对既有结构物的影响。通常的方法就是在盾构隧道与结构物之间施作隔断桩，具体可选用高压旋喷桩、钢管桩、柱桩、连续墙等形式。
【案例1K413035】
1.背景
某地铁隧道盾构法施工，隧道穿越土层有黏土、粉土、细砂、小粒径砂卵石、含有上层滞水，覆土厚度8～14m，采用土压平衡盾构施工。施工项目部依据施工组织设计在具备始发条件后开始隧道施工，掘进过程中始终按施工组织设计规定的各项施工参数执行。
施工过程中发生以下事件：
事件一：拆除始发工作井洞口围护结构后发现洞口土体渗水，洞口土体加固段掘进时地表沉降超过允许值。
事件二：在细砂、砂卵石地层中掘进时，土压计显示开挖面土压波动较大;从螺旋输送机排出的土砂坍落度较低。
2.问题：
(1)施工项目部依据施工组织设计开始隧道施工是否正确?如不正确，写出正确做法。
(2)掘进过程中始终按施工组织设计规定的各项施工参数执行是否正确?如不正确，写出正确做法。
(3)分析事件一发生的主要原因以及正确的做法。
(4)分析事件二发生的主要原因以及应采取的对策。
3.参考答案
(1)不正确。根据住房和城乡建设部《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》(建质[2009]87号)的规定，盾构工程属于危险性较大的分部分项工程，开工前施工单位必须编制专项施工方案，并应组织专家对专项方案进行论证。
(2)不正确。首先，在初始掘进过程中应根据收集的盾构掘进数据(推力、刀盘扭矩等)及地层变形量测量数据，判断土压(泥水压)、注浆量、注浆压力等设定值是否适当，及时进行调整，并通过测量盾构与衬砌的位置，及早把握盾构掘进方向控制特性，为正常掘进控制提供依据。其次，由于掘进过程中地层条件、覆土厚度等差异很大，应根据实际情况适时调整施工参数。最后，根据反馈的监控量测数据及时调整相关的施工参数。
(3)事件一发生的主要原因是洞口土体加固效果不满足要求。正确做法是：
1)根据地质条件、地下水位、盾构种类与外形尺寸、覆土深度及施工环境条件等，明确加固目的后，合理确定加固方法与加固范围;本案例的加固目的，既要加固又应止水。
2)拆除洞口围护结构前要确认洞口土体加固效果，必要时进行补注浆加固。
(4)事件二发生的主要原因是塑流化改良效果欠佳。应采取的对策主要有：
1)选择适宜的改良材料，并适当提高添加比例。
2)开挖面土压波动大的情况下，开挖面一般不稳定，此时应加强出土量管理。